泥水平衡顶管穿越施工工法
冯大永倪宏源曾士伟历明马鹏程
1.前言
随着管道建设的发展，管道在穿越高速公路、铁路、建筑物等特殊地段时，传统的人工掏土顶管施工，因易坍塌、效率低、受周边环境制约等缺点越来越不适合于现场施工，泥水平衡顶管施工属于机械化、长距离顶进施工技术，在我国近年来逐步得到推广和应用，泥水平衡顶管施工则切实解决了施工中受地形限制、顶管长度限制、施工安全、环境污染等传统顶管存在的各项问题。本工法对施工技术操作要求较高，主要体现在对顶管设备操作、排泥系统的操作、注浆系统的操作都比较严格。
泥水平衡顶管的主要设备有：泥水平衡顶管机、主顶设备、测量设备、电气控制系统、泥水处理设备、压浆系统等。
2.工法特点
该工法层次清楚，操作简便，运行可靠，便于掌握，可以对复杂的地下情况作出快速反应。
顶管在地面操作，安全、直观、方便。
适用土质范围广，软土、粘土、砂土、砂砾土、硬土均可适用。
施工精度高，上、下、左、右可纠偏，最大纠偏角度达°，并可作较长距离顶进。
对管体周围的土体扰动较小，地面沉降小，道路交通及构筑物相对安全。
操作坑内施工环境较好，采用泥水输送弃土，没有吊土、搬运土方，施工无安全风险。 施工噪音小，对周围的环境影响小。
3.适用范围
泥水平衡顶管施工工法适用于各种粘土、粉土、砂土和渗透系数较大的砂卵石，也适应强风化岩等恶劣地质条件下的石油管道、室外给水、排水、电力及其它适用于顶管施工的管道工程。
由于泥水平衡顶管顶距长，只要控制好降水措施，就能很好控制地面隆沉、施工安全等特点，并可适用于各类复杂地质条件，因此像穿越重要公路、铁路、建筑物等特殊工程地段、穿越砂层、淤泥质土等特殊地质构造地段应用泥水平衡顶管施工工法，可达到良好的效果。
4. 工艺原理
泥水平衡式顶管机是利用泥水压力来平衡顶进工作面上的水压力和土压力，采用机械掘进技术。工艺原理为：当接通机头刀盘电动机的电源开关时，刀盘就被驱动并以均匀速度对土体进行切削，刀盘可以根据土压自动前后移动，在顶进中起机械支撑开挖面的作用，维持挖掘面的土压。通过刀盘切削，将相当于管子顶入土壤同体积的泥土进入泥水仓，土将相当于管子顶入土壤同体积的泥土进入机头泥水仓内，由供水管向泥水仓内供水，泥土在泥水仓内与泥水混合成泥浆后，再由排泥管道排到泥浆池，泥浆经沉淀或分离后泥水可重复利用，残渣外运；掘进过程通过调节循环水压力用以平衡地下水压力。在切土、排泥时同步采用等压油缸持续顶进套管，同时通过机头内设置的4处纠偏油缸进行纠偏，在顶进过程中，加注触变泥浆填充管道周围的空隙，形成一道泥浆保护套，起到支撑地层，减少地面沉降，减少顶进阻力的作用。
5.施工工艺流程及操作要点
施工工艺流程，见图。
图施工工艺流程图
测量放线 工作坑施
后背墙施
导轨安装
主顶油缸安装
顶管设备就位
地貌恢复
操作要点
5.2.1 施工准备
5.2.1.1施工前熟悉施工图纸，掌握穿越沿线的地形、地貌、建筑物、各种管线及设施情况，掌握穿越深度、穿越地质结构情况。
5.2.1.2编制施工方案，施工技术负责人对施工人员进行安全、质量、技术交底工作。
5.2.1.3施工前对顶管机、发电机、千斤顶等施工机具、设备进行检修。
5.2.1.4顶管用钢筋混凝土套管施工前进行复检，强度必须满足设计及相关标准要求。
5.2.1.5施工前根据施工现场地形地貌情况，在靠近工作坑选择合适位置开挖泥浆池，用于安装泥浆分离系统和注浆系统，泥浆池规格为10m*8m，泥浆池大小根据顶管施工的具体情况进行适当调整。
5.2.1.6施工前制作警示标牌，在顶管工作坑及泥浆池四周设置警示带警示。
5.2.2顶力计算
推力的理论计算：（以Φ1800mm计算）
F=F1十f2
其中F—总推力
Fl一迎面阻力 F2—顶进阻力
F1＝π*(D/2)2*P (D—管外径1.8m P—控制土压力)
P＝Ko*γ*Ho
式中 Ko—静止土压力系数，一般取
Ho—地面至掘进机中心的厚度，取最大值5m
γ—土的湿重量，取m3
P＝**5＝m2
F1=***＝
F2＝πD*f*L
式中f一管外表面平均（根据顶进距离平均沙砾土）综合摩阻力，取m2
D—管外径1.8m
L—顶距
F2＝***80＝。
因此，总推力F=+＝。
主顶油缸选用2台300t级油缸。每只油缸顶力控制在240t以下，这可以通过油泵压力来控制，千斤顶总推力480t。主顶油缸采用双行程（3m）油缸，可有避免频繁增加顶铁的弊端，施工中不必更换顶铁，保证连续施工，提高功效。
5.2.3 测量放线
采用基站式GPS（RTK）进行轴线定位，采用水准仪进行高程定位，并在定位轴线以外，征地范围之内设置永久测量控制桩。
5.2.4工作坑钢板桩支护施工
泥水平衡顶管穿越高速公路，顶管深度一般在5-6m，因土质为粉质砂土，操作坑开挖后出现临空面，四周的土壤易发生坍塌现象，影响施工安全和质量，为防止操作坑开挖后坑壁塌方，并加快施工进度，工作坑坑壁采用拉森钢板桩支护。该工艺是在拟开挖基坑周围沿外轮廓线预先打入钢板桩，并实现钢桩间相互咬合，最后将其相互连接而形成一个整体结构从而达到挡土目的。
首先根据设计顶进位置处进行顶进操作坑放线，工作坑长度为6m，宽度为5m，钢板桩采用拉森III型，桩长9m；钢板桩沿基坑四周连续设置成封闭的帷幕；钢板桩采用单独打入法，即吊升第一支钢板桩，准确对准桩位，振动打入土中；吊第二支钢板桩，卡好企口，振动打入土中，如此重复操作，直至基坑钢板桩帷幕完成。为保证基坑安全，钢板桩上设置一道连续的工字钢或槽钢围檩以加强钢度及整体性。操作坑内的土方开挖必须在完成钢板桩支护整体牢固后方可进行。土方开挖过程中挖土机机械臂不得触碰内支撑。
顶进坑底板：在挖深达到顶进坑底标高后施作底板，底板现浇30厘米厚的C20混凝土，使用Φ20双层罗纹钢，间距@200×200。底板预留500×500×500毫米集水坑一个。
支撑：选用30#工字钢做支撑，与钢板桩焊接在一起，垂直的两道支撑间距不大于2米，最后一道支撑，距坑底米。
