成都轨道交通集团有限公司 四川省 成都市 610000
摘要：随着社会的进步，经济的发展，地下工程的建设和应用日益广泛，开挖施工方法在市区施工影响较大，具有很大的局限性。而非开挖是代替开挖的有效方法，泥水平衡顶管是非开挖最常见的一种，经常被应用到市政工程施工中，本文针对TP2600型泥水（土压）平衡顶管机在泥水顶管施工中的技术、特点进行了介绍。对泥水顶管技术进行了分析，对泥水顶管施工工艺进行了讨论，对泥水顶管施工质量的提高有一定的帮助。
关键词：顶管施工、市政工程、应用
一、工程概况
本工程为成都地铁6号线管线迁改工程沙河桥站排水工程。沙河桥站位于锦华路与琉璃东街交叉口处，因原污水管道在地铁车站设计红线范围内，影响到地铁车站土建施工，需对既有污水管线进行迁改。根据现场情况拟将污水管线沿锦华路一段向东迁移管线至现锦华路一段人行道范围，该管线迁改施工位于锦华路段，该段道路交通繁忙，施工场地周边主要为小区、学校以及商业场所等重要出入路口，人、车流量大，施工难度较大。
二、地形、地貌及水文情况
本场地范围地势较平坦，地貌单元为岷江水系冲积平原一级阶地，施工段地面高程为493.0～494.0m之间。
地表河流均属川西平原岷江水系，均具丰富的地表径流，是本地区地下水、地表水、河水之间相互转换的主要途径和渠道。沿线河流，尤其是流经市区段落，基本已受到人为改造，河床深度、流量以及洪水位等均已受到人为控制。地下水位线高程约位于487.0～489.0m之间。
三、施工工艺
（1）、测量放线
首先根据设计院提供的控制点对已完成的工作井、接收井的高程、平面位置进行测量记录（为放样采集实时数据），并校核验收。验收合格后开始进行顶管施工放样。
本项目地势较为平坦，所以采用激光经纬仪进行顶管施工放线，其具体操作如下：先进行管道轴线平面位置放样，采用吊线的方法将工作井、接收井预留洞口中心点A、B的位置引致井口的a、b点，在接收井竖的a点竖立花杆，工作井的井口b点用钢钉打入墙体做顶管施工放线示意图
好控制点，将放线经纬仪c假设于ab的延长线上与点c，使得a、b、c三点位于同一竖直面内（即a、b、c三点在地面的水平投影位于同一直线上）。保持经纬仪是水平度盘不变，旋转竖直望远镜，找准工作井另一预留洞口墙壁井口菱角线与望远镜视轴线的交点d并打入钢钉做好控制点，至此即将顶管所需的控制点（b、d点）引入工作井井内，以备后续工序之需。
（2）、导轨加工及安装
控制点引入工作井内之后，立即进行导轨安装，根据管道流水面高程以及管壁厚度，确定导轨上表面高程（轨道上表面高程即为流水面高程减去管壁厚度），利用已放好的控制点b、d点，采用挂线、吊线法对轨道轴线进行确定，使其轨道水平轴线与所顶管道轴线位于同一竖直平面内。
轨道为现场加工，顶管施工前，根据实际所需，采用型钢进行现场加工。加工时应注意轨道顺直，各规格尺寸符合顶管要求、各焊接部位牢固可靠。
（3）、洞口止水圈安装
机头安装顶进前，为防止洞口处的水、沙土沿机头（或预制钢筋混凝土管）外壁与洞口的间隙涌入工作井，在工作井内洞口处安装一道环形橡胶止水圈。在顶进施工过程中亦可防止减摩浆从此处流失，保证泥浆套的完整，以达到减小顶进阻力的效果。
穿墙止水圈的组成部分为：
埋钢板环；② 橡胶圈；③ 钢压板；④ 钢压环；⑤ 螺栓。
橡胶止水圈安装示意图
橡胶止水圈采用2cm厚的异戊橡胶块材进行加工，内径2.6m，外径2.95m（或从厂家购买配套的止水圈）。橡胶止水圈采用膨胀螺栓和钢垫片（10mm后钢板加工）固定在预留洞口外围井壁上，止水圈中心与预留洞口中心重合，膨胀螺栓环形间距为25cm。
（4）、设备吊装
A、液压顶推系统安装
本项目采用成套液压千斤顶作为顶管顶推系统，系统分为千斤顶和液压站两部分，千斤顶安装于井内，后座紧贴浇钢筋混凝土后靠背（后靠背长4m、高3.5m、厚≥0.5m，当顶距较长是，所需顶力很大，为防止千斤顶后座压碎混凝土，亦可以根据情况在千斤顶与后靠背之间加垫钢板，钢板厚不得小于5cm，长、宽均不小于3m），液压站位于地面井壁边，紧靠顶管机控制室安放。千斤顶与液压站之间由液压油管相连。
液压站为日产Rrc— 10EC型，单只液压千斤顶顶力为200吨，行程为1.2米，共采用6只千斤顶顶推，最大推动力1200吨。根据工作井所处位置地质的承载力数据分析工作井满足顶进要求。顶管管材采用φ2600mm预制钢筋混凝土。
顶进阻力计算公式：
F=F1+F2
式中：F—总推力；
F1—迎面阻力 ；
F2—顶进阻力。
迎面阻力计算公式：
F1=π/4×D2×P
式中：D—管外径3.12m；
P—控制土压力、
控制土压力计算公式：
P=KO×R×HO
式中：KO—静止土压力系数，一般取0.55；
HO—地面至掘进机中心的厚度，取最大值6.5m；
R—土的湿重量，取1.9T/M3。
顶进阻力计算公式：
F2=π×D×f×L
式中：f—管外表面综合摩阻力，取0.8T/M2
D—管外径3.12m
L—顶距140m
由上述计算公式计算如下：
P=0.55×1.9×6.5=6.916T；
F1=3.14/4×3.122×6.916=52.85T；
F2=3.14×3.12×0.8×140=1097.24T；
F=F1+F2=52.85+1097.24=1150.09T ；
根据以上公式计算（管中心覆土约为6.5m），得出Φ2600顶管最大顶进阻力为1150吨左右，小于最大顶力1200吨。为了确保管道能够顺利顶出，还可以在管道内增加中继间，因此该顶进系统满足顶进要求。
B、膨润泥注浆系统
膨润泥系统由膨润泥搅拌桶、注浆机、注浆管、以及预制钢筋混凝土管预留注浆孔组成，各设备在正式顶进前根据现场情况依次吊装摆放稳固，顶进时随顶进过程接通注浆管，进行注浆减阻。注浆设备尽量靠近顶管机控制室以便顶管人员操作管理。
C、掘进系统
TP2600土压平衡顶管机配备有配套的控制操作室。整个系统由井内掘进机头和地面控制室组成，顶管机掘进机头与控制室由控制线路相连。设备安装根据TP2600土压（泥水）平衡顶管机说明进行操作。
掘进机头吊装就位：
洞口止水圈、设备安装就位后既可进行掘进机头吊装。TP2600土压（泥水）平衡顶管机机头重约30T，故机头吊装时起重机的吨位不得小于50吨。为确保顶管顺利进行不发生故障，机头安装就位前需对设备进行检修，损坏部件更换，设备吊装到位后需将各个分系统接通进行调试检查，其调试检测如下：
①、接上电源，合上机内的电源总开关，打开控制电源开关和机内照明开关，各指示灯亮、灭应正常，电压应符合360-400V要求。
②、刀盘转动，分别按下刀盘的“正转”、“反转”按钮，刀盘转向应与控制台上所标的相一致。
③、启动螺旋输送机，按下螺旋输送机的“正转”、“反转”按钮，螺旋输送机转向应与设定的方向相一致。
④、按下纠偏油泵“启动”的按钮，纠偏油泵电机应旋转。当油缸到达极限位置时，液压系统的压力表应指在系统设定压力上。
⑤、操纵台上的倾斜仪表上应显示出与基坑导轨水平状态相同的度数。如果不相同或相差较大，则需进行调整。调整的方法是用水平仪安放在前机壳与顶管机相一致的轴线方向，调整上、下两组油缸，让水平仪处于“0”的位置上。然后，再通过调节倾斜仪的数字显示在“0.00”的状态即可。必须说明的是，顶管机安放在基坑导轨上以后，纠偏油缸只能动作上面一组或下面一组，而不允许动作左面一组或右面一组。
⑥、顶管机安装在导轨上不应有左或右偏转的情况发生，而应安放正确。
⑦、检查土压力表膜上是否完全充满牛油。
⑧、检查8台纠偏油缸是否缩回。
⑨、检查液压系统在动作后有无泄漏现象。
D、激光经纬仪安装定向
在导轨安装的同时，利用挂线、掉线的方法将a、b水平投影到工作井井底，在水平投影线距离后靠背60cm处预埋激光经纬仪底座，预埋底座时尽量保证底座中心线位于将顶管道轴线所在的竖直平面内，已方便后面安装经纬仪进行定向。
安装经纬仪时，根据工作井预留洞口中心线标高确定经纬仪视轴线标高，使其处于同一水平面内固定，根据测量放线中引进工作井的a、b控制点，水平左右调整仪器，使其视轴线与ab线位于同一竖直平面内固定，然后根据工作井与接收井预留洞口中心线高差以及工作井与接收井两中心桩的水平间距计算经纬仪应调准的竖直角度γ，其γ计算式如下：
γ=arctan
式中：△h—工作井与接收井预留洞口高差绝对值；
△L—工作井与接收井两中心桩水平间距。
当工作井位于接收井下游时，经纬仪的角度为正γ，当工作井位于接收井上游时，经纬仪的角度为负γ。
经纬仪安装完毕后，打开激光聚焦，照准掘进机头内的十字分划板，若激光点位于十字分划板的正中心则表明定位无误（允许误差为激光点在十字分划板正中心一格范围内）。当误差过大时应先检查掘进机头吊装是否准确（主要检查机头竖直中心线是否竖直），然后对经纬仪进行校核调整，使之准确无误后方可开始顶进。
（5）、顶进
A、掘进机头出工作井
因为本标段地质复杂，为防止掘进机头出工作井时预留洞口出现流沙现象，在顶管前，需在预留洞口外围才用两排直径500mm，搭接150mm的高压旋喷桩进行土体加固。土体加固完成后，方可破除砖砌预留洞口，确保施工安全。
由于施工段为沙层，且埋于地下水位以下3～5m处，为防止机头下沉，应采取机头加固措施。机头进洞时将机头与后面的3节管用拉杆连接固定起来，使之成为一个整体，防止机头因重量大而下沉，并在导轨上用两个手拉葫芦间隔一米拉紧，从而使机头沿着导轨方向顺利顶进。
B、顶进与纠偏
所有设备安装调试完毕后，即可进行顶进施工。
①、人员配置
每个作业班组由八名受过高度训练的操作人员组成，其中两名控制室操作员在地面控制室内操作，仔细检测着整个操作系统、观察掘进机内的土压、油压、激光束位置。并对控制台显示屏、仪表提的数据和进行记录。控制板可以是人工控制方向和数据记录，或者是全自动控计算机控制方向和记录，其他六名工作人员则负责井内管道和顶铁的更换、出土外运、线缆和注浆管的连接等。当掘进机到达接收井时，停止挖掘工作，将机头缓慢顶入接收井，完成整个管道的铺装。
②、TP2600顶管机的操作使用
a、在顶管之前，操作、维修人员必须进行培训，使他们了解TP2600土压（泥水）平衡顶管机的构造、特点及安装调试和检查方法等操作要领，然后才能上岗操作。
b、在洞口封门被拆除，并确认没留下任何障碍以后，才可以进行顶进。
c、顶进分初始顶进和正常顶进两个阶段。初始顶进是指顶管机从顶进开始到第一节管子接上并与顶管机连接好之前的顶进过程，在此以后称为正常顶进。
d、在初始顶进之前，应视土质条件的不同而确定刀盘的转向、顶管机的推进速度。防止顶管机发生偏转。
e、刀盘旋转后，可用主顶油缸徐徐将顶管机往前推进。此时，最好只用下部两只主顶油缸推，但速度要慢。如有异常应立即停止推进，找出原因进行排除。
f、当任何一只土压力表所指的压力大于顶管机所处土层的压力下限时，应打开螺旋输送机排土。
g、在初始顶进阶段不可以进行纠偏。
h、当土斗车盛满土以后即把螺旋输送机停掉。在此运土过程中，视实际情况，决定要不要把切削搅拌刀盘停下来。
i、螺旋输送机所排出土的体积应与顶管机向前推进所占用土的体积相同。
j、在初始顶进阶段中，要始终注意观察顶管机与基坑导轨的接触情况是否正常。还要注意观察倾斜仪所显示数据有无大的变化。如果不正常或有大的变化必须停止推进，从中找出原因经分析以后再决定是否继续推进。
k、在下完第一节管子以后，必须把第一节管子与顶管机联接起来，方可继续推进。
l、正常顶进中可以纠偏，但要勤纠、微纠和看趋势进行纠偏。这并非一两次顶管所能掌握得了的，要用心领会，更要经过不断的实践，不断总结才能掌握。纠偏技术是否掌握，也可视为顶管技术是否掌握的一个很重要的依据。在纠偏过程中，如果高程和左右同时产生偏差，这时先纠高程偏差，后纠左右偏差。因为高程比左右偏差难纠。
m、如果在较硬的土中顶进时，每次出完一车土时的土压力都应在最低值或零附近。以防止突然停电等事故发生后，刀盘再起动困难。
n、刀盘如果不能起动，可左右两个方向多次起动。切不可一个方向一直让它处于较长时间的启动中，以免电机烧毁。
o、在顶进过程中，操作者应始终注意观察各电流及电压是否在正常值范围内。一旦发现不正常应立即停机检查。
p、主轴中心处有两路注浆口，一路注向刀盘中心，一路注向刀盘面板。在施工中根据不同的土质确定所注浆液的成份及注入的位置，来改良土质的塑性、止水性、流动性。
q、由于本项目地址特殊，全部为中粗砂夹杂鹅卵石，因此顶进过程中，随着距离增加主千斤顶的顶力会迅速增大，应时刻注意注好膨润泥浆进行减阻，切记使6只主千斤顶的油缸压力大于32MPa；当顶距大时，应适时启用中继间进行顶进。
③、顶管施工过程测量
为了保证顶进轴线控制在设计轴线允许偏差范围内，在顶进过程中要密切注意激光点的偏向。轴线测量的控制系统设在工作井内液压主顶装置中间。施工中需经常对管节进行复测，以保证管道顶进准确，
a、施工过程中应对管道水平轴线和高程、顶管机姿态等进行测量，并及时对测量控制基准点进行复核；发生偏差时应及时纠正；
b、顶进施工测量前应对井内的测量控制基准点进行复核；发生工作井位移、沉降、变形时应及时对基准点进行复核；
c 、管道水平轴线和高程测量应符合下列规定：
a ) 出顶进工作井进入土层，每顶进300mm，测量不应少于一次；正常顶进时，每顶进1000mm，测量不应少于一次；
b ) 进入接收工作井前30m应增加测量，每顶进300mm，测量不应少于一次；
c ) 全段顶完后，应在每个管节接口处测量其水平轴线和高程；有错口时，应测出相对高差；
d ) 测量记录应完整、清晰。
④、纠偏
纠偏油缸位置分布从顶管机后方筒往前看：
a、纠偏油缸动作时2个为一组，即十字开关搬到上位置，按下伸按钮，即左上、右上同伸；按下缩按钮，左上、右上同缩。同理，左下、右下或左上、左下及右上、右下均可以实现同伸、同缩。
C、下管材及套止水圈
本项目采用直径2600mmF型钢承口式钢筋混凝土 Ⅲ级管，是一种埋入式的厚壁管，它一端由一个凹形接口、钢环套、木质垫圈，另一端为一个凸接口、密封圈．当两者连接在一起时形成一个密封的永久管接口。由于本工程地质特殊，因此另外增加—条遇水胀止水圈。管道的外表面刷蜡，以使其在穿越土、砂层时减少摩阻力，而夹垫圈缓冲两管端之间的负荷，以降低局部挤压所形成的压力差。
管槽有生产厂家负责运输至各顶管工作井，管节进场后由50T吊车卸到指定位置，顶进时再由吊车将地面管节吊运至井下。
D、安装中继间
由于本标段地质特殊，为保证顶管顺利进行，不压坏预制钢筋混凝土管，根据国家规范当顶距大于100m时需增设中继间。中继间由专业厂家生产，它有可伸缩钢外壳、24个液压千斤顶和一个液压油站组成。顶管过程中，当管道顶进50m左右时安装中继间，当主千斤顶顶力达到1000KN时，启动中继间进行顶进；
E、注膨润泥浆
触变泥浆减摩是顶管施工中减少顶力的一项重要技术措施，在顶进过程中，通过顶管机尾部的同步注浆与管道上的预留孔向管节外壁压注一定数量的减摩泥浆，采用多点对称压注使泥浆均匀地填充在管节外壁和周围土体的空隙来减小管节外壁和土体间摩阻力，起到降低顶进时阻力的效果。在管节外壁能否形成完整的泥浆套，将直接影响到泥浆的减摩效果。减摩泥浆采用触变泥浆，该浆液性能稳定，且有良好的触变性，又有一定的稠度(浆液配比见下表)。施工过程中，泥浆应保证不失水、不沉淀、不固结，泥浆的配比应根据不同的地质情况作相应的调整，使泥浆适应土层的特性，起到预期的减摩效果。施工过程中还可配制特殊的泥浆以满足顶进施工中的特殊要求。
浆液配比(重量比)
膨润土水聚丙烯酰胺大颗粒树脂
60Kg1m30.6Kg2Kg
浆液质量指标：a、稠度12-14cm、b、PH 9-10、c、析水率＜2%
压浆时，储浆池内的触变泥浆由地面上的压浆泵通过管路压送至管道内的压浆总管，并到达连通各压浆孔的软管内，通过控制压浆孔球阀来控制压浆。在地面压浆的出处，装置压力表，便于观察和调节、控制压浆的压力。
F、管道顶进与地层形变控制顶管引起地层形变的只主要因素有：掘进机头开挖面引起的地层损失，机头纠偏引起的地层损失，机头后面管道外围空隙因注浆不足引起的地层损失，管道在顶进中与地层摩擦而引起的地层扰动，管道接缝及中继间渗漏而引起的地层损失。所以在顶管施工中要根据不同的土质、覆土深度和地面沉降情况。配合测量报表的分析，及时调整泥水与土压平衡值，同时要求坡度保持相对平稳，控制纠偏量，减少对土体的扰动。根据顶进速度、排泥量、地层变形的信息数据，及时调整注浆压力和注浆量，从而将轴线和地层变形控制在最佳的状态。
G、出土
顶管工作人将装满泥土的小斗车推至工作井后，由吊车起吊至地面沥水，泥土沥水后由装载机装车，自卸汽车运出场外。出土时应注意环境保护。
H、掘进机顶进至接收井
根据顶管进展情况，为保证掘进机能顺利进入接收井，防止掘进机出洞后地下水、泥沙沿管道与预留洞口之间的空隙涌入接收井内，造成周围地面沉降，保证接收井内附属结构物能顺利施工。如果发现地质较差，在掘进机头到达接收井前，可对洞口土体进行注浆加固，加固范围洞口前5m范围内，洞口四周距管道外侧2—3m。
掘进机头进入接收井前的复核应测量顶管机所处的方位，是确认顶管状态、评估掘进机头出洞时状态和拟订施工轴线及施工方案等重要依据，使掘进机在此阶段的施工中始终按预定的方案实施，以良好的状态、准确无误地进入接收井内。
在接收井砖墙封门破坏后掘进机头应迅速出洞、管道连续跟进，尽量缩短出洞时间。掘进机整体进洞后应尽快把机头和混凝土管节分离，并迅速做好预留洞口封堵减少地下水、泥沙流失，以防塌方、地面沉降。
I、项管施工过程中应注意的问题
当掘进机停止工作时，一定要防止泥水从土层或洞口及其它地方流失。不然，挖掘就会失稳，尤其是在进洞这一段时间内更应防止洞口止水圈漏水。
在掘进过程中，应注意观察地下水压力的变化，并及时的采取相应的措施和对策，只有这样才能保持挖掘面的稳定。
在顶进过程中，随时要注意挖掘面是否稳定，要不时检查泥水的浓度和相对密度是否正常，还要注意进排泥泵的流量及压力是否正常。应防止排泥泵的排量过小而造成排泥管的淤泥和堵塞现象。
J、机头起吊、设备拆除转场
顶管完毕后，接收井内机头采用大于50t的吊车起吊，转运至下一工作井内进行检修。于此同时，对管道、工作井内的设备进行拆除清洗转运至下一工作井进行检修保养。
K、顶段内管道清理、抹缝
设备拆除完毕后，立即对管道内的泥浆、泥沙进行清理，并采用1:2的水泥砂浆对管节进行抹缝，注浆孔进行封堵，按规范要求对中继间进行加固及防腐处理。
L、检查验收。
顶管施工完毕后，由项目部自行组织自检，自检合格后，整理好施工、自检资料，由质检部长通知监理工程师组织验收，并做好隐蔽工程验收记录。
结束语
综上所述，泥水平衡顶管施工是一项系统性的工作，它对城市地下管道的建设具有重要的作用。因此，顶管施工需要施工人员具备各种理论知识和专业技能，加强施工过程中的监控力度，时刻关注各种参数的变化，及时做好应对措施，从而保证地下管道敷设工程的顺利实施。
参考文献
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[2] 纪新颖，泥水平衡机械顶管施工技术及应用[J].城市建设理论研究，2012年第14期
论文作者:胡浩天
论文发表刊物:《防护工程》2018年第1期
论文发表时间:2018/5/15
标签：机头论文; 顶管论文; 洞口论文; 工作论文; 管道论文; 泥水论文; 经纬仪论文; 《防护工程》2018年第1期论文;