长距离顶管技术在排水管道工程中的应用p.doc

长距离顶管技术在平顶山新城区
排水管道工程中的应用

摘要：平顶山新城区排水管道顶管工程一次顶进610m，属长距离顶管，有一定的技术难度，由于合理选择了工具管形式，成功解决了进出洞技术、触变泥浆压注、中继接力技术、轴线控制等技术，只用了44天就完成了全部顶进施工，本文详细介绍了长距离顶管的原理、顶管装备、施工技术要点及施工管理等。
关键词：顶管施工；进出洞；减阻泥浆；轴线控制；中继间
1 工程概况
平顶山新城区起步区湖滨路排水工程位于平顶山市西部新城区南侧，白龟山水库北侧。西起新城区经五路，东到白龟山西干渠。工程沿途为农田、荒山，穿越三条交通干线，自然标高在103.45m～108.5m之间，排水形式设计采用雨、污分流制。设计范围主要转输纬一路的雨水、污水，将服务范围内的雨水排到西干渠，污水收集后经西干渠污水管道排到拟建的污水处理厂。污水管线沿西干渠段，埋深都在10m以上，最大埋深13.5m，管线长610m，排水坡度为1‰，雨水管径为ø1200，污水管径ø1800，原方案采用大开挖方式，土方量较大，沟槽还要支护，造价较高，并且还要影响地面交通，最后决定采用顶管施工方法完成。
2 地质条件
根据地质报告，场地土层自上而下分布为：
第①层耕土：褐黄色，松散，主要由粉质粘土组成，含有较多碎石、钙核及大量植物根系，层厚2.1m～3.7m。
第②层素填土：褐黄、棕黄色、浅褐红色，松散—稍密状态，含少量黑色铁锰质及其钙核，钙核分布不均，粒径一般为5～20mm，大者可达30mm以上。该层分布较普遍，层底埋深7.90～8.60m，层厚7.40～8.10m。
第③层粉质粘土：浅棕红色，褐红色，可塑状态，干强度及韧性中等，切面光滑。含少量黑色铁锰质及钙核。该层在本场地内分布普遍。

［作者简介］ 朱惠伟（1968—），男，河南平顶山人，河南平顶山煤业集团建安公司土建处工程师，河南省平顶山市程平路中段47号院 邮编：467000，电话：[phone] （0375）2787151

地下水类型为潜水，水位一般在3.0m左右，地下水变化幅度在1.5m左右。
3 顶管工程特点
新城区排污管线沿西干渠段顶管属长距离顶管，管径大，埋置深，地下水位偏高，施工中主要解决的是顶力问题，方向控制，控制正面塌方，不确定因素较多，施工较难。
4 顶管施工方法选择
管道顶进方法目前国内一般采人工掘进顶管法和机械挖掘顶管法。前者依靠人工进行挖土和排土，有结构简单、操作方便、成本较低等优点，但工人劳动强度比较大，施工速度较慢，无法满足工期要求。机械挖掘顶管法采用机械进行挖土和排土，有技术先进、施工质量好，施工速度较快的优点，根据本工程特点及工期要求，采用机械挖掘顶管法施工工艺。综合考虑顶管长度、地质条件、成本和准备时间，顶管机械采用了三段双铰型工具头作顶进的前导装置及水力出泥，油压千斤顶顶进系统等机具，三段双铰型工具管是一种新颖的机具，具有测力灵敏、纠偏灵活、导向可靠、操作方便、密封性好和能控制流砂、稳定土体及安全施工等优点。
5 顶管施工原理
在管道的沿线按设计的方案设置工作井和接收井，工作井内设置坚固的后座，安装工具管，油压千斤顶、顶铁、导轨等顶进设备。接好照明、泥浆管、油管等管线，然后用油压千斤顶将管道顶入土层中，在顶进过程中，通过经纬仪测量顶管的方向，利用水枪冲泥，采用水力吸泥机通过管道将泥排到井外，顶进一定距离后，千斤顶回缩，装入新的管道再顶进，如此重复，直至将管道顶至接收井内。
6 施工准备
6.1 施工前的测量
①对已知点的平面坐标和高程分别采用全站仪和S3自动安平水准仪进行复测，确保误差在规定的范围内。
②根据施工图上标定的工作井中心坐标，采用全站仪导线法实地测出工作井及接收井。
5.2 开挖工作井
工作井选在干渠西侧，要求地面场地比较大，可以存放土方、管材，布置安装设备。工作井采用沉井工艺施工，内径5.3m×8m，深度为10.5m，在工作井四周设置300mm×300mm的排水沟，在对角设置400mm×400mm×800mm的集水井。工作井基础采用枕木修筑，以固定导轨和承重管子的重量。工作井里设有导向轨道以放置管道等，并布置有放置顶铁，管道位置，便于吊放，还有排泥、供水机械、配电盘、油压设备等，工作井上布置5t桁吊。
5.3 顶进混凝土管选择

混凝土管采用国标二级“F-B”型钢承口式钢筋混凝土管，楔形像胶圈接口多层胶合板衬垫。要求管壁光洁，无坑陷及鼓包。
7 顶管装备
7.1 工具管
工具管是长距离顶管中的关键设备，它安装在管道首端，外形与管道相似，其作用有定向、纠偏，防止塌方、出泥等。工具管从前向后由冲泥舱、操作室和控制室组成。最前部是切土用的刃脚和起挤土和加强刚度作用的格栅。工人在操作室内操纵水枪冲泥，并通过观察窗和各种仪表了解并掌握冲泥和排泥情况。工具管的后部是控制室，是顶管施工的指挥和控制中心，在后部还设有清理阴井、水力吸泥器，并有高压水、压缩空气、通风、触变泥浆等管道连通；工具头外侧有一环形泥浆套，泥浆通过它填充到管壁四周。
7.2 顶进设备
顶进设备主要包括后背墙、油泵车、顶铁和导轨、千斤顶等。
后背墙：根据工艺要求，后背墙利用工作井钢筋混凝土沉井后壁，并直立4.5m×4.0m×0.5m的钢板箱，钢板厚度20mm，安装时尽量贴紧后座墙壁，后背平面要求垂直于管道中心线，枕木后面空隙用砂石填充严密，确保顶力均匀地传到后背墙上。
油泵：采用单只流量为10t/min油泵车2台，改装成油泵车组，泵组供油量20t/min，效率90%；并成功设计了液压控制块阀组，通过它可控制千斤顶单独工作或同步工作，也可操作进油量，在10～20t/min范围内任意调速，控制顶进速度，使4只千斤顶组合工作，并改变合力作用中心。
千斤顶：采用4只200t的千斤顶，总额定顶力800t，千斤顶要固定在支架上，并与管道中心垂直对称，其合力的方向应在管道中心的垂直线上。千斤顶应对称布置，油路应并联，每台千斤顶有进退油的控制系统。
顶铁：顶铁主要是为了弥补油缸行程设置的，其厚度应小于油缸行程，顶铁条采用“U”形顶铁，便于人员进出管道和人工出泥（见图1）。安装后的顶铁轴线应与管道轴线平行，更换顶铁时应先使用长度大的顶铁，顶铁拼装后应锁定，顶进时，工人不得在顶铁上方反侧面停留，并应观察顶铁有无异常现象。
导轨：导轨起顶进导向作用，在接管时又起管道吊放和拼焊平台的作用。导轨采用两根［220槽钢，长度不小于5m，导轨应根据管道施工中心线安装，固定在工作井的枕木上，2根导轨的间距根据管径大小而定，两导轨应顺直、平行、等高、其纵坡应与管道设计坡度一致。安装后导轨应牢固，不得在使用中产生位移，并经常校核。
7.3 出泥机械

出机机械包括：2台30KW高压水泵，吸浆量70m3/h，喷嘴直径ø26、ø159水力吸泥器；由万向球及喷嘴ø6～ø8，高压皮管组成的水冲枪，水冲枪配有密封装置，以便灵活操作且不漏水或气。
7.4 气压系统
由空压机、贮气仓、滤清器和冷却器组成气压系统。从贮气仓和减压阀出来的压缩空气分成两个分支，一支供气量大，供局部气压使用，另一支空气经过滤清，专供气压应急处理使用。
7.5 润滑系统
润滑系统由造浆机、存储、压力控制、压浆机组成。
8 施工技术要点
8.1 进出洞技术
从工作井中出洞开始顶进是整个施工过程中的关键环节之一，为防止井外泥水涌入井内，在沉井下沉时首先应在洞口处砌挡土墙，同时在井壁外侧预埋钢板桩随同沉井一起下沉，为了方便钢板桩拔出，钢板桩吊钩应露出自然地面（见图2）。当顶管机出洞时，先把砖封门拆除，这时由于钢封门挡柱土体不会涌入，等到顶管机推进到距钢封门50～100mm时，洞口止水圈已经发挥作用了，然后再从出洞口一侧向另一侧依次拔出钢板桩。为减少钢板桩拔除过程中对顶管机正面土体的扰动及可能出现的建筑间隙，钢板桩全部拔除后立即顶进，缩短停顿时间。顶管机进洞施工与出洞相比较为简单，当顶管机靠近洞门时，须控制好土压力，在切口距封门20～50cm时停止顶进，并尽可能降低切口正面土压力，确保拆除封门时的安全。拆除封门后将顶管机迅速、连续顶进，直到进洞洞口止水圈发挥作用为止，这就完成了进洞进程。

图1 顶铁、千斤顶位置布置图 图2 工作井洞口示意图

8.2 轴线控制
在实际顶进中，顶进轴线和设计轴线经常发生偏差，因此要采取纠偏措施，减小顶进轴线和设计轴线间的偏差值，使之量趋于一致。在正常情况下，每顶进一节混凝土管节测量一次，在出洞、纠偏、到达终点前，适当增加测量次数，施工时还要经常对测量控制点进行复测，以保证测量的精度。随着测量距离的不断增长，轴线偏差测量需接站观测，从而产生接站误差。因此顶进前按不同的顶进里程，要制定相应的轴线平面偏差测量方法，高程偏差采用水准接站测量，先测得工具管中心标高，再与设计高程相比较就可得高程偏差，指示轴线在顶进工程中，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。施工过程中，及时了解工具管的趋势对纠偏十分有利，因此顶进时可以通过观察工具管的趋势指导纠偏。
8.3 触变泥浆压注
顶进施工中，减阻泥浆的应用是减少顶进阻力的重要措施。顶进时，通过工具管及混凝土管节上预留的注浆孔，向管道外壁压入一定量的减阻泥浆，在管道外围形成一个泥浆套，减少管节外壁和土层间的摩阻力，从而减小顶进时的顶力。泥浆套的好坏，直接关系到减阻效果。
泥浆润滑减摩剂又称触变泥浆，是由膨润土、CMC（粉末化学糨糊）、纯碱和水按一定比例配方组成。触变泥浆配比，根据不同土质和某些特定的需要通过试验确定。触变泥浆减摩效果的好坏，除了与浆液材料的配比有关外，还与注浆孔的布置、注浆泵的选用、注浆压力及注浆量有关。
为了保证压浆的效果，在工具管尾部环向均匀地布置了4只压浆孔，顶进时及时进行压浆。工具管后面的3节混凝土管节上都有压浆孔，以后每隔2节设置1节有压浆孔的管节。混凝土管节上的压浆孔有4只，呈90°环向交叉布置。压浆总管用φ50mm白铁管，除工具管及随后的3节混凝土管节外，压浆总管上每隔6m装1只三通，再用压浆软管接至压浆孔处。顶进时，工具管尾部的压浆要及时，确保形成完整、有效的泥浆套。混凝土管节上的压浆孔供补压浆用，补压浆的次数及压浆量需根据施工时的具体情况而确定。由于顶进距离长，一次压浆无法到位，需要接力输送，因此在管道内共设置5只压浆接力站，平均每隔300m左右设1站。压浆接力站的作用有两个，一是运输作用；二是承担至前面压浆接力站管道部分的补压浆。
施工期间要求泥浆不失水、不沉淀、不固结，既要有良好的流动性，又要有一定稠度，顶进过程时要不断地观测泥浆流量，使流量控制在需用量的1.2～1.5倍内，随时检查泥浆是否到位，是否渗漏，并及时处理。
8.4 水力机械出泥

通过高压水主冲枪喷射水束，冲碎进入格栅的土体，使用副水冲枪把土块打碎与水混合成泥浆水，同时一路高压水通过水力吸泥机，高压水喷射形成高速水流，当流速大于30m/s时，形成真空，抽吸冲泥舱内的混水，并完成在管内的水平运输，排出去。
8.5 中继接力技术
经过计算，总推进需要1442吨，而本工程采用的顶管掘进机顶进的后座采用4个200吨的主顶油缸，总推力只有800吨，所以需要中间接力顶进。本工程采用的中继间总推力为500吨（安装有20只25吨的千斤顶），当主顶油缸总推力达到中继间总推力的40%～60%时，就安放第一个中继间，以后，每当达到中继间总推力的70%～80%时，安放一个中继间，而当主顶油缸总推力达到中继间总推力的90%时，就必须启用中继间。本工程最长顶进段（610m）中继间布置按照：工具头－40m－80m－100m－100－100m来布置，共布置五套中继间，由于泥浆减阻的效果显著，顶进轴线控制较好，实际顶进阻力远小于理论计算值，只使用其中的四套，致使顶进程序大大简化，顶进速度大大提高。
8.6 通风
为保证管内空气清新，采用鼓风机通风，ø300风管送风，风量2000～3000m3/h。
9 长距离顶管施工管理
由于长距离顶管有较高的技术难度和许多不可预见的不利因素，因此，加强施工管理是确保顶管获得成功的重要环节。
9.1 混凝土管节的吊装、对接、就位时应确保密封圈、传力衬垫板和管口的完整，严禁使用不合格的管节。
9.2 顶进施工中应随时观察顶进轴线和设计轴线的偏差，做到“勤测、勤纠、缓纠”，并随着顶进距离的增长做好管内测站的测量，在工具管出洞口后20m更应注意轴线的精度。
9.3 做好顶进速度、顶力、土压力、轴线偏差和沉降量变化等原始数据的记录，收集、整理工作，供施工管理人员分析预测施工中可能发生的问题，及时采取相应的技术措施。
9.4 在顶管施工前，在地面上要提前查明地下管线，这对于保证通讯、电力、给水、排水、煤气等其它管线安全运营，确保公众生活非常有必要。
9.5 沿管线土层变化频繁，所以在顶管施工前必须了解土层的变化情况，此外对于要经过回填土地段，需要提前加固处理，以防顶管施工后地表有过大的下沉。
10 施工体会
10.1 本工程使用了三段双铰型工具管，一次顶进距离610m，克服了距离长、覆土厚、地下水位偏高等不利条件，仅用了44天，就完成了全部顶进施工，取得了良好的社会效益和经济效益。

10.2 顶管施工中出洞工序是一项关键的工作，采取有效的措施保证出洞阶段的安全与顺利将直接关系到整个工程的成败。
10.3 注浆减摩技术是顶管施工中的一个重要环节，良好完整的泥浆套将大大减小顶进阻力，减少中继间的使用数量，节约投资，简化工序，大幅提高顶进速度。
10.4 随着城市化的发展，人民生活质量的日益提高，为减少土地占用和加快施工速度，顶管的施工方法将在许多城市的地下管线工程中得到运用，有着广阔的前景。

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