泥水平衡顶管施工技术的应用

泥水平衡顶管施工技术的应用

叶稳新

叶稳新

深圳广铁土木工程有限公司

摘要：目前，泥水平衡顶管施工具有良好的作业面、较小的顶推压力以及快速的施工过程越来越多的受到专业的肯定。本文结合工程实际，对泥水平衡顶管施工技术在工程的应用探讨，以供类似工程参考。

一、泥水平衡法顶管的特点

一）施工特点

1、应用广泛，可以在各种土质中应用。

泥水平衡顶管施工可适用于粘土、砂砾土、砂层等地质条件，在地下水位高、地下水压大、水压变化范围大的土层使用泥水平衡顶管，能有效的减少周围地层的扰动性，维持土质挖掘面上的平衡；

2、施工总推力小，适合长距离顶管施工；

3、工作井施工环境好，操作安全可靠；

4、泥水平衡顶管的连续作业性强，施工速度快。

二）技术特点

1、泥水平衡法的驱动功率大，掘进机的驱动功率对土层的适应能力较强，会随着土层的加深变大，掘进机刀盘可以将岩层破碎后留下的大块岩石进行二次破碎，通过泥浆运输出来。

2、自动化程度高。掘进机的电气系统可以用编程控制器进行控制，减少人工操作的失误，提高电气系统的可靠性。

3、可以控制方向。掘进机的机头有较高的灵活性，能有效的纠正偏差的角度。

4、泥水运输能力强。受地质条件的限制，输送的泥水中有许多碎石，硬土块，其他碎块，所以对泥水系统的输送能力有较高的要求。

三）泥水平衡法顶管施工的限制条件

1、一般情况下，管顶覆土厚度不得小于3米，或不小于管道直径的1.5倍；水下顶管管顶覆土厚度不宜小于6米，否则，安全风险太大。

2、管道穿越地层土的稳定系数宜大于等于6，土壤渗透系数宜小于10-1cm/s，且不宜透气。否则，可能造成泥浆流失，难以形成泥水压平衡。

3、近接施工时，水平方向应保持1.0米，竖直方向应保持1.5米的安全距离。

二、工程简介

本工程道路全长约1.1KM，路幅总宽18m污水管线设计管位位于道路中心西侧4.5m，其中约700m道槽深在6-7m间。由于管道埋深深、土质差（基本为中液限粉质土、粉土层）、地下水丰富且管线附近建筑物杆线等因素影响，为确保污水管道施工质量及安全该段污水采用泥水平衡顶管方案施工。本文主要介绍工程采用的泥水平衡顶管施工技术。

三、工程施工工艺

一）主要施工工艺流程测量引点→工作井、接收井施工→测量放样→井下导轨机架、液压系统、止水圈等设备安装→地面辅助设施安装→顶管掘进机吊装就位→激光经纬仪安装→掘进机出工作坑→正常顶进→顶管机进接收坑。

二）沉井施工

1、本项目工作井接收井均采用钢筋砼沉井，工作井沉井尺寸分为6米*6米和6米*3米两种；接受井沉井为尺寸为3米*3.5米。

2、沉井制作下沉流程

井位放样→开挖2米上层土→测量放样恢复井位→下节沉井钢筋模板制作浇筑砼→养护7天后挖土下沉→上节节沉井钢筋模板制作浇筑砼→养护7天后挖土下沉到位→沉井封底→后背墙砼浇筑。

3、沉井下沉注意事项

（1）沉井下沉时，井内除土应先从中间开始，均匀、对称地逐步向刃脚处分层取土，使沉井均匀下沉，防止偏斜，特别是下沉初期尤应注意。

（2）该项目采用长臂挖机配合人工挖土，挖土下沉过程中，应做好标高、下沉量、倾斜和位移的测量工作、随时注意纠正沉井的偏斜。

（3）沉井下沉至设计标高以上2m前，控制井内除土量，注意调平沉井，防止因除土量过大及除土不均，而使沉井突然大量下沉并产生较大的偏斜，增加准确下沉至设计标高的困难。

（4）因部分沉井离构筑物较近，在下沉时，应观测周围构筑物的沉降、位移及裂缝情况，以便迅速采取措施，确保附近设施的安全。

三）泥水平衡顶管施工设备

本工程使用的主要设备三原重工制造的YX-1500型泥水平衡偏压破碎型顶管机。泥水平衡式顶管主要设备见下图：

四）管道顶进

顶管推进机（俗称机头）被主顶油缸向前推进，掘进机头进入止水圈，穿过土层到达接收井，电动机提供能量，转动切削刀盘，通过切削刀盘进入土层。挖掘的土质，石块等在转动的切削刀盘内被粉碎，然后进入泥水舱，在那里与泥浆混合，最后通过泥浆系统的排泥管由排泥泵输送至地面上。在挖掘过程中，采用复杂的泥水平衡装置来维持水土平衡，以至始终处于主动与被动土压之间，达到消除地面的沉降和隆起的效果。掘进机完全进入土层以后，电缆、泥浆管被拆除，吊下第一节顶进管，它被推到掘进机的尾套处，与掘进头连接管顶进以后，挖掘终止、液压慢慢收回，另一节管道又吊入井内，套在第一节管道后方，连接在一起，重新顶进，这个过程不断重复，直到所有管道被顶入土层完毕，完成一条永久性的地下管道。

五）顶进测量控制

掘进机在掘进过程中，采用了激光导向控制系统。位于工作后方的激光经纬仪发出激光束，调整好所需的标高及方向位置后，对准掘进机内的定位光靶上，激光靶的影像被捕捉到机内摄像机的影像内，并输送到挖掘系统的电脑显示屏内。操作者可以根据需要开启位于掘进机内置式油缸进行伸缩，为达到纠偏的目的，调整切削部分头部上下左右高度。在整个掘进过程中，甚至可以获得控制整个管道水平、垂直向30cm内的偏离精度。

六）泥水系统

泥浆系统有二个作用：送走被挖掘出的渣土和平衡地下水。泥浆系统是由密封的管道组成，通过机头循环，形成泥浆混合物，由排泥管送走，最后沉淀在地面上的泥浆池内，泥浆通过众多的排泥泵被排出。再由进水泵进水送入机头，排泥由变速的排泥泵进行控制。机坑旁通装置可控制进排泥浆的速度、方向，以防止泥渣堵塞管道，淤积现场。当挖粘土时，可能使普通粘土，有一定的粘合度，可以直接将泥浆排入泥浆池内，但是当挖沙土时，泥浆中必须添加一定的粘合剂（诸如膨润土等）以增加泥浆粘度，以达到排渣的最终目的。

进排泥水系统起着第二个作用：在有地下水存在的地方，掘进机表面的压力可以降低到小于水中的压力。这样避免了抽地下水的需要。进排泥水系统中的压力感应器可测出地下水的压力。机内泥水循环系统，电磁阀，旁通装置及载水阀可以起到调节水压的作用。机内电磁阀和旁通系统，可以阻止水压的变化，保持水压，在加管道时，不至于减小机头的水压，保证内部压力平衡。

七）进出洞口的止水措施

顶管施工中的进出洞口作业是一项很重要的工作，施工中应充分考虑到它的安全性和可靠性。尤其是从工作坑中的出洞开始顶管，如果出洞安全、可靠又顺利，那么可以说顶管施工已成功了一半。许多顶管工程就是失败在进出洞口这两个环节上。

顶进前，为防止洞口处的水土沿工具管外壁与洞门的间隙涌入工作井，在工作井内洞口处安装一道环形橡胶止水圈。在顶进施工过程中又可防止减摩浆从此处流失，保证泥浆套的完整，以达到减小顶进阻力的效果。

在机头进洞时因土体是流沙，地下水位高，土体松软，地基承载力差，

虽然经过地基处理，但为了机头顶进安全，机头不下沉，还应有机头加固措施。机头进洞时将机头与后面的五节管用拉杆连接起来，使之成为一个整体，并在导轨上用两个手拉葫芦间隔一米拉紧，从而使机头沿着导轨方向顺利顶进。

四、泥水平衡顶管优点

1、适用的土质范围比较广，地下水压力很高，以及变化范围很大的条件下，它都适用。

2、可有效地保持挖掘面的稳定，对所顶管子周围的土体扰动比较小，因而由顶管引起的地面沉降较小。

3、与其他类型的顶管比较，泥水顶管施工时的总推力比较小，尤其在粘土层这种表现得更为突出，所以特别适用于长距离顶管。

4、工作坑内的作业环境比较好，作业也比较安全。由于它采用泥水管道输送弃土，不存在吊土、搬运土方等容易发生危险的作业。它可以在大气常压下作业，也不存在采用气压顶管带来的各种问题及危及作业人员健康等问题。

5、泥水输送弃土为连续作业，因此进度比较快。

参考文献：

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