顶管施工在市政工程和水利工程的应用非常广泛，技术也非常成熟。顶管施工常采用的施工方法根据掌子面压力分为密封式和敞开式，密封式又分为气压平衡、泥水平衡和土压平衡法等。气压平衡和敞开式通常采用挤压式开挖和人工开挖，泥水平衡和土压平衡则采用机械开挖。顶管施工方法和设备选用是否合理是顶管顺利完成的关键因素。本文根据笔者在实际顶管工程设计和施工配合结合工程实例，分析顶管设备选型在复杂地层的重要性。
一、工程概况
深圳某污水干管工程，管线总长1390m，其中顶管段长1160m，设计纵坡为1/400，管径为DN1650~DN1800。顶管段管道位于现状市政道路辅导及绿化带以下。根据场地条件布置工作井并进行了顶管分段：其中W3～W4段长160m，管径为DN1650，其余段顶管管径均为DN1800，W4～W5段长366m；W5～W6段240m；W6～W7段管道长198m，W7～W8段管道长108m，W8～W9段管道长88m。
二、工程水文地质条件
工程位于深圳前海湾片区经填海造地形成的陆域，现主要用作市政道路及建筑商业用地，现状地面高程为5.4~7.8m，地下水埋深2.5~4.6m，污水干管内底高程为-3.35~-6.25m，根据地质资料，管道主要位于淤泥层和杂填土层，局部穿越填碎石（碎石直径5~20cm，部分超过40cm）、填砂、淤泥质砂土、砾砂及粉质粘土。其中W3~W4段管道穿越杂填土层含有大量建筑垃圾，W4~W5、W5~W6两段管道穿越杂填土中局部含有较大块石。
三、顶管机选型
顶管工程施工成败的主要因素取决于顶管设备的选型，不同类型的顶管机适应性也有所不同，需根据工程的特点、环境、工程水文地质情况，并结合工期、造价、安全及相关规程规范等进行合理选型。
本工程地质条件复杂，且由于场地限制，部分顶管分段较长，施工过程中不可预测的因素较多，增加了施工的难度，对顶管机的选型尤为重要。
根据地质条件，本工程地下水位高出管顶，首先排除敞开式顶管，只能采用密封式顶管机，不同类型的密封式顶管机适用条件简述如下。
土压平衡式：适用于淤泥质土、粘性土、粉土、砂层等。在覆土较浅的状态下也能正常工作，最浅覆土深度可达0.8倍顶管机外径，但土压平衡顶管顶进速度较慢，顶力相对泥水平衡式的顶力大，不太适合较长距离顶进。
泥水平衡式：适用范围比土压平衡式更广，除淤泥质土、粘性土、粉土、砂层外，还适合中砂以及变化范围较大条件下的软岩，对于有破碎功能的泥水平衡顶管机还能适用于有少量块石的土层。相对于土压平衡，泥水平衡顶进速度快，顶力小，适合于长距离顶管作业。
气压平衡式：适用于地下水丰富、有流沙地层，可在顶进过程中用人工清除前方的障碍物。
根据本工程的工程特点、环境及水文地质条件，结合工期、造价等因素，经认真分析研究，最终选用具有破碎功能的泥水平衡顶管机，顶管弃土采用管道运输。为减小顶进过程中周边土体对管壁的阻力，顶进过程中采用触变泥浆减阻，每3节管设一节注浆管，每组压浆孔在同一横截面上设4个，管底不设注浆孔，顶管贯通后，需采用水泥砂浆对减阻泥浆进行置换和加固。
四、施工过程简述
本工程顶管施工从2017年9月28日开始，于2018年1月5日全线贯通，历时100天。平均每天顶进长度11.6m，扣除顶管机维修、转场等12天，实际顶管时间88天，实际平均每天顶进长度13.2m，最快一天顶进25m。
顶管施工前，施工单位根据工程地质资料和施工经验对顶管机进行了以下改造，以适应该工程的地质条件和可能出现的施工障碍：1、将刀盘改为辐条式，并且增加二次破碎功能，初步具备对40cm以下孤石及混凝土块的破碎功能；2、优化刀具配置，刀盘刀具配置主要以刮刀为主、其次为保径刀、撕裂刀、先行刀等，确保刀具配置满足复杂地质条件下顶管的施工要求； 3、在泥仓位置增设观察孔，以便在施工过程中遇到特殊情况时进行查看与处理；4、将进泥格栅进行改装，加大格栅间距，以减少施工过程中进泥格栅堵塞。
顶管施工过程中克服了不少的困难，例如在W8至W9段，距离W9接收井还有17m时，发现顶管机刀盘扭矩加大，刀盘电机电流增加至60A（正常施工电流为50A），并且排泥浆管中明显有杂质排出的声音。停机进行查看，发现泥浆箱中有混凝土碎块排出。通过预留观察孔进行查看，发现刀盘前方存在钢筋混凝土块，直径大于0.6米，钢筋直径为φ12。遂调整顶管机姿态，放慢顶进速度，加大刀盘扭矩，通过顶管机刀盘自身具有二次破碎功能予以克服，待顶进2米后恢复正常，直至此段顶管结束。
图1：顶管机 图2：W8~W9段遇到的钢筋砼块
W4至W5段顶管长度为366米，属于中长距离顶管。施工前，施工单位针对此段线路进行了详细的地质补勘，通过补勘报告显示，此段地质主要为杂填土，且含有大量大直径块石（部分直径大于50cm）。施工前，对顶管机刀盘及所有主要部件进行重新检查及维修，确保在顶管施工过程中一次性顺利贯通。顶管施工过程中，从顶管进洞15米至该段顶管结束，均存在大量孤石。当刀盘扭矩增大，刀盘转速降低，排渣出现异常，进行停机处理。处理过程中，打开泥浆仓观察窗，对于直径大于40cm以上孤石采用人工进行破除至40cm以下，然后再通过顶管机自身二次破碎口进行处理排出，直至该段顶管结束。
图3：W4~W5段遇到的块石 图4：W3~W4段遇到建筑垃圾
W4至W3段顶管长度为160米，当W4洞门破除后发现此段地质中存在大量建筑垃圾，主要为塑料制品和编制袋等，极易对进泥格栅造成堵塞，导致泥浆排出困难。顶管施工前，为了确保施工顺利，针对此段地质条件，对泥浆仓的进泥格栅进行改装，加大进泥格栅间距，以确保顶管施工过程中的排泥畅通。在此段顶管施工过程中，多次打开观察孔，对泥浆仓前障碍物予以人工清理，直至顶管结束。
五、结束语
顶管施工最突出的特点就是适应性问题，复杂地层中的顶管，采用何种施工方式以及选择合适的顶管及机器配套设备，对于顶管施工的成败非常关键，需根据各个方面、各种因素综合分析考虑，选择最适合的方法和设备，才能保证工程顺利完成。
论文作者:彭昭宇
论文发表刊物:《基层建设》2018年第6期
论文发表时间:2018/5/25
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