顶管施工技术特点浅析
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摘要：本文结合施工实例，详细分析了顶管施工的技术特点，提出科学的改进措施，促进施工效果的提高。
关键词：顶管施工；注浆减摩技术；接力顶进；轴线控制
一、工程概况
该工程总管全长24km，沿途设6座泵站。出海管段工程包括：高位井1座（长11.4m、宽8.6m高28.8m），采用沉井法施工；污水放流管1根，全长1856m，采用顶管施工一次连续顶进到位；污水放流管端部内2m处设14根排海扩散竖管，采用垂直顶升法自管内顶出海底。斜直线段采用内径为1.65m的标准管节，管壁厚160mm、长3.0m；平直线段（垂直顶升段）带竖管的管节设全内衬钢板，其余管节只在两端设局部内衬钢环。管节均为“F”型接头连接。
针对土质和特定条件，选用小刀盘土压平衡式工具管。主顶进系统由底架、油缸组、顶进环、钢后靠及液压泵站等组成，其主要功能是完成管节顶进，是顶管设备系统的主要组成部分。
本次超长距离顶管中继顶结构，采用2段1铰的可伸缩套筒承插式钢构件。在铰接处设置2道可更换、可径向调节密封间隙的密封装置，并设置4只可以压注1号锂基润滑油脂的油嘴，以减轻顶进时密封圈的磨损。还设置有4只注浆孔，顶进时可进行注浆，以减小顶进阻力。
本次施工采用水力机械化排泥。螺旋机排出的干土，通过连通管进入特制的混和箱，再用高压水枪将干土破碎后与水混合成泥浆，采用管道泵及输泥管路将泥浆输送至地面沉淀池处理。
二、注浆减摩技术
本顶管出洞时的200m范围内为砂性土，含水量高、渗透性强，因此要求该段的浆液黏度要高、失水量要小，对土层能起一定的支承作用，在顶管出洞后，使管节周围能迅速形成泥浆环套，适用于此段顶进的泥浆配比称A型浆液。当顶程在200~1856m时，顶管掘进机处于全断面灰色黏土层中顶进，不仅土层渗透性小，且压浆环套较易形成，此时要求浆液以起润滑作用为主，适于此段顶进的浆液配比称B型浆液。A型、B型浆液配比及主要性能指标见表1。
表1A型、B型浆液配比及主要性能指标
顶程 浆液膨润CMC 纯碱水粘度失水触变浆液
土质 土/kg / kg /kg /kg /s量/m性状态
砂性土A型 118 3.03.4 900405 8.0 较好中稠
淤泥质B型 1092.9 3.7 90026.2 8.5较好略稠
针对工程地质条件所采用的压浆工艺为：
顶管掘进机后面的3节硅管节上都布置有压浆孔，设在靠近端部的位置，在同一竖直平面上按中心角90（°） 均匀设置4个，与垂直和水平直径呈45（°）斜交布置。压浆孔通过Φ1cm环形高压软管与输浆总管连通。当管节顶进时，利用掘进机尾部环向均匀布置的4只压浆孔进行同步跟踪注浆，以确保当掘进机向前时在其后形成的环形空隙立即被泥浆所充填，从而形成完整的泥浆环套。在1节管节顶进结束后，应进行补压浆。且要视每段顶进的阻力情况进行分段补压浆。
在管道内共设置了4座中继压浆站，压浆站间的间距约为350m中继压浆站由储浆箱和压浆泵组成，压浆量原则上控制在同步跟踪压浆量为管节外理论空隙体积的4倍左右，补压浆量一般根据地面沉降和管道外侧的摩阻力确定。通过试顶后，压浆站的压力控制在30~50kPa较为合适。
根据实测顶力并经计算，本工程顶进施工时的管壁侧向摩阻力只有1kN/m2且大多数时间内摩阻力＜1kN/m2且泥浆的减阻效果十分明显，为顶进施工的顺利进行创造了有利的条件。
三、施工技术难题及解决方法
（一）叩头
顶管机在推进过程中会出现一直往下走的现象，称为叩头，即使进行纠偏，其效果也不明显，此类情况大多发生在粉细砂土中。这是因为泥水平衡顶管机比较重，且机器转动时产生的震动会使粉细砂土很快液化，从而降低了它的承载力，使顶管机产生下沉。另外当遇到上下2层不同性质的土时，由于下面1层土较软，使顶管机往下偏。
为防止叩头，在砂土中顶进时，应先仔细阅读土质资料，并调低进泥的泥浆浓度、减小顶进速度。如遇到上下2层软硬程度不同的土时，顶管机的头部应略微往上翘些，同时把前3~4节管与顶管机后壳体联成一体。
（二）泥水管内产生沉淀、堵塞
主要是因管内泥水流动不畅所致，使顶管机推进不顺利。其原因一是由于排泥泵效率低，使泥水流量不足而在管内产生沉淀；二是在顶管机停止推进以前，对管内冲洗力度不足而使泥砂沉淀。如果是粉细砂，一旦沉淀在泥水管内，时间一长就较难冲洗干净。在含水量少的黏土层中，黏土会变成如同鸡蛋一样的泥团，如果泥团过大，它在管道的弯头和蝶阀处会把管道堵塞。无论是哪种原因引起的管道堵塞，都会影响顶管机的正常推进，并导致顶管机往下沉而影响顶管的质量。
针对此类现象，本工程主要采取如下措施，即：如果排泥泵达不到要求流量时，应予更换；在停止推进前必须对排泥管道进行较为彻底的清洗；在含水量小的黏土中推进时，应减小刀盘每转一圈时所切削泥土的厚度，同时适当加大送水量；在排泥管道与基坑间加只沉淀箱，可让土块或卵石在该箱里沉淀下来，再打开箱底排出。
四、施工技术
（一）出洞
出洞封门采用外封门型式，即由在高位井制作时安装的8根长18m 的钢板桩组成。出洞洞门处安装双层橡胶止水带，其作用是：防止工具管出洞时正面的水土涌入工作井内；防止顶进时压入的减阻泥浆从此处流失；在2层止水带之间加注减阻泥浆，使管节一出洞就被泥浆包裹，为继续顶进创造有利条件。
此外，为防止钢封门拔除后洞外土体涌入工具管密封仓，在工具管顶入洞圈前，用黄黏土填充密封仓，这样，既能平衡工具管出洞时的部分正面土压力，又能减小对洞口处土体扰动。工具管出动前，在洞圈内安装限位装置，将工具管轴线控制在一定的范围内，防止工具管出洞时产生较大轴线偏移。
（二）顶进与出土
开始顶进时，先开通泥水系统，待进回水畅通后开启螺旋输送机出土，螺旋机运转30s 后再开启小刀盘，当刀盘的扭矩和正面土压力值都在设定范围内时，才能开始顶进。
为使出土保持顺畅，对正面土体须进行改良，即在工具管迎土面的上部布置注浆管，顶进时，若正面土体较硬或是螺旋机出土不畅，通过注浆管向土体内压注一定量的泥浆，通过刀盘搅拌，可有效地改良正面的土体。
（三）泥水输送与处理
螺旋机把土出至混和箱内，在混和箱内用高压水枪把土冲成泥水，然后排至地面沉积处理。混和箱内共布置14把水枪(2把活动水枪，12把固定水枪)，有1把固定水枪是专门用于冲刷吸泥口的，因混和箱吸泥口处安装有网格，可防止较大的石块或杂物吸入泵中。
泥水系统的进水由流量为155m3/h的多级泵供水，进水通过6cm无缝钢管由地面直接送至工具管后面的混和箱。高压水枪的工作压力要保持在4.0~5.0kg/cm2，随着顶进距离的增加，进水压力会有损失，原计划在管道中串联1台增压管道泵来保证水枪的工作压力，但在实际施工时，通过调节多级泵的流量便可保证水枪的工作压力，在1856m的顶进施工中，未采用过增压管道泵。
出水管采用4cm无缝钢管，共采用9只管道泵进行接力排水，其中，第1只安装在水箱后面12m处，第9只安装在工作井内供垂直提升用，其余7只均匀布置在管道内。管道泵的开启由液位计控制，其优点是当水位太低时，管道泵会自行关闭，以防止吸空而损伤管道泵。
（四）中继间接力顶进
结合本工程的特殊情况，研制了一种新型的中继间用于接力顶进。这种中继间采用2道橡胶密封圈进行密封，其中有道密封圈是可更换的，圈内有环向压板将密封圈压紧，每块压板上有个调节螺栓用于调节密封圈的压密量，以改善密封状况。2 道密封圈中有1道开始时就压紧，另1道的压板则是放松留作备用，当压紧的密封圈损坏时，就使用备用密封圈。
用于顶进的混凝土管节允许使用顶力为600t，中继间的装备顶力为800t。中继间长1.5m，最大顶速可达5cm/min，每次顶进长度为30cm。根据理论计算并结合顶进的工艺要求，本次顶进一共布置了11只中继间。
经工程实践证明，减阻泥浆效果和轴线控制效果直接影响中继间的布置，若控制得好，则相邻中继间之间距离可适当增大，反之则要减小；当顶进管道的覆土深度较大时，按理论计算出的顶进管壁摩阻力比实际值偏大，因此在覆土较深中顶进施工，摩阻力的计算应选择更接近实际的计算方法。
（五）轴线控制
顶进施工中，每顶1节管节（3.0m）就须测量(次轴线，在出洞阶段和纠偏时，应增加测量次数。对测量控制点则要经常进行复测，以保证测量精度。顶进一定长度后，轴线测量须采取接站测量方法，并经常用坐标法对顶进轴线进行复测。
在工程纠偏中，还采用了一种效果较好的纠偏措施，就是在工具管迎土面两侧略偏下部位，安装2把高压水枪，利用高压水对局部土体的冲刷软化作用，改变工具管正面所受到的土压力，从而达到纠偏的作用。
（六）实用测量技术
为保证定向测量的精度，利用2次联系三角定问法，对井内指示轴线进行复核。另外，指示轴线在顶进过程中，必须利用联系三角形法定期进行复测，以保证整个顶进轴线的一致性。
五、结语
由于减摩技术运用得当，在总顶力限定条件下，连续顶进1000m未使用中继间，1856m顶进只用了2只中继间接力顶进。管壁实际平均侧面摩阻力＜1kN/m2，远小于计算值及经验值。本次顶管运用的实用测量技术，较好地解决了中口径长距离顶管施工中精度难以保证和测量耗时过多的难题。针对中口径管空间狭小，设计选用的螺旋机干出土、管道水力输送、压缩空气通风、低压供电和通讯监控等配套设施系统一直处于最佳运作状态，确保了施工的连续进行，创造了混凝土管平均顶进18.5m/d、最高36m/d的顶进记录。
参考文献
[1]李卓球，陈建中，杨粤．大口径玻璃钢夹砂管的顶力分析与应用[J]．中国给水排水，2005,21(95)．
[2] 黄彦，吴雅洁，范卫东．玻璃钢夹砂管的顶管工程施工[J]．中国给水排水，2003,19(8)．
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