泥水平衡法顶管在江浙地区软岩地质中的应用

戚鸿剑

摘要：结合项目工程，介绍泥水平衡法的施工原理、施工工艺。依据沉降观测数据对泥水平衡法顶管在江浙地区软岩地质中的应用作出优、缺点对比，并分析沉降产生原因。

关键词：泥水平衡法；高速顶管；沉降测量

1前言

某高速公路穿越位于浙江省中部，管道采用顶管方式穿越高速公路枢纽主线、C匝道、D匝道路基，共3处穿越点。管道设计压力为6.3MPa，管径为D813mm，地区等级为四级。

管道穿越高速公路与公路交叉角度为74°，在路面下管顶覆土厚度为12.5m；管道穿越C匝道桩号为CK0+850，与公路交叉角度为65°，在路面下管顶覆土厚度为12.1m；管道穿越D匝道桩号为DK0+300，与公路交叉角度为69°，在路面下管顶覆土厚度为11.5m。

顶管工作井、接收井与高速公路隔离栅栏水平净距分别为50.3m、52.6m，顶管全长282m。

2工程概况

2.1工程地质条件

该地区位于浙江省中部，穿越区地貌单元为河流冲积平原，地势宽阔，地形平坦，管道穿越区域属亚热带季风气候，四季分明，年温适中，有明显的干、湿季节。春早秋短，夏季长而炎热，雨量丰富，冬季光温互补。穿越区自然地面高程一般为69.5～78m，该高速公路路基填高处高程约为79m。本工程主要穿越卵石层和中风化泥质粉砂岩层。

2.2、泥水平衡法顶管选用依据

因管道穿越浙江省中部某高速公路，大开挖穿越公路方案将对公路表面造成破坏，因此不可行。考虑到经济成本，施工周期，施工机械、人力配置情况，安全风险等因素，特考虑以顶管穿越高速公路方案为宜。本工程全长282m，顶管穿越方案有三种方案可选：1）人工顶管。2）土压平衡顶管。3）泥水平衡法顶管。

2.2.1人工顶管：人工顶管具有施工成本低、施工机械简单的优点。但不足之处在于施工周期长，施工人员较多；本工程主要穿越卵石层和中风化泥质粉砂岩层，因此在顶进过程中，采用该顶进方法存在路面坍塌，人员伤亡的安全风险；且该处工作井深度大于地下水位，施工需进行降水，大大增加了施工过程的复杂化等。

2.2.2土压平衡顶管：土压平衡顶管具有适用土质广泛，顶进过程地面发生的沉降量较小，土渣运输方便等优点。不足之处在于该方式适用于管径1000-3000mm；施工难度加大（穿越砂砾层和粘粒含量极少的土层时，易发生坍塌）；顶力过大，不适宜长距离顶管，纠偏难度大等。

2.2.2泥水平衡法顶管：泥水平衡法具有顶管适用于管径250-1350mm；适合长距离顶管，纠偏难度低；施工安全风险低，顶进速度较快等优点。不足之处在于该方式施工时噪音过大；设备成本、维修费用高；土渣运输、堆放难度大等。

综上对比分析，本工程采用泥水平衡法顶管最为适宜。

2.3、泥水平衡法顶管的工作机理

工作井完成后，将经调试完毕的液压系统和顶管掘进机放入工作井内，安装就位后掘进机向前推进。机头进入止水圈，电动机转动切削刀盘，由安装在切削刀盘上的滚刀对土层中的大石块进行第一次挤压破碎，之后通过机内土仓的圆锥破碎机构进行第二次剪切破碎，石块被粉碎到2～3cm大小的细小砂砾。之后通过送水管将水送至刀盘后方泥水仓，待水和粉碎土、石块充分混合后，通过排泥管由排泥泵输送到地面上的泥浆池，泥浆经分离沉淀后上层的水再度送入顶管机内循环使用。工作原理如图1：

图1施工原理示意图

本工程根据顶管区间地质条件、地下水情况及套管管径、顶进长度等条件，采用日本RSA（DH600-2600DH型）岩石顶管掘进机。理由有3点：

1）采用中心支承幅条式刀盘结构，增强型中心及周边刀具布置，以及由硬质合金和耐磨材料组成的复合型刀具，提高刀具的耐磨和抗冲击性能，更适合砾石地层的掘进。

2）采用恒功率变量液压驱动技术和变频控制技术，刀盘启动性能好，可满足长距离的顶进。

3）设备运行状况的集中显示和控制，以及激光靶跟踪加倾角仪测斜的动态方位误差监控系统，使监测和操作工作更直观、更方便。

2.4泥水平衡法顶管的施工工艺

本工程泥水平衡法顶管施工流程：工作井接收井施工→顶管放线→敷设导轨→顶管后背、顶进设备安装→机头吊装、连接→连接排泥管线和各种电缆→开始顶进→出泥→千斤顶回缩→出泥及拆各种管线→吊装第一节管材→安装管材接口并顶进→顶进参数调整→连续顶进→管道贯通→机头抵达接收井→机头起吊至地面→拆掉进排泥管线和各种电缆→封堵管道破裂处及注浆口→闭水实试验→井位回填、恢复路面。需要注意的几大工艺：

2.4.1后背安全系数的核算：

式中：p－土壤的总被动土压力、r—土壤容重（KN／m3）、Ф—（土壤的内摩擦角度）、c—土壤的粘聚力（KN／m2）、h—天然土壁后背墙高度

式中：B—后背受力宽度、F—顶管中的最大顶推力、P—土体被动土压力。

以上两个公式能确定顶管过程中，需要最大后背宽度。最大程度防止顶进过程中，因后背墙受力性能过差开裂导致顶进方向发生偏离。

2.4.2触变泥浆减阻：触变泥浆是减少顶进阻力、防止塌方，提高顶进速度的重要一环，减阻泥浆采用膨润土配制而成。膨润土一般要求胶质价在80以上。拌合时，将定量的水与碱粉放入搅拌罐内搅拌。在搅拌机转动的情况下，将膨润土按配合比加入搅拌罐内。泥浆制备后，静置24小时，待其充分吸水成胶体后方可进行注浆。机头尾部设置有触变泥浆注浆孔，机头顶进的同时注入触变泥浆，保证形成完整有效的泥浆套；每节混凝土管均有三个注浆孔，顶进过程中，通过注浆孔持续补浆。注浆使用挤压式注浆泵，注浆压力控制在0.1～0.2MPa。可根据量测参数进行压力调节。

2.4.3顶进测量：顶管测量主要使用激光经纬仪，安装于顶管坑后背处的顶管掘进中心线上，激光经纬仪的安装必须保证顶进过程中的稳定。在掘进机内安装有激光靶，激光束的照射角度与管道的设计坡度相一致，激光照射到光靶上形成一个激光点，机手根据激光点的位置变化确定掘进机的方向变化。如图2：

图2顶进施工中的测量示意图

初始顶进每1m测量一次，测量管道的顶进长度，顶管掘进机的水平偏差、高程偏差，并做记录。正常顶进时，每顶进一节管测量一次，遇有纠偏每1m测量一次，测量时要注意照射到机头激光靶上的激光点和管道中心轴线的一致性，若出现偏差先计算夹角，再根据顶进延长线推算出速度和顶进长度到恢复理想轴线的距离和时间，通知机手及时调整。测量后分别绘制出管道中心及高程曲线图，随时预测机头的前进趋势。

2.4.4顶进纠偏：顶管掘进机由前、后两节组合而成，两节之间安装有8个千斤顶，分为上、下、左、右四组，靠这四组千斤顶，可以进行四个方向的纠偏操作。连续观察光靶上激光点的行走轨迹，如发生偏移大于20mm，预测机头又有向偏差大的方向发展的趋势时，要采取纠偏措施。纠偏时开动纠偏千斤顶，千斤顶顶出最大不超过1.5°。纠偏时每1m测量一次，并做机头和机尾的数据比较，有回归趋势时，保持一段顶进距离后，要停止纠偏，防止左右摆动。纠偏经验总结有四条，分别为1）勤测勤纠。2）尽量采用小角度纠偏。3）尽量采用动态纠偏。4）保证第一节管材的质量。

2.4.5泥浆置换：在顶进过程中，管壁外的土体受到扰动，上层土体易形成松动或空洞，引地面沉降或塌陷。顶管工序结束后，从混凝土套管内部通过注浆孔向管外土体注入加固浆液，对土体进行加固，可最大限度地消除因顶管施工造成的地面沉降。参见图3：

图3土壤加固示意图

注浆所需的设备有：空压机、搅拌机、压力罐、注浆管等，注浆设备加装隔膜型压力表，确认注浆压力，并为注浆记录提供参考压力数据。注浆材料选用水泥加粉煤灰浆，其配比为水：水泥：粉煤灰=6：1：3。由管道内部的注浆孔压注，注浆次数不少于三次，两次间隔时间不大于24小时。注浆压力控制在0.1～0.15MPa之间。注浆时，两节套管为一组，第一节套管的注浆孔注浆，第二节套管的注浆孔负责排浆，依次往后进行。注浆前，需将注浆泵清洗干净，吸浆龙头放入灰浆池内，开启注浆泵，打开第一组注浆口，当第一组排浆口冒出灰浆后，关闭阀门，再打开第二组，以此类推，直到全线完成。之后关闭所有阀门，保压一小时。等第一次注浆初步凝结后疏通注浆管，进行二次注浆。如果从管内压浆孔加固效果不满足加固要求，可采用从地面打孔的方法压浆固结。泥浆置换完成后，应拆除主通道浆管和管内弧形浆管就地清洗，以免浆液凝固堵塞。

3沉降数据分析

图4泥水平衡法顶管沉降记录曲线

3.1沉降结果及分析

本工程泥水平衡法顶管沉降观测记录如上轴线图4（取27处观测点中的4处，3个半月中的1个月进行绘制）。其中Y轴为高程，以米为单位，X轴为观测时间，以日为单位。从图中不难看出，高程几乎不变，路面各部位沉降和隆起数值最大差值控制在6mm以内（中心线位置）。沉降监测分为2个阶段，第一阶段是顶管施工期间，每天监测2次；第二阶段是施工后期，每天监测1次。两个阶段监测过程均未发现沉降异常，满足设计和规范要求。产生6mm左右沉降量的主要原因有3点：1）顶管施工过程中，前方土体受到挤压有向上向前的移动趋势。2）顶进速度控制不当易产生地表面隆起。3）顶管施工过程中，管道外壁与土体之间形成一定空隙，周围土塌落，产生地面沉降。

3.2泥水平衡法控制沉降的优缺点

3.2.1优点：1）顶进过程中，通过顶管机头、中继间、后续套管等无缝对接，避免大幅度沉降。不同于人工顶进时在开挖面无任何支撑措施，从而易引起土体坍塌。2）泥水平衡法顶管，其注浆量、注浆顺序、顶进速度和顶进压力可控，能够使得迎面土压力稳定在主动土压力和被动土压力之间，当压力控制适当，地面沉降及隆起量能得到有效控制。3）泥水平衡法顶管顶进时，通过从混凝土套管注浆孔注入触变泥浆，从而减少因套管与土体的直接接触导致周边土体扰动程度，有效控制沉降量。4）顶进结束后，可通过混凝土套管注浆孔注入水泥砂浆，对套管周围存在的土体空隙进行填补，

使地面沉降尽量恢复到顶进前的状态，以保证高速公路使用的安全可靠。

3.2.2缺点：1）顶管机头刀盘的转动切割和自身运行时的震动易对顶管机周边土体产生扰动，从而破坏土体结构，产生部分沉降。2）顶进过程中，若存在石块卡主顶管机时，需双向开挖拉出机头，加大对周围土体的扰动，易发生沉降或隆起。

4结论

泥水平衡法顶管适用于江浙地区的软岩地质。通过原理、工艺、沉降数据等一系列介绍。其优点显而易见：1）适用于直径为250-1350mm管径的各类顶管。2）通过触变泥浆减阻，控制顶进压力使得顶进压力、摩擦阻力减少，可用于长距离顶进。3）顶管机头拥有二次破碎能力，适用于多种地质情况，本工程的软岩地质便是范例。同时具备泥水仓、送水管、排浆管，使得顶进过程中能合理控制土压平衡。4）利用激光经纬仪、管节间千斤顶的调节等工具，更方便的调节顶管方向，及时进行纠偏。5）通过从混凝土套管内部注浆孔向管外土体注入加固浆液等措施合理控制管线上方地面的沉降量。6）泥水平衡法利用连续出土的优势，能保证较快的顶进速度等。但是缺点同样明显：1）施工时噪音过大，若再居民区附近则会造成噪声污染。2）顶管过程是一个一直向前顶进的过程，因此管道外壁与土体之间不可避免会存在空隙，在岩体较破碎地带沉降必定会发生。3）设备成本、维修费用高，不适用于距离较近，土质较好的顶管工程。4）若长距离顶管，地面所设泥浆池较大，导致占地面积相应变大，额外支出费用增加。5）顶进过程出现无法顶进情况，机头很难出土等。

本工程运用泥水平衡法顶管缩短施工周期，克服软岩地质中不同岩层的阻力，保证高速公路不发生异常沉降，很大程度上降低了人工顶管所带来的施工安全风险。该项技术在天然气、石油、小型隧道等领域将被更广泛的运用，同时其存在的不足之处也将逐步完善。

参考文献：

[1]余彬泉、陈传灿.顶管施工技术[M].北京：人民交通出版社，2003年

[2]赵继成、黄蕾.泥水平衡顶管施工技术[J].市政技术，2005，23（4）：218-222

[3]张红乾.浅谈泥水平衡法顶管施工工艺及应注意的问题[J].科学之友，2008：13-14

作者简介：

戚鸿剑，男，1991年7月，浙江湖州，大学本科，从事天然气土建施工管理。