干货丨气压平衡开敞式顶管在城市顶管中的应用

顶管施工是继盾构施工之后发展起来的一种地下管道施工方法，它不需要开挖地表层，并能够穿越公路、铁道、河流、地面建筑物、地下建筑物以及各种地下管线等。到目前为止，顶管施工随着城市建筑的发展已越来越普及，应用的领域也越来越广。

我国目前的顶管施工主要有两种形式：手掘式顶管、机械式顶管。手掘式顶管即是开敞式顶管，主要工艺为人工挖掘、出土，千斤顶顶进，它是最早发展起来的一种顶管施工形式，由于它具有施工操作简单、设备少、施工成本低等一些优点，至今仍被许多施工单位采用。机械式顶管是采用刀盘切削土体，机械出土，根据平衡原理，又分为泥水平衡式与土压平衡式两种。本文主要结合昆明市某污水管网的施工情况，谈谈开敞式顶管施工的一点体会。

1.工程概况

该工程位于昆明市中心区，工程地理位置复杂，施工干扰大。该合同段污水干管全长4.795km，平均埋深8m。从地质剖面来看，地表以下约3m范围为杂填土，结构松散。地表以下3~9m范围内为圆砾、粘土、粉土及淤泥质粘土，其中在W5~W11段有一段基岩揭露，为白云质灰岩，岩石坚硬，=2000kPa。顶管穿越地段地下水丰富，水位埋深1.89~1.96m。

由于城市顶管地质情况复杂，地下管线繁多，在该工程施工中大量采用气压平衡开敞式机头顶进。

本工程于2003年11月开始顶管施工，至2004年3月底，共完成了顶管2612m，并两次成功地穿越了明通河，取得了较好的效果。

2.施工简介

2.1顶管掘进机的选型

顶管掘进机选型是一项非常重要的工作，针对不同的土质情况采用不同的机型直接关系到顶管施工的成败。首先，需要根据业主提供的地质资料，到施工现场详细复核，在地质特别复杂地段，需要增加勘探孔补充地质资料。其次，必须掌握各种顶管机的施工适用性、设备售价、场地需要等特点，并结合工程的工期、标价、自然因素等其他因素来确定机型。

该工程在W5~W7段之间有30~50m的白云质灰岩，该灰岩较坚硬，较完整且强度高。加之使用岩石顶管机价格昂贵，安装、调试时间长，施工场地要求很大，起重设备能力开敞式掘进机对不同的土层与地下水的变化适应性强，在施工过程中能及时针对顶进沿程工作面土质变化情况采取不同的操作方法，并且可以一边施工一边不断地纠正偏差，从而很容易控制顶进中的偏差，保证管道误差在规范允许范围内。由于管段大部分从砂砾层通过，很容易碰到流砂或承压水，因此，在开敞式掘进机内配备2个气压仓，采用气压法稳定工作面土层。

2.2 顶进施工工艺

2.2.1 顶管工艺原理

敷设管道前，先建造一个工作井和一个接收井。在工作井内的顶进轴线后方，按需要对称布置若干只主千斤顶，将需要敷设的管节，放在千斤顶前面的导轨上，主千斤顶推进时，以机头开路将管节压入土中，一根管节被压入土中后，吊入下一管节连接，继续顶进，反复循环顶进至预定长度，管道敷设完成。顶管施工示意图见图1。

1-混凝土管；2-运输车；3-扶梯；4-主顶油泵；5-行车；6-安全扶栏；7-润滑注浆系统；8-操纵房；9-配电系统；10-操纵系统；

11-后座；12-测量系统；13-主顶油缸；14-导轨；15-弧形顶铁；16-环形顶铁；17-混凝土管；18-运土车；19-机头

图1 顶管施工示意图

2.2.2 工艺流程

顶管施工工艺过程分为顶进设备安装和顶进施工两大部分。

设备安装：

整套顶管机械由顶管机头（含纠偏系统）、主千斤顶系统、进排泥系统、触变泥浆系统、承力钢构件等组成。安装分井内、井外两部分。安装导轨：管径在DN1500以下（包括DN1500）的钢筋混凝土顶管使用滑动式轻轨型导轨，管径在DN1500以上的钢筋混凝土顶管使用滑动式重轨型导轨，导轨安装在混凝土基础面上，导轨按管道设计高程、方向及坡度铺设，导轨定位后必须稳固、位置正确，在顶进中承受各种负载时不移位、不变形、不沉降。

设置承压壁：

承压壁应承受和传递全部顶力，必须具有足够的强度和刚度。利用工作井作承压壁时，将预留的洞口用砖封堵。安装另一侧承压壁时，可用已完成的管道承受顶力。

安装主顶设备：

主顶设备是指安装在承压壁前方，使顶管掘进机和管道管节向轴线方向顶进的加力组合装置。顶进时可在组合千斤顶架上安装4只主千斤顶，数台千斤顶应共同作用，规格一致，行程同步，每台千斤顶的使用压力不大于额定压力，油路必须并联，每台千斤顶均备有独立的控制阀，千斤顶伸出的最大行程应小于油缸行程的10cm左右。

顶管掘进机的安装：

顶管机的尺寸和结构应符合要求，先在地面上对整机作详细检查，然后用20t的汽车起重机把顶管机平稳、缓慢地吊到导轨上。掘进机安放在导轨上后，测定前后端的中心方向偏差和相对高差，做好记录。

2.2.3 顶进施工

顶进施工的全过程包括挖土、出土、顶进、测量、纠偏等工序。工艺流程如图2。

图2顶进施工工艺流程框图

挖土、出土：开敞式顶管机是由机械手把土直接挖至土斗车，由卷扬机把土斗车拉至洞口，然后用5T桁吊把土斗车吊到地面上，接着把空的土斗车吊入工作井内，人工把土斗车送至工作面，最后再把土斗车中的土渣吊入密封的运输车辆中，最后由运输车运到弃渣场。在施工过程中，当地下水很丰富，土层渗透性好时，容易产生流砂和承压水，为了稳定工作面，采用气压平衡法顶进施工，如图3。

图3气压法施工示意图

气压施工操作程序如下：

a.加压前先关闭保压间的密封门，然后按照所设计的压力向工作间输送压缩空气，此时工作面在气压下达到稳定状态。

b.施工人员在工作间内进行挖土、装车，而主千斤顶进行顶进。

c.小车装满后推进保压间，立即关上工作间的密封门，并打开保压间的另一密封门，把土车运出管外。

d.土车卸土后返回保压间，重新关上保压间的密封门，进行再次加压，然后打开通往工作间的密封门，土车推入工作间，继续进行顶进。由于工作需要，各操作间前方都设有气压闸门，根据情况补加气压与气量。

顶进：当管节安装完毕后，安放顶铁，随着工具管的前进，顶进系统将一节一节的钢筋混凝土管顶入，开始时先压缩后背和压紧顶铁，然后再顶进管节。

测量：应频繁、及时、准确地进行测量，作好完整清晰的记录，以便较快发现管道的偏移并纠正，保证管节位于设计的轴线上。当第一节管就位于导轨上以后即进行校测，符合要求后再开始顶进。在工具管刚进入土层时，应加密测量次数，每顶进30cm，测量不少于一次，进入正常顶进作业后，每顶进100cm测量不少于一次，每次测量均应以测量管子的前端位置为准。

纠偏：在管道顶进过程中，采用4组纠偏油缸联接形成液压纠偏系统，除了系统用溢流阀以外，均采用叠加阀，叠加阀不但可控制4组油缸的各种动作，而且可以限制每台油缸的背压。所以，该纠偏系统的动作十分可靠，操纵又非常方便。在操纵台上进行纠偏操作时，油缸只能编组动作，即每相邻的一只油缸都可以编成一组。上下两组油缸编成组后可控制掘进机的高低，左右两组油缸编成组后可控制掘进机的左右方向，任何一只油缸都不能单独动作。

顶进过程中，由于工具管迎面阻力分布不均、管壁周围摩擦力不均及千斤顶顶力的细微差别，可能导致工具管前进的方向发生偏移或旋转。为保证质量，必须“勤顶、勤纠”。纠偏应该在顶进中采用小角度进，分若干次进行。

3.施工体会

在该工程施工过程中，我们也遇到了一些困难，在顶管初期有两个工作面由于偏差过大，被迫终止了顶进。经过我们认真分析总结，采取措施后，中后期顶管都取得了成功。我们认为主要体会有以下两点。

3.1 进、出洞口措施

顶管过程中，无论是管子从工作井出洞或是进洞，管道外壁与洞口之间都必须预留一定的间隙。如果该间隙不能够采取有效的密封措施，地下水和泥砂就会从该间隙中流到工作井或接收井中。本工程中管道埋深大于5m，地下水丰富，流塑状的淤泥在土压、水压作用下，将会由预留的间隙中流出，处理措施不得当，势必会造成洞口处大面积塌陷，因此必须有可靠的技术措施。

洞口止水圈：

本工程管道埋深大，土层的渗透系数大，因此管道在顶进时密封必须可靠。在洞口密封设计中，采用主橡胶圈密封加可充气应急密封圈的双层密封结构，该结构的特点是：顶管过程中充气密封圈是不工作的，如果在主橡胶密封圈因摩擦损坏导致密封失效，地下水涌入井内的危急情况下，可利用打气泵给充气应急密封圈充气，及时控制漏水，在安全状态下处理或更换新密封圈。出洞口密封示意图如图4。

1-前止水墙；2-预埋螺栓；3-橡胶止水圈；4-压板

图4 洞口止水圈构造

由于进洞是短时间、一次性的工作，故进洞口密封装置不必使用充气密封圈，其它应与出洞口密封装置相同。

洞口土体加固措施：

本工程进、出洞口位于地下5~9m，如地层为流塑状的淤泥质粘土，地下水丰富，土层无法成拱。这样就给掘进机出洞带来了很大困难。但该地层适宜采用压密注浆法加固土体，在施工过程中我们分别对W40、W54、W57井进行了注浆处理，有效地保证了出洞的安全，对周边路面、建筑物也起到了保护的作用。

3.2触变泥浆减阻

注浆减阻是顶管中一个非常重要的环节，尤其在长距离和曲线顶管中，它是顶管成功与否的一个极其重要的关键环节。如果注入的泥浆能在管子的外围形成一个比较完整的浆套，顶进阻力会降低到1/12~1/16，否则在长距离顶管中，随着距离的增加，管子经过不同的土质时，推力上得很快，一旦推力超过混凝土管能承受的极限时，管子就会破坏，无法再继续往前顶进。在施工过程中，既要勤测量、勤纠偏，又要严格控制注浆质量，推力基本在500t左右，完全控制在承受范围内。要保证注浆质量，主要应进行以下几个方面的控制：

而且拌和好的泥浆需存在储浆池中静置十余小时才可以灌注。

注浆孔的布置：注浆孔的布置按管道直径大小确定，每个断面设3~5个，并具备排气功能，相邻断面上的注浆孔可平行布置或交错布置，先在掘进机后部及每向后2m布置一组，共布置三组。这三组注浆孔最为重要，在顶管掘进机顶进时随顶随注，使顶管掘进机后部在顶进中即形成完整的浆套，填充并支撑由于顶管掘进机外径大于管道外径所留下的注浆空隙。以后每隔12m布置一组注浆孔，这些注浆孔主要起补浆作用。

触变泥浆的配合比应根据管道周围土层的类别、膨润土的性质及触变泥浆的技术指标确定，基本的参数配比如表1所示。

触变泥浆的注浆量按管道周围土层之间环行间隙的1~2倍估算。

注浆泵选用：

为确保注浆效果始终在最佳状态，我们选用无压力脉动的螺杆泵（奈莫泵），不选择压力脉动大的活塞泵，因为浆液在脉动的峰值时会扩散到土体中，而螺杆泵注入的浆液几乎是从空隙中挤出去的。

注浆压力的选择：

注浆压力不宜过高，注浆压力高地面容易冒浆，浆套形成不好。正常顶进时，注浆或补浆均以控制注浆量为主。压浆分两类，一是机头尾部同步注浆，以形成原始浆套，填充固有间隙和纠偏间隙，操作为随顶随压、先压后顶；二是沿线及洞口补浆，以补充管道沿线因浆套失水等原因造成的浆套缺失，该操作在顶进或停止时均可进行，补浆时必须有专人巡视。

4.结语

施工实践表明，气压平衡开敞式顶管能适应较为复杂的地质，而且成本较低，施工进度较快，在城市顶管中有比较广阔的市场。

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