湿陷性黄土地区长距离顶管施工技术

顶管施工多用于市政工程非开挖掘进式管道铺设，适用于城市中心地段、名胜文物古迹保护地段及不具备开槽埋管条件等复杂地段。近年来，随着地下工程建设项目的不断发展，顶管施工技术在国内得到良好的发展。顶管法施工由于其无需进行大断面开挖，进而无需大范围隔断交通影响城市交通运行，同时其噪声控制良好、施工展开空间小，使其在目前我国繁忙的城市市政管网建设中发挥越来越大的作用，市场需求越来越明显。

湿陷性黄土是我国常见的不良地质之一，多分布于华北、西北等气候干旱地区。因黄土自身结构孔隙大、含易溶盐等化学物质成分，受山洪、雨水或地下水影响，水分子侵入土体内部使其盐类溶解，微观形态与成分发生改变。湿陷性黄土受到大于自身抗压强度的自重应力或附加外力时，造成显著附加下沉。土体变形造成的地基不均匀沉降，使建（构）筑物结构发生开裂、倾斜、破坏，时刻威胁着人民的生命财产安全。

因此，在湿陷性黄土地区进行排水管道施工是一个值得研究的问题。本文分析研究湿陷性黄土地区条件下长距离顶管施工技术，具有一定的工程指导意义。

1 工程概况

西安咸阳国际机场扩建工程的场外雨水外排系统新建顶管井13座，末端建设1座排水口汇入泾河。排水管道线路总长约7.3km，工程管道全线使用顶管法施工，管道类型为“F”型钢承口式钢筋混凝土预制管，混凝土管节接口内设2道楔形橡胶止水圈，形成双层防水，其材质为三元乙丙橡胶。当接口插入时，采用高强粘接剂粘于钢套环管节端头基面上的橡胶止水阀受到钢套环的挤压，与钢套环紧密相贴，起到防水、止水的作用。管径为2400~3800mm，坡度0.32%~2.30%。选取目标管线为：工作井 Y-5至接收井Y-4，管道线路管长949m，管径为3 200mm，壁厚320mm，管底标高432.070m，埋深 39.07m。

根据勘探揭露，场地地层依次为耕植土（Q^pd）、人工填土（Q^ml）、第四系上更新统风成黄土（Q₃^2eol）、残积古土壤（Q₃^1el）、第四系中更新统风成黄土（Q₂^2eol）、残积古土壤（Q₂^2el）等。土层分布如表1所示。

 

表1 土层分布

 

顶管段场地地形两端地势较低，地貌单元属黄土塬。区域地表河流主要为渭河及泾河，渭河属黄河第一大支流，全长818km。从拟建场地东南侧约9km东西向通过，向东北方向至咸阳市界径流出境，咸阳境内河流长15.25km，河床宽100~1000m，河流较浅，平水期深0~3m，比降1%左右，河流曲折，迂回摆动，且以侵蚀北岸为主。顶管场地地下水水位埋深为34.3~39.2m。顶管进出洞主要穿越场黄土⑦、古土壤⑧地层，该场地地基湿陷等级为Ⅳ级。

2 顶管施工过程

2.1 施工前准备工作

在黄土地区进行顶管前，应先做好勘察工作，主要包括工程地质条件、地下水位、施工现场周围环境和临近建（构）筑物等。根据勘察资料选定可行的施工方案，需特别注意顶管进出洞技术、对接沉井的加固与止水、顶进过程的减阻、顶管纠偏、选配顶管机等。工程沉井位置靠近泾河，根据勘察报告、现场检查及施工经验，该区域沉井深度应在地下水位以下，因此井内降排水工作尤为重要。应在沉井内部开挖明沟、集水坑，采用潜水泵进行明排水，以此保证降水效果。

2.2 顶管设备的选择

根据工程地质勘探报告，顶管管体主要在黄土中顶进，因管道埋深均处于地下水水位以上，拟选用敞开式顶管掘进机，挖土采用扒抓机。该设备适用于地下水水位以上、土体稳定性良好、含水量低的地质围岩中。其优点是掘进速度快、污染小、设备安拆简单。依据当前地质条件完全可以满足此井段顶管需求，如遇到地下水水位以下的管道施工，采用密闭式顶管掘进机、挖土采用大刀盘土压平衡顶管掘进机。

2.3 顶管出洞技术

顶管出洞是将掘进机与第1节管道从工作井中破出洞口封门顶进土体的过程。长距离顶管施工过程为事故多发段，关系到整个工程的质量、安全，进出洞技术非常重要。顶管机出洞前，对进出洞口周围土体进行洞内水平注浆加固，注浆加固范围纵向长5m，高为顶管外径上下3m，宽为顶管外径左右各2m，加固体要求28d无侧限单轴抗压强度≥1.0MPa，抗渗系数<1.0×10^-7cm/s，起到止水、加固土体的双重作用，最后检查洞圈外部土体的加固效果。顶管机出洞后顶进的前50m作为顶进试验段，确保全段顶管安全顺利施工。

顶管机出洞前要根据地层情况设定顶进参数。开始顶进后要加强监测，及时分析、反馈监测数据，动态地调整顶管机顶进参数，同时还应注意以下事项。

1）使用润滑油均匀涂抹于顶管机轨道，减小机器推进时与轨道间的摩擦。

2）机器顶进出洞时，洞口基座受力复杂，常发生断裂、裂缝，需计算其抗偏压强度是否满足规范及实际工程要求；对导轨的标高、间距和中心轴线等参数进行质量监控。

3）注浆后立即密封洞圈，防止漏浆。

4）顶管出洞前首先检查洞口形状是否满足机器通过尺寸要求，其次确认衬垫安装完工，为避免顶管机重力失稳，安装延伸导轨辅助施工。

5）顶管机出洞时，洞口土体经加固后强度提升，顶管机受力情况发生变化，机头与导轨摩擦力较小，姿态极不稳定；顶管机出洞时降低速度，以防出现顶管机上飘等情况。

6）当顶管经过洞口二次巩固区时，减慢顶进速度，以防顶进路线偏移，扒抓机破坏。

7）顶管首次出洞作为整个顶进工程的基础时，需再次加强对顶管路径走向的监控，保证后续工程质量。

8）顶管机整体进入土体后，需立即进行管外注浆，否则顶管设备运作极易受到外界影响，顶进过程中应加强监测，如果发现异常情况，迅速停工，排查隐患。

2.4 管道顶进

顶管机出洞施工顺利结束后，正式开始管节的顶进工作。正常顶进时，开挖面土体通过输送带输入运土车，由大功率电瓶车拉运到工作坑，用起重机吊装弃土。前一节管道被主顶油缸向前推进贯入土体后，将主千斤顶复位，利用塔式起重机将下一节管道吊装至井内，套在前一节管套尾部，校对完成后焊接在一起，检查焊缝质量合格后重新顶进。此过程不断重复，直至顶段贯通，机头进入接收井，形成一条永久性的地下管道。为减少土体与管道外壁的阻力，通过管道上设置的注浆口向管道外壁注入泥浆，并在机头后 70~100m设置第 1个中继间随从管道一起推进，根据顶力计算确定后续中继间位置。

本工程周边环境复杂，涉及高速闸道、管线、基坑围护结构等构筑物。管道顶进过程中会引起周围土层的扰动破坏，土体变形主要受以下因素影响：①工具管掘进过程中导致的地层损失；②管道推进时与土地摩擦造成的地层扰动；③管道外周因制作工艺不达标、平整度误差过大引起的地层损失等。施工前采用有限元软件数值模拟顶管顶进时周边土体变形及对周边构筑物的影响。采用分阶段模拟顶管顶进施工，对各工况计算结果进行叠加，得到桩基最大位移约为0.5mm（其中x向0.32mm，y向0.06mm，z向0.40mm）；雨水主管水平位移最大值为0.02mm，竖向位移最大值为0.40mm；地面最大沉降约为0.50mm。模型区段顶管对周边重要构筑物的影响满足保护要求。

施工时，基于现场土质差异、地表沉降及构筑物分布，结合测量报表数据，一方面时刻关注土压平衡值，另一方面保证土体坡度的稳定性，减缓纠偏速度，增加纠偏次数，避免对周围土体造成较大影响。合理监控地质条件变化情况，计算出土量及管道推进速度，使顶进路径在轴线设计范围内，达到最佳效果。

洞口止水是影响整个顶管施工过程安全、质量、进度的重要因素之一。在顶管顶进期间，需特别注意密封管节与洞口间的间隙，如密封不严出现漏浆漏水等情况，地下水与泥砂涌入工作井内，会影响排水井施工，甚至导致排水井洞口土体破坏塌落，造成严重的人员伤亡。由于本工程管径较大，且顶进距离较长，传统的橡胶“抹套”不能满足要求，工程决定采用钢扎兰盘根止水装置，此装置须与预留洞口成同心圆，止水装置橡胶板与法兰片间无缝隙且安装防反出装置。

顶管机接近接收井洞口时再次确认洞口土体加固完成达到质量标准，增加观测洞口地表沉降频率。在顶管机接近接收井时，根据贯通测量结果，于洞口中心位置凿开直径约5cm的圆孔，以观测土体环境并定位顶管机中心位置。通过实际观测评估外部土体适合顶进接收机时，立即顶进顶管机。完成顶管作业后，先彻底清理洞口，安装止水设备，再对顶进过程中有质量缺陷的管道进行修补，最后对管道的轴线位置进行纠偏。

3 施工技术措施

3.1 顶管机姿态监测与纠偏

本工程涉及长距离顶管，施工过程中顶管轴线控制为一大难点，应贯彻“勤测、勤纠、缓纠”的原则。施工过程中，为实现长距离顶管轴线精确控制，顶管轴线测量通过顶进姿态测量控制系统与人工复测共同完成。顶进姿态测量控制系统包括GPS激光导向仪、全站仪、光靶传感器和数据处理系统。以安装在管道壁的全站仪发出的激光为基准点（见图1），首先测出位于顶管机切割舱的仰角、滚动角、水平角；其次，通过电缆将基准点水平、垂直坐标及顶管机实际路线的数据传输至系统，系统计算顶管实际轴线与设计轴线间的夹角，预测管道顶进趋势，将数据反馈给操作间。技术人员操作顶管机调整顶进方向，控制顶力及顶进速度。施工人员使用经纬仪、水准仪对顶管轴线进行复测，确保管道顶进按设计方向施工。由于本工程顶管施工距离较长，管道内须每200m设置1个测量站转点，每50m设置激光束接口系统。

图1 激光导向监测示意

 

顶管施工完成后，在地下形成一条长距离永久性管道，此时再进行纠偏工作十分困难，因此在管道顶进过程中的纠偏操作显得尤为重要。本工程管道纠偏采用人工挖土纠偏与千斤顶机器纠偏。当管道出现滚动偏差大于1.5°时，顶管机系统会提示施工人员进行纠偏操作，施工人员根据系统提示进行反转挖土。当管道顶进路线与轴线发生偏移时，通过逐渐增大偏移侧千斤顶顶力来实现对管道的纠偏。管道初始顶进300m内，应完全符合设计规定轴线，做到随顶随纠；顶进距离超过300m后，由于管道内光的折射现象严重影响激光导向仪的传递，因此须采用人工测量。每顶进1节管道偏差测量宜不少于1次，纠偏阶段宜不少于2次，偏离值过大时须增加测量频率。每顶进1节测量1次顶管机的姿态偏差，并及时纠偏。进行纠偏操作时，应做到每次纠偏角度尽量较小，减小纠偏速度，控制顶进轴线偏移设计轴线在10cm以内，具体数值根据现场土质情况与顶进速度确定。

3.2 顶进过程的减阻

在长距离顶管施工过程中，触变泥浆在减摩减阻方面占据着重要地位，是关系到整个工程质量的关键环节。

本工程顶管穿越地下，周边环境复杂，对堤坝等构筑物沉降保护要求高，施工中采用同步注浆保持对管道运动中的润滑作用，施工完成后采用二次补充注浆弥补初次注浆的质量缺陷问题。通过在混凝土顶管每个注浆断面布置4个注浆孔，保证形成良好的泥浆套，顶管机头后50m每节混凝土管布置1组注浆孔，其余注浆孔纵向间距为6m，即每3节混凝土管布置1组注浆孔，每组4个。由于本工程管道设置距离较长，地面压浆泵无法输送过远区域，因而在管道内每隔300~400m设置中继压浆泵，层层接力输送泥浆，在输送过程中保证泥浆的稳定性。

泥浆注入会使管道与土层间摩擦呈湿润状态，最大限度地减小顶进阻力，使管道呈悬浮状态顶进，同时触变泥浆也会起到填充被破坏土体间空隙的作用，加固土体，防止沉降。触变泥浆用量根据现场施工场地土质情况、土层沉降及推进阻力确定，注浆过程中存在泥浆流失等特殊情况，须由专人操作，严格执行顶管注浆操作规程。根据湿陷性黄土地区的特殊工程地质条件，在实验室配制膨润土泥浆，配合比为：膨润土100kg/m³，纯碱5kg/m³，CMC1.2kg/m³，水550kg/m³，根据现场顶管施工情况进行适当调整。触变泥浆指标如表2 所示。

 

表 2 触变泥浆指标

 

3.3 中继间的设置

在长距离顶管中，由于顶进总阻力大于工作井总推力，管道无法承受巨大荷载而破坏，因此设置中继间辅助施工，进行分段逐级推进。中继间的布置与数量应根据管道长度与顶进阻力计算得出。工作井设计最大顶力根据各工作井图纸设计要求，对总顶力估算值进行验算。中继间装备顶力为8000kN，按顶力系数K=0.7计算可达5 600kN。随着管道的顶进，管道周围泥浆套形成，摩阻力逐渐减小，摩擦力系数在第1支中继间处取 2.5kN/m²，在第2支中继间及以后取1.5kN/m²。第1支中继间、第2支中继间及以后布置计算如下。

首个中继间应放置在距机头 20m处，便于初始纠偏作业；其余中继间分别布置在距机头250，500，750m处，合计共布置4个中继间。当一组中继间推进作业时，其余中继间保持静止状态，依次完成推进，位于工作井的千斤顶最后开始推进。

中继环选择双道可替换式橡胶密封圈，若第1道经挤压摩擦后破坏变形，可启用第2道密封圈进行迅速更换，确保顶管施工的顺利进行。顶管施工结束后，液压装置可收缩，无需拆卸即可与管道形成一个整体，无需再次浇筑混凝土。

3.4 通风系统的设置

长距离地下管道施工，管道内存在缺氧、地层产生沼气、涂料产生有毒气体等情况，对施工人员身体及测量的准确性有较大影响，为保障施工人员身体健康及生命安全，施工时须进行通风换气，每小时换气次数≥6次。同时顶管焊接会产生大量有毒气体，因此顶管施工通风主要包括以下两部分。

1）顶管顶进施工 通风机采用高压风机，主要参数根据地质情况、井深及顶进长度计算。通风管选用 4100 焊接钢管。本工程顶管段长 949m，管道内径为3.2m，则需通风体积V=7 628.44m³。以通风时间60min达到输入相等通风体积的新鲜空气计，则风机风量应达到Q=60V/30=15256.88m³/h，选取C430-2.15型高压鼓风机，其风量Q=25800m³/h，满足要求。

2）顶管焊接施工 在焊接处布置1台小型鼓风机，将有毒气体从里往外排，保证焊接作业人员健康的同时避免有毒气体扩散到管道里。

4 结语

随着顶管施工工艺和设备的不断成熟和完善，由于其施工速度快、安全性高、经济成本低、施工对周围环境影响小等优点，在市政工程中的地位日益重要，长距离顶管技术在不同地区、不同地质中的应用越来越多，本文结合实际工程案例，总结了湿陷性黄土地区长距离顶管施工关键技术，可为今后类似工程提供参考。

 

本文由唐兴装备整理自《湿陷性黄土地区长距离顶管施工技术》孙磊，孙凯，李兆吉，马鑫，庞应科，张寅山，转载请注明出处，如有侵权请联系删除。