一、工程概况
某市污水管线工程，管线埋置深度 6.5～9.5m，原采用明开施工，将伐移树木近 500棵。经与业主、设计、管理、监理单位协商将K4+300～K5+450 段污水明开施工变更为NPD泥水平衡覫600 机械顶管。 采用内径600mm，壁厚 8 cm的管材。该工程分两步完成，先进行235.3m试验段施工，然后，根据试验数据进行其余部分的施工。
根据《工程勘测报告》，该工程污水管道所处地层为新近沉积的圆砾②层，细砂、粉砂②1 层，粉质黏土、重粉质黏土②2 层，砂质粉土、黏质粉土②3层，第四纪沉积的砂质粉土、黏质粉土③层，粉质黏土、重粉质黏土③1层，黏土、重粉质黏土③2 层，砂质粉土③3 层，粉砂、细砂③4 层，粉质黏土、重粉质黏土④层。 该段大部分落在粉土层，局部有粉细砂层夹层。现场勘探期间，钻孔内揭露到两层地下水：第1层地下水静止水位标高28.34～31.10m(埋深3.00～6.20m)，地下水类型为潜水;第2层地下水位标高 17.42 m(埋深16.2m)，地下水类型为承压水。
二、工程难点分析
1、小口径泥水平衡顶管法施工在该地区施工少，可借鉴经验少;2、由于管的内径小，无法用人工测量校正因管内温度、湿度变化引起的偏差，故对测量仪器的可靠性要求高;3、泥水平衡顶管施工的设备比较复杂，各部分之间相互联系、相互制约的程度比较高;4、由于该工程沿线地下有公用设施，保护有困难;5、泥水平衡顶管法需配置泥浆，泥浆的处理较难。
三、该工程主要施工技术分析
1、 施工工艺流程
2、 施工降水
泥水平衡顶管施工，只对顶进工作坑与接收坑进行降水。根据该处地质及地下水位情况采取管井或轻型井点降水。该工程地质情况复杂，污水管线基本处在粉质黏土、粉质砂土及夹砂层内，地下水位较高。当顶坑位置出现黏土滞水层，上部产生流砂情况时，顶坑采用负压真空轻型井点降水，井点布置为顶坑四周外1m处，间距1.5m布设井点，该方法降水效果较明显。对于土层较为均匀，不具备出现流砂情况的地段采用管井配合顶坑内集水井降水。降水管井在顶进工作坑外布置3个，距坑边1.5～2.0m，工作坑内设置1个;在接收坑外布置2 个。降水管井使用反循环钻机成孔，成孔直径D=600mm，无砂管直径D=380mm，深度12～14m。
3、顶进工作坑
(1)工作坑开挖与支护。顶进工作坑开挖尺寸7m*3.5m，占用面积 10m*30m;接收坑开挖尺寸4.5 m*3 m，占用面积10m*10m。顶管工作坑与接收坑均采用锚喷与工字钢圈梁联合支护。
(2) 工作坑处理。a.工作坑出洞止水处理。锚喷护壁时，根据设计高程预留出洞洞口。必要时，锚喷后在洞口注浆，然后设置止水墙;双向顶坑有后背墙不设止水墙，最后安装止水装置;b.工作坑封底。顶进工作坑开挖支护到设计管底+管壁厚+机头导轨高后，按要求配置底板钢筋，预埋导轨、设备的地脚(螺栓)，地脚与底板钢筋网焊接，然后浇筑 C20 混凝土，并预留集水坑、槽。c.顶进工作坑后背。底板混凝土浇筑后，按要求配置后背钢筋网、立模。后背模板要保证与管道轴线(双向)垂直，后背墙内预留洞口，并设置止水、小导轨等装置。
4、设备安装。工作坑施工完毕后，为机头进、出洞安全，对井外机头穿越附近地层有选择地进行注浆等加固处理。 顶进起重系统的电葫芦在工作坑施工过程中安装。
工作坑底板施工完成后，安装导轨及调节支撑、主顶油缸及其支架、钢后背、主顶油泵站等。导轨安装时要反复校核高程及中心线，安装后将顶进管放于导轨上，调试“O”形顶铁的环形圈使其与顶进管相适配。U形顶铁也放于导轨上调试，使其行走自如。 安装钢后背时注意使其与中心线垂直，并考虑拆除。做好出洞止水装置后，就可在导轨上安装机头，然后将操作台的各种线路与其连接好，并做联机试运转。 在坑内顶进中心线上的主顶油缸旁设置一个架设激光经纬仪的永久性专用底座，以便在顶进过程中随时进行监测。
5、 泥水式顶管施工
(1) 机头出洞及初始顶进。联机试运转正常后，在止水装置内设置小导轨，小导轨的中心轴线及高程要满足工程要求。启动主顶油缸将机头慢慢推过止水装置，接着推入小导轨上，直至刀盘与土体相接触。有必要时设置防转装置及止退装置。上述工作完成后，启动泥水系统设备将泥浆或清水依次进行机坑旁通循环、管内旁通循环、泥水舱循环，使压力达到设计值。此时启动刀盘旋转按钮，使之旋转切屑土体，接下来启动主顶泵站电机，主顶油缸伸出，刀盘扭矩会由小增大，这时应随时根据刀盘扭矩的大小调整主顶泵站泵的流量、泥水系统泥浆的流量，使机头在顶进中保持刀盘扭矩在额定范围内。另外，操作人员根据激光指向仪的光点及倾斜仪显示数随时掌握纠偏趋势。当顶进1个顶铁长度时，续加1个顶铁，再重复前述顶进过程，直至机头尾部到达续管处。完成上述工作的同时，做好测量、顶进记录，并随时进行不利因素监测。机头出洞过程不能比照正常顶进，不能急于求成，以至损坏机头或使机头偏离轴线太多或出现大量涌砂、涌水等现象。当然，出洞前应作好应急预案。
(2)续接顶进。当机头尾部被顶到导轨前端续管处后，就可进行续接管顶进。
(3)机头进洞。机头距接收坑10m远时，凿开进洞口上的锚喷墙。
(4)拆除。拆除工作一般在管内、管外同时进行，管内主要拆除各种管线，管外拆除设备。
(5)施工参数计算(见表 2)
表2 顶管施工参数计算表
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项目 |
公式 |
参数说明 |
结果分析 |
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管口承载力 |
Nmax=[σ]×As |
P为设计最大顶力，取4000kN；Nmax为管口最大轴心压力kN；[σ]为管的轴心设计受压强度，取75×103kN/m2 ；As为管口受力面积，m2 |
Nmax=12811.2kN>1.4P，即管口承压安全 |
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顶力 |
F=F0+πBctaL |
F为总推力kN；Bc为管外径，m；L
为推进长度，m，此处取110 m；F0为初始推力，Kn；F0 =（Pe+PW+Δp）×0.25×π×Bc2；ta为管子与土之间的剪切应力，kPa；ta=C′+ σ＇μ＇ |
F=588.2kN<P，即主顶油缸顶力满足要求 |
后背墙
承载力 |
Fa=Pa×S |
Pa为被动土压力强度，Pa=γhtg2（45+ Φ/2）；γ为土的密度，kN/m3；h为坑深度，取5 m；Φ为土的摩擦角；S为承受后背压力时后背墙的面积，S=b×h；b为坑的宽度，取3.5 m |
Fa=4725kN>P，即后背墙采用3.5m×5m 混凝土墙可满足要求 |
6、 施工中易出现的问题及应对措施
(1)管道轴线偏差过大。解决措施：a.施工前对管道通过地段的地质情况认真调查。b.通过仪器指导纠偏，纠偏按照 “勤测量、勤纠偏、小量纠”的原则进行操作。c.加强后背施工质量控制，确保后背平整、不发生位移以保证顶进设备安装精度。d.顶进中随时绘制顶进曲线，以利指导顶进纠偏工作。
(2)对建筑物及地下管线保护。a.对重点部位进行提前预注浆。 该工程与多条现况地下管线交叉，另有一台变压器距管道中线3.5m。确保管线及变压器等结构的安全避免道路沉降，对重要管线两侧及变压器四周提前进行地面注浆(水玻璃)。b.为能随时掌握线路两侧受施工影响较大建(构)筑物及路面变形情况，施工期间对变压器及现况道路进行变形监测，布设变压器沉降监测点4个，道路沉降监测点2个。
(3)顶力突然增大。a.严格执行“勤测量、勤纠偏、小量纠”的操作要求，使管道轴线偏差控制在允许范围内;b.按不同地质条件配置适宜的泥浆，保证足量的泥浆储备与循环;c.施工前对顶进设备进行认真的检修保养;d.停顶时间不能太久，发生故障及时加以排除。
四、结束语
本文笔者主要结合实际工作案例，分析了泥水平衡顶管施工技术的主要工艺流程，以及在施工中容易出现的问题及应对措施，为相似工程提供有益的参考。
参考文献
[1]王锐，游宏，巨锁基.公路水泥混凝土路面设计规范中的基层问题[J].公路与汽运，2004.
[1]王德新，周亮.顶管工程[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.
[2]徐昂都，顶管技术要点分析[J].水运工程，2006.
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文章名称：
浅析泥水式平衡顶管施工技术——以某市污水顶
文章地址：
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