泥水平衡顶管施工工法

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

2.1 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。 2.2顶管在地面操作，安全、直观、方便。

2.3适用土质范围广，软土、粘土、砂土、砂砾土、硬土均可适用。

2.2施工精度高，上、下、左、右可纠偏，最大纠偏角度达2.5°，并可作较长距离顶进。 2.3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。

2.4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。 2.5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

5.1 施工工艺流程，见图5.1-1。 测量放线 顶进完成

图5.1-1施工工艺流程图

5.2 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。

机头出洞 泥浆处理 地貌恢复

顶进施工 套管就位 送水、排泥 设备调试 顶管设备就位

工作坑施

后背墙施

导轨安装

主顶油缸安装

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0.55 Ho—地面至掘进机中心的厚度，取最大值5m γ—土的湿重量，取1.9t/m3 P＝0.55*1.9*5＝5.255t/m2 F1=3.14*0.9*0.9*5.255＝13.365t 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0.8t/m2 D—管外径1.8m L—顶距

F2＝3.14*1.8*0.8*80＝361.7t。

因此，总推力F=13.365+361.7＝375.065t。

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3.2米。

5.2.5后背墙施工

施工中采用钢后背墙支持油缸顶进套管的反力，钢后背墙直接放置在已经支护牢固的钢板桩整体结构上，油缸顶进的反力通过钢后背墙均匀的分散到钢板桩整体结构上，因此钢后背墙安装时应与顶进路径轴线相垂直，钢后背墙与钢板桩整体支护结构中间的缝隙采用钢板垫片填塞，当钢后背墙垂直度找正后，将钢垫板与钢后背墙、钢板桩整体支护结构满焊牢固。钢板后背墙厚度为40mm，尺寸为2.5m×1.5m。

5.2.6导轨安装

导轨安装时和工作井底板预埋钢板焊牢，并用型钢支撑围牢。导轨安装前要先复核管道中心位置，确保导轨的高程、轴线位置准确。导轨定位必须稳固，在顶进中承受各种负荷时不位移、不变形、不沉降。每节套管顶进完成后校对导轨高程、中线及水平，如有变化及时校正。

导轨安装应满足顶管中线和高程的要求，导轨轴线位置偏差不超过3mm，顶面高程偏差不超过3mm，两轨内距偏差不超过2mm。两导轨应顺直|平行、等高，其纵坡应与管道设计坡度一致。

5.2.7顶管机就位

用25吨吊车吊装顶管机，将顶管机放入顶进坑内的导轨上，顶管机前端距井壁约250mm。吊运完成后，调整底盘及顶管机机头的位置、高程、中线、仰俯角、旋转角等，保证顶管机的轴线机坑轴线、导轨轴线以及主顶油缸的轴线保持一致。

5.2.8主顶设备安装

主顶设备采用两台300T双节等压油缸，油缸底盘的安装应支撑牢固，防止产生受力变形或位移。底盘的调整的定位在将顶管机吊运至底盘导轨上后进行。

主顶油缸必须符合中线和水平要求，且要以管道中心线为轴对称布置。主顶油缸架安装要定位准确，保证油缸受力点的位置正确，其高程和平面安装误差应控制在3mm以内。安装在油缸架上的油缸中心误差控制在3mm以内。主顶油缸的油路应并联，每台油缸应有进油、退油的控制系统。

5.2.9泥水系统、注浆系统的安装

泥水分离系统及注浆系统应靠近工作井边，安装在地面上适当的位置，符合便投料和排放所需落差的工艺要求，可以减少排泥管路过长而产生的管路摩阻力。注浆系统尽量使用螺杆泵以减少脉

主顶油缸及后背钢板

泥水平衡顶管机就位

动现象，浆液应保证搅拌均匀，系统应配置减压系统。

5.2.10其它配套设备安装

1、工作井总电源闸箱及用电设备必须执行三相五线制，且安装漏电保护装置，工作坑及管内使用36V以下的照明设备；

2、顶管机头内应设有应急照明电源，顶管机机头、工作坑及地面设备之间设置通讯联络设备。 3、工作井内测量仪器的基座不能固定在主顶装置底盘、工作井后背或其他可能在顶进受力时产生变形或位移的基础上，应安装在独立的固定基座上，以减少重复移动和调整次数；

4、使用激光经纬仪或激光指向仪与安装在顶管机内的激光目标靶共同组成方位误差测量系统，对顶进的高程的轴线误差进行全过程的监控。

5、由于管道顶进距离长，埋置深度深，管道内的空气不新鲜，加上土体中会产生有害气体，因此，必须设置供气系统。通风设施用一台9m3的柴油空压机将压缩空气输入空气滤清器，经过气压调节阀，将压缩空气传输至管道最前端，并将管道最前端的空气排出，进行空气循环。

5.2.11设备试运行

1、所有设备安装就位后检查合格后，进行顶管机电路、油路、注浆系统的安装调试。 2、设备试运行之前，应对设备的安装，各种管线、电缆的连接进行检查，确认安装和连接无误后方可接通电源。

3、设备的试运行应遵照设备说明书进行。通过试运转查找和消除设备可能存在的所有问题，确认其处于完好状态。主要包括以下内容：

1）不加载的情况下，电源电路开关的接通、切断工况试验的检查。

2）液压系统控制阀件的动作灵敏、正确，特别注意有无控制电路反接的现象、操作台显示动作与实际动作是否一致。

3）设备润滑和密封系统供油正常，油路畅通，供油压力可在设定的范围内调节。 4）刀盘正反旋转动作正确，无异常响声。

5）纠偏千斤顶的伸缩动作正常。试查完毕将千斤顶回缩到工作零位。 6）顶进千斤顶伸缩动作正常，试查完毕将千斤顶回缩到工作零位。 7）泥水处理系统、注浆系统输送泵的试运转符合设备说明书的规定。 8）对注浆管路进行加压试验和检查，保证管路畅通、无泄漏。 5.2.12顶进施工

1、安装顶压环并卡牢管后端，检查顶进系统的安装是否良好，校核管线标高和方向，各方面都准备好后方可操作顶进。

2、接通电源，机头刀盘开始转动，转速由慢到快，当设备的参数稳定后，启动进出泥泵出泥，开始泥浆循环。

3、调整进出泥浆泵流量，机头刀盘的操作全部采用在管道外控制台控制，由1名操作手实现对工具头刀具的转动、纠偏控制、压力显示、时时监控(工具头安装了摄像头、控制台上安装了电视机)。

4、顶进千斤顶，观察工作仓的土压力表，调节渣浆泵的流量达到工作仓的泥水平衡，当进泥和吸泥泵稳定工作时，调节进泥和吸泥的泵量，使工作仓内应保持一定压力，仓内泥水压力应与地下水压力相平衡，泥水压力过大，地面隆起;泥水压力过小，地面沉陷，所以控制顶进与出泥的速度相当关键。然后操作油缸进行顶进，直到顶进一节管。拆除供水、排泥管路，采用吊车将下一节套管安装到作业坑内，套管接口位置设置止水胶圈，套管接触位置为减小应力集中，沿套管对接位置安装5mm后五合板缓冲垫片，重新安装好排泥和供水管路，检查机具、设备正常后，启动顶管机机头和千斤顶，继续顶进，再次顶进，重复以上步骤，直至顶管完毕。

5、泥水处理系统处理，通过向刀盘注入含有一定浓度的泥浆，通过大刀盘切削工具头前方的原状土，与注入的泥水搅拌，泥水通过吸泥泵排到地表泥水处理系统处理，泥浆可以反复循环使用，处理好的泥沙用泥浆车外运。

拆除排泥管

止水胶圈安装

6、测量工具头的纠偏，在工作井后座位置设置测量机座，测量基座由地面引入地下，避免工作井的变形引起的误差，将全站仪放置在其上调平后，使全站仪发射的激光沿着顶进方向水平射出，打在工具头的测量靶位上，通过望远镜读出工具头的偏差。每隔0.5m记录一次。

纠偏是指机头偏离设计轴线后，利用设置在机头后部的纠偏千斤顶组，改变机头端面的方向，减少偏差，目的是使管道沿设计轴线顶进。机头纠偏的好坏，将直接影响顶管施工的质量。顶进纠偏是采用调整4台80T纠偏千斤顶组的办法，进行编组操作，若管道偏左则千斤顶采用左伸右缩方法，反之亦然，如果同时有高程和方向偏差，则应先纠正偏差大的一边，顶进时必须严格控制机头的走向，随时纠偏，控制好管道的线形。纠偏时应做到在顶进中纠偏，采用小角度分次逐步纠偏，勤调微纠。纠偏工作尚应在仿真分析的指导下进行。在顶进中顶管机头发生旋转时，可采取在管内的相反方向增加压重块或在中间站提供旋转纠正力矩等方法，直到正常，以防止偏转增大，影响出土和测量等工作。

操作台视频显示偏差情况

偏差数据显示

7、加注触变泥浆：顶管机外径宜比顶进管子外径大2~6cm，注浆后使土体与管子间形成10~30mm厚的泥浆环。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。

触变泥浆触变泥浆系统由拌浆、注浆和管道三部分组成。注浆流程：造浆静置一注浆一顶管推进(注浆)一顶管停顶一停止注浆，拌浆是把注浆材料兑水以后再搅拌成所需的浆液(造浆后应静置24小时后方可使用)。注浆是通过注浆泵进行的，根据压力表和流量表，它可以控制注浆的压力(压力控制在水深的1.1～1.2倍)和注浆量(计量桶控制)。管道分总管和支管，总管安装在管道内一侧，支管则把总管内压送过来的浆液输送到每个注浆孔上去。注浆孔布置为：工具头后3节管各设一道、之后每间距4m设一道补浆孔(间隔2节砼管)。每次顶进同时灌浆，按灌浆孔断面位置的前后顺序进行依次进行，灌浆遇有机械故障、管路堵塞、接头渗漏等情况时，经处理后方可继续顶进。

注浆系统设备包括：① 注浆泵（螺杆泵，排量1000L / min，压力3MPa）；② 搅拌器；③ 注

上部纠偏顶缸向下纠偏

下部纠偏顶缸向上纠偏

浆管道（主管φ50mm钢管，支管φ25mm橡胶管）；④ 管路连接；⑤ 控制阀；⑥ 压力表。

触变泥浆是由膨润土、水和掺合剂按一定比例混合而成。施工现场按重量计的触变泥浆配比为： 水：膨润土 = 8：1 膨润土：CMC = 30：1

8、顶完一节管后，停止电源，关闭进出泥系统旁通，千斤顶回油，活塞回缩，拆开所有管线(电力电缆、信号线、油管、进出泥浆管、触变泥浆管)，吊装下一节套管，安装好所有管线、管路、电源后，继续顶进。

9、操作手在交接班时需要进行交接手续，将记录的设备运转情况表交给下一个班组的操作手，并进行口头的设备运转状况交班，刚上班的操作手需要对控制台、各个泥浆泵、管道、测量系统、工具头等进行例行检查。

10、填充注浆，顶管完成后及时对管道外壁进行充填加固，把原注入的膨润土浆置换掉，保障被穿越的地面构筑物安全。注浆应符合下列要求：

使用的泥浆置换材料为水泥加粉煤灰浆，其配比为水：水泥：粉煤灰=5：1：3，通过管道内部的注浆孔压注，注浆应与地面监控相配合，应采用多点注浆将管道与土层的间隙充分填满，注浆量宜按计算空隙体积的150%控制。

每二节混凝土管编为一组，分为注浆孔与排浆孔。将注浆泵清洗干净，吸浆龙头放入灰浆池内，开启注浆泵，打开第一组注浆孔，当第一组排浆孔冒出灰浆后，关闭阀门，再打开第二组，以此类推，直到全线完成。泥浆置换完成后，及时对注浆孔封闭。

6. 材料与设备

本工法无需特别说明的材料，采用的机具设备见表6 序号 名称 一、顶管机头 1 φ1800泥水平衡顶管机 2 机外操纵台 3 动力电缆 型号及产地 TPN1000型 江苏镇江 数量 1台 1台 100米 备注

4 综合控制电缆 5 综合控制电器柜 二、基坑主顶设备 1 主顶油缸 2 主顶泵站 3 主顶泵站 4 主顶油缸架 5 基坑导轨 6 环形顶铁 7 n形顶铁 8 后靠板 9 高压软管 三、进排泥系统 1 进水泵 2 排泥泵 3 进、排泥泵电缆 4 进排泥软管 5 进排泥钢管 6 泥水管夹箍 7 泥水沉淀池 四、注浆设备 1 注浆泵总成 2 注浆泵连接电缆 3 泥浆桶 4 水力拌浆桶 5 水力拌浆桶连接电缆 6 注浆总管、 7 注浆支管、 8 注浆单向阀 五、其它设备 1 激光经纬仪 2 控制箱 3 水准仪 4 电焊机 5 发电机 200米 1台 4根 1台 1根 1套 1套 1套 1套 1套 8根 1台 1台 2根 2根 200米 200件 1件 1台 1根 1件 1件 1根 200米 200米 200个 1台 4只 1只 1台 1台 江苏镇江 200T，S=2050mm 1.5M³ 30米 江苏镇江 江苏镇江 江苏镇江 江苏镇江 江苏镇江 φ13×10m 30kW 30kW 30米 4\"×5m 4\"×2m 4\" 江苏镇江 2NB-200/4-15 30米 3M³ JBJ-300 30米 1\"镀锌管 1\"软管 1\" LE202 大功率电路控制箱 DSZ3-32C ZXEI-500 150KW 表6 材料设备表

7.质量控制

7.1对顶管施工人员进行技术质量交底进行逐层交底，宣传到人、落实到位，提高职工的质量意识和责任心。

7.2认真贯彻三检制度，实行班组自检、互检与专检相结合的检查制度，并做好各项检查记录。

7.3施工前对钢筋混凝土套管进行复检，保证混凝土套管强度满足设计及相关标准规范要求。 7.4顶进工程中，操作人员应随时监测监视器各项数据的变化，并及时记录，在分析记录数据的基础上及时进行纠偏，确保顶进轴线、中心线满足设计及相关标准规范要求。

7.5施工人员采用交接班制度，施工中做好交接记录及施工过程资料的交接工作。

8.安全措施

8.1制定安全操作规程，遵守施工用电、机械设备安全规程，建立完善的安全保证体系，并要求顶管操作人员严格执行，加强施工中的安全检查，发现隐患及时排查。

8.2施工技术负责人对顶管操作人员进行安全技术交底。

8.3施工前，应查明顶管轴线位置地下障碍物及地下构、建筑物的情况，对地下障碍物进行标记，并制定相应的保护措施。

8.4进入施工现场的人员需按规定佩戴劳保用品，与施工无关人员不得进入施工现场。 8.5在施工现场周围有警示挡板，悬挂警示牌，工作井四周设护栏杆。 8.6顶进过程中，不得站在顶铁两侧操作，以防止崩铁伤人。

8.7吊装顶铁或套管时，严禁在扒杆回转半径内停留；往工作坑内下管时，应穿保险钢丝绳，并缓慢地将管子送入导轨就位，以便防止滑脱坠落或冲击导轨，同时坑下人员应站在安全角落。

8.8电线电缆、管路、信号控制线连接必须牢固可靠，并应靠管壁装卡稳固，严禁使其受压或用于悬挂物体。

8.9作业面遇到不明构筑物或有异常情况时，应立即停止作业，报告施工技术管理人员，经处理并确认安全后方可继续作业。

8.10顶管作业必须执行交接班制度并保持记录完整。

8.11工作坑内设置安全爬梯，施工人员上下工作坑必须走安全梯，安全梯设扶手并固定牢靠。

9.环保措施

9.1施工前进行班前教育，对施工现场环境保护进行交底；

9.1合理规划使用施工场地，按施工平面布置图布置设备、设施和材料。

9.2规范围挡，设置围栏，做到标牌清楚、齐全，各种标识醒目，施工场地整洁文明。 9.3施工过程中尽量保护公路、铁路及构建筑物附近的植被、树木等；

9.4施工过程中掌握穿越路径上地下障碍物的资料数据，随时采取保护措施，避免损毁； 9.5施工现场油品材料、设备堆放应采取隔离措施，避免污染；

9.6施工中采取有效措施控制施工过程中的扬尘、噪声，尽量减少对周围居民的干扰 9.7泥浆池底部采用防渗彩条布进行铺垫防护，施工完毕后及时对泥浆进行回收处理； 9.8施工完毕后，做到“工完、料净、场地清”；

10.效益分析

通过工程实践证明，泥水平衡顶管施工有施工噪音低，对道路、交通、周围土层的影响较小，可保持挖掘面的相对稳定，施工后地面沉降极小，采用泥水平衡顶管施工工期较短，投入施工人员少，施工精度高，技术先进，可节约各项成本，施工占地面积较小，减少了大量的征地拆迁工作，同时减少了降水、土体加固等措施，工作坑内作业环境较好，作业比较安全。采用机械顶管施工，并保证了顶进位置公路、铁路及构建筑物的安全，提高了管道施工整体质量，大大提高了顶管施工进度，节约了大量的人工及设备租赁费用，节约了大量的因地质不良造成的顶管塌陷事故处理费用，所带来的经济效益十分显著的。

11.工程实用实例

1、2006年西气东输冀宁联络线工程中徐宿宁高速公路顶管穿越，穿越位置土质为粉质砂土，土质成拱形极差，且地下水丰富，通过运用本工法，该处高速公路顶进过程仅用3天时间就全部完成，工程施工质量各项指标均符合质量验收要求，效果良好。；

2、2010年秦沈管线在高速公路顶管施工中，由辽河石油勘探局油建一公司承建的施工标段也采取了本工法，项目竣工验收质量、安全均达到优良标准；

3、2012年大庆-铁岭输油管道施工中，在铁岭市银州区地运所、昌图县马仲河镇、开原市金沟子镇，运用本工法分别完成了沈哈高速公路3处顶管穿越施工。

通过实施、运用本工法，解决了在穿越高速公路、铁路、建筑物等特殊地段时，人工掏土造成的坍塌、效率低、受周边环境制约等缺点，切实解决了施工存在的问题，保证了施工安全、质量和进度。