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摘要：地下水位较高的砂砾和砂质土条件下，传统的挖槽埋管和一般顶管技术会导致管端渗漏过大、挖掘面严重塌方及流水涌砂的问题。针对这类工况较常用的方法为泥水平衡顶管法，该方法机械程度高，虽能确保水下顶管中挖掘面的稳定，克服渗漏大、施工不安全、纠偏难及发生涌砂现象等问题，但其技术装备较复杂、投入大。通过工程实际问题以及对国内外目前的水下顶管方法进行设计改进，研究出适合水下或地下水位较高的砂砾和砂质土的砂水进出平衡水下顶管技术。不仅能保证开挖面的稳定、操作人员的安全管内作业，而且能有效地防止管端渗漏、防止反砂现象，且技术设备的结构简单，建设和运行成本低廉，使用操作方便。
关键词：高地下水位；砂质土；顶管；市政；砂水平衡
0 引言
顶管已成为地下管道施工的主要方法之一。我国近些年新建了大量污水管道，主干管大多采用顶管施工技术。沿江城市由于遍布地下水位较高的砂砾和砂质土，这种地质条件下传统的挖槽埋管和一般顶管技术会导致管端渗漏过大、挖掘面严重塌方及流水涌砂的问题。目前解决这类工况进行市政管道施工的国内外较常用的方法如泥水平衡顶管法。该方法机械程度高，虽能确保水下顶管中挖掘面的稳定，克服渗漏大、施工不安全、纠偏难及发生涌砂现象等问题，是实施长距离和曲线顶管的常用顶进方法；但其技术装备较复杂、投入大，沿江城市较小规模的市政水下顶管工程，均难以承受和解决这一问题。
针对以上状况，通过工程实际问题以及对国内外目前的水下顶管方法进行设计改进，研究开发出适合水下或地下水位较高的砂砾和砂质土等渗透性强土质情况的砂水进出平衡水下顶管技术。不仅能应对水下或地下水位较高的砂砾和砂质土的顶管作业，而且施工安全、投入资金少、使用成本低、技术装备简单、作业效果良好，适用范围广，能广泛应用于各类渗透性强的土质工况中。
1 技术原理
砂水进出平衡水下顶管技术是通过将管道前端分为前仓和后仓两部分，由此将管道前端改装成一段控制砂与水混合体的进出平衡装置，在该管段中设置一隔板。前仓为前进的挖面，后仓为操作人员进入作业的无水区，前仓与后仓的隔板间，设置5-6寸的砂水排出闸阀。
在前仓与后仓的压力差作用下，当打开砂水排出的闸阀时，前仓挖掘面的砂性土便以砂水混合体排出后仓和泵井集水池。前仓的砂质向后仓排出，使阻力减少而为管道顶进一个顶程创造机会与环境。后仓的长度，随着管道的顶进逐渐加长；前仓的长度是根据管内挖掘面砂土质的内摩擦角的大小来计算，其是管内挖掘面的稳定条件。管道以水平方向穿进井外砂土覆盖层指定位置后，将水注满入泵房井内，待井内与外江水面持平后，用水下切割技术将砂水进出平衡水下顶管装置切除，用异径接头将顶出段与水下安装段连接并进行水下电焊密封。具体构造见图1。
（1）排砂顶进
通过设于泵井隔墙作靠背的液压顶机将前仓向井外顶出，使前仓充满砂水混合物；操作人员打开后仓的排砂管闸阀，令前仓的砂水混合物通过排砂管将砂水混合物通过隔仓排至工作坑，要选用强度较高的鼓型橡胶接头，因为在砂质土中，该接头摩损得较快，同时操作人员通过后仓的观察窗观察前仓砂土排空程度，掌握前仓的砂土排空情况，能及时关闭排砂闸阀，防止前仓管端外出现塌方；开动工作坑的液压顶机，将管道顶进一个顶程；在后仓测量顶进管道的偏位情况，如发现顶进偏位时，在下一顶程对其采用偏心顶力纠偏法进行纠偏作业；继续焊接加长2-3m的管段，并重复上述操作程序，直至完成计划水下顶管。
拼接后管段前先用管道疏通机将顶入管内的砂石通散，同时用100mm水泵将水导入管内，冲出砂、石，当管内砂石清干后方可拼接后管段。腾出吊装管节的地方，然后将管节吊放于导轨上使两端面对正后，用链钳拧牢，接缝电焊。
（2）泥浆套设置
水下或地下水位较高的砂砾和砂质土顶管施工中，其砂土的摩阻力较大、渗透系数高，为降低顶进阻力则有进行注浆减阻的必要，其使管周外壁形成泥浆润滑套，从而减小摩阻力。首先要根据土质开发适用的触变泥浆，对膨润土等材料取样测试；然后在机头泥浆套处压入泥浆，并每4个管节上增设一个设计的泥浆套，通过它促使管周围泥浆支撑环带的形成。中间管段泥浆套的具体做法见图4、图5。
（3）障碍清除
顶进过程中遇到飘石、古树障碍的特殊情况时，玻璃封门与管道内壁螺栓与密封胶圈制作应临时卸除作进入前仓的人孔，即当操作人员需要进入前仓作业时即在后仓加以临时密封措施，并通过管道向前后仓输入与前仓持平的气压，令前后仓为无水区，届时操作人员将活动隔板卸除而进入前仓作业，当进入前仓作业完毕后，操作人员即回到后仓，并将活动隔板重新安装，并卸除后仓的密封板而继续正常的水下砂水进出平衡顶管作业。
（4）气压控制
气压控制贯穿于顶管施工的始终，是顶进工作的关键环节。砂质土气密性差，在高水头下极易形成流砂和管涌，气压控制有一定的难度。一般机头正常顶进气压为0.08MPa-0.11MPa，顶进过程中机头处土层易出现流砂和管涌，此时要保证一定的气压值，但气压过高会造成穿孔，这就要求后续管节及时跟进，启动时各工种必须协调一致，尽量加快初始顶进速度，有效阻止流沙管涌的出现。由于砂土的气密性差，且覆土不均匀以及机械设备故障等原因，局部地面可能产生穿孔冒气现象，针对此现象，我们采取积极的应对措施。对地面情况积极监测，发现穿孔冒气现象及时与顶进工作人员联系。应对措施：①采取机头不出土或少出土顶进方式；②穿孔冒气处覆盖黏土。
2.6 接管收坑
接管为内外焊接，应做到对称分布，避免由焊接引起的变形，但对焊口要注意直线度要求，焊后要进行检查，及时清除焊接的缺陷，对于在顶管口防腐工作要求在管端100mm宽范围不涂防腐涂料，待接管焊接后再涂上防腐涂料。
管道以水平方向穿进接收井后，将水注满入泵房井内，待井内与外江水面持平后，用水下切割技术将砂水进出平衡水下顶管装置切除，用异径接头将顶出段与水下安装段连接并进行水下电焊密封，最后用混凝土灌注以提高异径连接部份的密封性能。
3 成果与结论
本技术不仅施工安全、管端无渗漏及无反砂现象，而且技术装备结构简单、操作容易，投资低、使用成本低且操作培训简单。施工过程可以降低噪音、减少粉尘，减轻对城区环境状况的干扰和破坏，属于真正的无污染、高效率的施工技术。不需使用泥浆，不会产生泥浆二次污染，不开挖地面，不污染地下水。将施工现场转移到地下，施工面由线缩成点，占地面积小，地面活动不受施工影响，对城市交通和居民的生活工作影响小。管道安全穿越铁路、公路、河流、建筑物，不影响现有管线及构筑物的使用。
论文作者:袁浩
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第34期
论文发表时间:2018/5/14
标签：水下论文; 顶管论文; 泥浆论文; 管道论文; 作业论文; 砂土论文; 砂砾论文; 《建筑学研究前沿》2017年第34期论文;