给排水工程师谈城市污水管道工程建设中的顶管技术运用

在市政工程建设中, 长距离管道的敷设是非常普遍的工程问题。随着顶管技术的应用推广, 研究敷设顶管工艺技术已成为引人注目的课题。

在一些不允许开挖施工的路段, 采用顶管技术是一种比较理想的施工工艺，它是地下管线施工中穿越障碍时常用的一种施工技术。施工时, 首先设置工作井, 并在工作井内设置顶管机导轨和液压千斤顶, 然后借助顶管机的掘进和千斤顶的顶力将预制的管段顶入地层, 边顶进, 边将管段接长, 直到越过障碍物, 并到达接收井中, 如顶进时需要克服的阻力大于主千斤顶的能力, 可适当布置中继站。

该工程污水管道(DN1400、DN800)改造工程全长1287.69米，其中管径DN1400，里程为K1+372.13～K2+184.70，长812.57米;管径DN800，里程为K2+184.70～K2+659.82，长475.12米。采用的管材为顶管用HDPE复合管。地质勘察报告表明,顶管工程的管位上部位于地表以下4.4-5.8m的杂填土、淤泥质土及素填土的混合土层中。该土层较复杂, 含有瓦砾砖碎块、砾石及生活垃圾。顶管的下部位于砂质粉土中, 其中靠近刺桐路路段土层由砂质粉土逐渐过渡为粘土夹砾石。该路段地下水位在地表下0.4-1.4m, 且随晋江潮水水位变化。该项目地处交通要道，沿线车流量较大,现状不允许开挖施工。因此,采用大刀盘泥水平衡顶管法是本工程污水管道施工的一种理想的施工工艺。

2对高程及轴线位移允许偏差值的控制

(1)该污水管道工程的地质条件及定位控制标准的确定:在复杂地质条件下进行长距离曲线顶管尚无标准可循, 因此,在满足设计的使用功能和不损坏接头及防水性能的要求下, 根据《市政工程施工及验收技术规范》中“ 顶管允许偏差表” 中高程及轴线位移的参数, 制定本工程的允许偏差。本工程允许偏差与《政工程施工及验收技术规范》要求对比示于表1。

(2)顶进和纠偏的示位系统：本工程在管道顶进的过程中利用激光系统作为示位系统。激光系统由激光经纬仪、激光架和标靶组成。激光架的几何轴线和顶进轴线垂直，便于经纬仪对中。同时在激光架旁做好激光经纬仪的对中点，确保激光经纬仪架好后在顶进轴线上。

(3)顶管定位控制的实际效果:根据实际测量控制的结果看,管道D1400的轴线最大正误差为73mm, 轴线最大负误差75mm;污水管道D800的轴线最大正误差为77mm, 轴线最大负误差为120mm,以上控制均符合要求。测量控制是有效的, 达到了预定要求。

3顶管技术的施工措施

3.1润滑材料的选用

润滑材料一般选用粘土和膨润土等材料制成的泥浆液体。本工程采用膨润土制成泥浆作为润滑材料。泥浆浓度在5%-15%, 使用量控制在≤100L/m3，必需使膨润土泥浆套随顶管机向前移动，形成连续的环状浆套。出洞时，洞口土体较稳定的情况下，降低润滑材料的浓度，在离洞口约6m时，采用清水，并且把泥水压力降到最低，防止由于正面土压力减小，过大的泥水压力造成对洞口土体的扰动。

3.2止水圈的安装

对于泥水平衡式顶管机而言，顶管机本体通过洞口完全进入土体的全过程中，顶管机与洞口建筑空隙的止水密封，是保证顶管机顺利出洞的先决条件，洞口圈的止水密封一旦失去作用，不仅开挖面土体平衡遭到破坏，而且将导致泥水的流失，造成顶管机周边的土体损失，从而引起洞口土体坍塌等严重后果，故必需在洞口设置密封性能良好的止水装置――止水圈。

止水圈由三个部分组成：橡胶圈、压环、压板。首先打好膨胀螺丝，然后将橡胶圈套在膨胀螺丝上，再将压环压在橡胶圈上，最后将压板压在压环上，并上紧螺丝。压板共有36块，可以沿径向在50mm的范围内移动，从而控制橡胶圈的压紧程度。压板可以保证压紧止水橡胶圈，并在地下水压力太大时防止橡胶圈翻出。

4施工过程中几个控制参数的确定(以DN1400污水管道为例)

(1)刀盘扭矩和顶进长度的计算

刀盘扭矩。刀盘扭矩设计值TC按下述经验公式确定: TC=αD3。式中D为顶管机外径。α根据粉质砂土含砾石等杂质较多, 取α=1.35。则TC=1.35x1.53=4.56(kN.m)。这一计算考虑支撑形式的影响(即土体切削阻力扭矩、刀盘与土体之间的摩阻力扭矩、荷载作用下机械自身阻力的扭矩的影响), 应乘以系数β(取β=1.1)于是TC设计=4.56x1.1=5.01 kN.m。

最大顶进长度的计算。顶管机顶进时依靠安装在工作井内的千斤顶提供推力，以克服外壁与周围土体的摩擦阻力,开挖面土体作用于顶管机的正面阻力,管面的摩擦阻力等。采用惯用顶推公式计算: F=πDlc。式中D同前;l为顶进长度。c为地层土体的内聚力, 根据地质报告取c=11.80kpa。由于管材允许的最大推力[F]=8000kN 取安全系数K=1.2, 求出最大的顶进长度

L== =120m

本工程采用工作井和接收井间隔100m。但根据施工过程中的实际情况来看，由于一次性顶进距离过大(没有布置中继站)，管道的高程和轴线的偏差会随着顶进管道长度的增加而增加，所以建议顶进长度不宜超过80m。

(2)泥水舱压力值的计算

D1400污水管顶管施工中泥水压力大小控制分析。泥水压力大小的确定是泥水平衡顶管工艺的关键。泥水舱内压力大于地下水压力，泥水舱泥水向地层空隙渗漏，在泥水舱与土层之间形成泥膜，且泥水舱压力托住土层，使切削面稳定不塌陷。地下水压力随深度的增加呈三角形分布,计算图式如图1所示。采用泥水压力值为管道底部起三分之一直径处的地下水压力值。则泥水舱管道基准面泥浆压力P按以下计算:

式中D同前, 为1500; γω为水的重度。由于软土中渗透系数较小, 取理论计算值的65%作为实际施工中的压力值，即64.5×65%=42KPa。泥水舱压力高于地下水压力值一般设为20KPa，最终泥水压力值为62 KPa。

五、掘进速度与进出洞控制

排土量的计算与掘进速度控制。掘进的速度控制以保持开挖面土平衡为依据, 对排土量计算及施工掘进速度进行管理与控制。

泥水平衡法顶管工艺的一个特点就是，挖掘出的土经过和水的混合后形成泥浆排出。排泥管内的流速必需控制在一个适当的范围内，过大的流速不仅没有必要，而且会对管道造成损害;过小的流速又容易形成淤积。本工程中排泥管的流速控制在2m/s～4m/s。排泥管的内径控制在5D最大颗粒～8D最大颗粒，D最大颗粒是经过筛选后的最大土壤粒径。由排泥管的流速以及断面面积即可得出排土量的理论值。和根据排土量的理论计算, 由顶管机掘进速度和排泥的效率予以控制。实际挖掘量可以由受控制的推进速度与顶管机断面面积确定。排土量可由排泥管的流量计、密度计的读数来确定。

进出洞控制。顶管机进出洞是顶管法施工的最重要的工序之一。在工作井内, 顶管机按设计高程及方向推出预留孔洞, 进人正常土层的过程称为出洞;反之,顶管机在地层中完成某一区间的隧道的施工后进人接收井的过程称为进洞。在掘进过程中,顶管机推进的方向偏差的施工监控是顶管工艺的另一个重要的环节，由于顶管法施工工艺在纠偏过程中会造成土体过量缺失，从而引起地层移动而使地表隆起或沉降，因此在掘进过程中制定量测值信息反馈及施工参数(如正面舱压力、出土量、灌浆压力和灌浆量等)的计划是很有必要的。采用泥水平衡式顶管技术进、出洞时, 一般先将工作井、接收井预留孔前一定范围内的土体进行改良, 使土体透水性减小(), 并在开挖后靠自身能力保持稳定。本工程在施工初期，曾因地下水位过高，在顶管机出洞时，地下水涌入接收井，造成井内部分设施被破坏。后续的施工过程中，采取了高压注浆的方法(浆液注入率15%，水灰比1.0)对预留孔前约15m的范围内进行了土体改良，效果良好。

结束语

顶管施工工艺具有以下特点：通过刀盘以及顶速平衡正面土压力，调节循环水压力用以平衡地下水压力。采用流体输送切削入泥仓的土体，顶进过程中不间断，施工速度快。由施工引起的地面沉降较小, 有利于保护环境。无需地盘改良或降水处理，施工后地表沉降小。

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