淺談土壓平衡頂管施工工藝

韓偉

摘要：隨著現(xiàn)代化城市的建設(shè)與發(fā)展，在進行排水配套工程建設(shè)時由于地面建筑物不可拆除，受施工場地局限以及文明施工等因素制約，頂管這種更加環(huán)保高效的施工工藝已被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化城市市政建設(shè)中。

關(guān)鍵詞：土壓；頂管；施工工藝

目前，頂管施工分為土壓平衡、泥水平衡、氣壓平衡三種工藝。由于土壓平衡技術(shù)先進，施工效率高，在現(xiàn)代城市排水建設(shè)中被廣泛應(yīng)用。

土壓平衡頂管施工工藝的優(yōu)勢

1、土壓平衡頂管施工非常高效，平均每天頂進15米左右，建一主坑一次性連續(xù)頂進距離可達500m以上，節(jié)約了施工成本，提高了工作效率。

2、建坑后全部工藝不需開挖，全部在地下進行，降低了對城市環(huán)境、交通的影響。

3、工程占地較少，地面上的障礙物，如：鐵路、建筑物等均不需要拆遷，大大的降低了工程成本。

4、節(jié)約勞動力，一套頂管掘進設(shè)備僅需50人就可以完成，而且操作非常方便，操作人員只需在工作坑內(nèi)完成拆裝及延長管線，不需進入頂進管道內(nèi)，提高了工程的安全性。

工作原理

土壓平衡頂管機是利用安裝在機頭的全斷面切削刀片將土體正面削下進入刀頭后置的存貯艙內(nèi)，并使艙內(nèi)均有適應(yīng)壓力與開挖面水土壓力平衡，從而減少了頂管推進對底層土體的擾動，更加容易控制地面沉降縫。在出土時由安裝在艙下運輸機向主坑連續(xù)將土排除。

工藝流程

總的來說，土壓平衡頂管施工工藝大體分為施工準備、工作主坑施工、設(shè)備安裝，調(diào)試，試運行、頂進、中繼間頂進、掘進機接收等幾方面：

1、施工準備

施工前應(yīng)先熟悉設(shè)計圖紙，了解施工地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)，確定主坑位置。土壓平衡頂管機有多種類型，應(yīng)根據(jù)不同的地質(zhì)條件選擇適用的頂進設(shè)備，并計算后背承載力以及管段頂力等。

確定頂管區(qū)間段長度，是否使用中繼間以及中繼間的數(shù)量和布置，初始頂進的方案及措施，測量及糾偏的方法，長距離頂進減阻的方案及措施等關(guān)鍵工藝。

2、工作主坑施工

工作主坑位置的選擇應(yīng)根據(jù)管道設(shè)計、地形、地層結(jié)構(gòu)、施工環(huán)境條件等因素選定。開挖深度應(yīng)滿足頂進設(shè)備軌道高程及基礎(chǔ)厚度的要求。工作井的結(jié)構(gòu)及支撐應(yīng)根據(jù)開挖斷面、挖深、土質(zhì)條件、地下水狀況及總頂力等進行施工設(shè)計。根據(jù)施工設(shè)計搭建用于吊運和防護的工作平臺，依據(jù)管重及其他附加荷載計算選用工作平臺承重主梁。依據(jù)起吊設(shè)備能力及起吊物重量核算起重架。垂直運輸設(shè)備必須按施工中最大起吊重量選型，且符合起重設(shè)備使用的有關(guān)規(guī)定。

3、設(shè)備安裝、調(diào)試、運行

設(shè)備安裝前，根據(jù)設(shè)備的操作要求及施工方便的原則確定各設(shè)備的安裝位置、各種管線和電纜的鋪設(shè)及走向等。對設(shè)備的吊運、安裝順序進行計劃和安排。

①主頂設(shè)備底盤的安裝應(yīng)支撐牢固，防止產(chǎn)生受力變形或位移。底盤的調(diào)整的定位宜在將頂管機吊運至底盤導(dǎo)軌上后進行。

②主頂設(shè)備液壓系統(tǒng)宜設(shè)臵在主頂設(shè)備附近以便于操作，液壓軟管接頭連接清潔無污染。

③吊運完成后，調(diào)整底盤及頂管機機頭的位置、高程、中線、仰俯角、旋轉(zhuǎn)角等。

④工作井總電源閘箱及用電設(shè)備必須執(zhí)行三相五線制，且安裝漏電保護裝置，工作坑及管內(nèi)使用36V以下的照明設(shè)備；總電源的匹配大于頂管施工過程中需同時運行的全部設(shè)備功耗之和；長距離頂管時須考慮電纜的電壓降。頂管機頭內(nèi)應(yīng)設(shè)有應(yīng)急照明電源，頂管機機頭、工作坑及地面設(shè)備之間設(shè)置通訊聯(lián)絡(luò)設(shè)備。

⑤工作井內(nèi)測量儀器的基座不能固定在主頂裝置底盤、工作井后背或其他可能在頂進受力時產(chǎn)生變形或位移的基礎(chǔ)上，應(yīng)安裝在獨立的固定基座上，以減少重復(fù)移動和調(diào)整次數(shù)；宜使用激光經(jīng)緯儀或激光指向儀與安裝在頂管機內(nèi)的激光目標靶共同組成方位誤差測量系統(tǒng)，對頂進的高程的軸線誤差進行全過程的監(jiān)控。

⑥頂進時應(yīng)根據(jù)所頂管道的管徑確定安裝通風設(shè)備的位置的長度。通風設(shè)備結(jié)合管內(nèi)的工作環(huán)境條件選定，保證管內(nèi)有足夠的氧氣。

4、頂進

設(shè)備安裝、調(diào)試和試運行正常后開始正式頂進。

我們把從破洞一直到第三節(jié)砼管全部推進入土中的全過程稱之為初始頂進。在頂管施工中，初始頂進是一個至關(guān)重要的階段，它的成敗將取決于整個頂管過程的成敗。

我們把初始頂進分為以下幾步：

第一步是破洞。在破洞之前，洞口必須要有防止土體或砂層塌方的措施。根據(jù)土質(zhì)條件，加固頂管井洞口外土體時可以采用純水泥漿，也可以摻加適量的粉煤灰。在土質(zhì)均勻的黃土中頂進時，一般洞口采用磚砌封門；但是在砂土中，比較有效的是采取深層攪拌樁和高壓旋噴兩種方法，由于前者受施工場地影響，且造價偏高，所以大多市區(qū)內(nèi)施工均采用高壓旋噴來對頂管井洞口外土體進行加固。

第二步是讓頂管機入土。當封門破除后，可把頂管機刀盤開動，用主頂油缸徐徐把頂管機推入土中。這一過程中應(yīng)注意防止刀盤嵌入砂土中不轉(zhuǎn)而頂管機殼體旋轉(zhuǎn)，我們采取了控制頂進速度和在頂管機左右兩側(cè)加設(shè)角撐的辦法來防止其旋轉(zhuǎn)。

第三步是將機頭后方的兩根砼管與機頭管連接，形成一個整體，用來控制頂進段的高程和中線。至此，初始推進工作完成，此時應(yīng)停下來進行一次全面的測量，并把測量數(shù)據(jù)繪成曲線，便于分析。

在初始頂進中還需注意，應(yīng)在初始頂進的后期方可以進行正常的方向校正工作，這是因為如果當?shù)谝还?jié)砼管尚未與頂管機后殼體聯(lián)接時進行糾偏，這時頂管機的前殼體已在土中，后殼體沿在導(dǎo)軌上，糾偏時前殼體不動，后殼體則有可能偏離導(dǎo)軌，不僅起不到糾偏作用，反而會帶來更多的麻煩。在初始頂進階段若非要糾偏不可，這時也只能用糾偏油缸推出（即用糾偏油缸伸出），而不能用糾偏油缸拉（即不能用糾偏油缸縮回）。

頂進過程中的糾偏是頂管作業(yè)質(zhì)量好壞的關(guān)鍵，若操作不當，可能造成頂力驟升、管接口破損，嚴重時可能造成管道無法頂進，引發(fā)嚴重的安全、質(zhì)量事故和重大經(jīng)濟損失，尤其是在砂層中頂進，管道極易因為泥水過度沖刷造成頂管機機頭下沉，因此，對于頂進過程的糾偏顯得尤為重要。在機頭和機頭連接工具管出洞前，即使發(fā)生中線和高程偏差，也盡可能不要糾偏，因為此時糾偏，機頭連接管尚位于導(dǎo)軌上，起不到糾偏效果；機頭連接管出洞后，若高程中線在±2㎝以內(nèi)時，可不糾偏，當高程或中線超出標準值2㎝以上時，根據(jù)監(jiān)視器內(nèi)的光點位置變化趨勢進行糾偏，必須有一個提前量，糾偏遵循“先糾高程，后糾中線，

糾偏時還應(yīng)觀察監(jiān)視器內(nèi)仰俯角和旋轉(zhuǎn)角變化，作為參考數(shù)值，仰俯角和旋轉(zhuǎn)角最大偏差不得超過原始值當監(jiān)視器中光點發(fā)生顯著變化時，應(yīng)停止頂進，測量人員須下坑對經(jīng)緯儀進行重新校正復(fù)核，查找是否屬儀器被觸碰或震動所致；若不是，須進行原因分析，并會商處理辦法。

頂進工程中，操作人員應(yīng)隨時監(jiān)測監(jiān)視器各項數(shù)據(jù)的變化，并及時記錄，在分析記錄數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行糾偏。測量人員應(yīng)對激光經(jīng)緯儀進行每作業(yè)班次不少于兩次的校核，并保留校核紀錄。

5、中繼間頂進

使用中繼間接力頂進是長距離頂管的重要技術(shù)措施，隨著頂進距離的增加，管壁與土體的摩阻力隨之加大，雖然利用觸變泥漿可以減阻，但其作用畢竟有限。長距離頂管應(yīng)設(shè)臵中繼間，采用中繼間接力頂進技術(shù)，可提高一次頂進的距離，并減少工作坑，降低施工成本。

6、掘進機接收

接收井一般設(shè)在管線的檢查井位置。接收井的開挖、支撐方式與工作井類似。在有地下水地段應(yīng)進行降水處理。接收井的尺寸應(yīng)滿足頂管機與首節(jié)管子脫離后進行設(shè)備檢查、維護及吊運所需空間要求。接收坑應(yīng)預(yù)留頂管機出洞口，洞口直徑宜大于頂管機直徑10～20cm，頂管機臨近接收坑井壁1～2m時，應(yīng)調(diào)整、控制頂管機頂進速度，加密對頂管機軸線的測控。

現(xiàn)代化城市建設(shè)中，頂管施工被廣泛應(yīng)用于排水管道的施工中，而土壓平衡頂管工藝有時我們最常采用的，頂管施工與開槽埋管法相比，施工場地占用小，適應(yīng)在市區(qū)街道建筑密集的場合下施工，不需封閉道路、交通，對周圍環(huán)境、交通影響小。與普通擠壓式頂管施工相比，由于對土體的擾動小，能有效地控制地表的沉降和隆起，可大大地減小由施工所引起的道路、地下管線、建筑物的破壞而帶來的損失，有明顯的社會、環(huán)境效益。

參考文獻：

[1]葛春輝著《頂管工程設(shè)計與施工》

[2]江玉生等著《土壓平衡盾構(gòu)掘進技術(shù)》