城镇市政道路下泥水平衡式顶管机施工质量控制

杨开放 韩 治 牟雨龙 卢国营 马 勇

（中电建路桥集团有限公司，北京 100000）

1 工程概况

该项目位于台山市大江镇公益圩。计划铺设生活污水管网总长度为11200 m，其中顶管总长5050 m采用III级钢筋混凝土管。台山市属亚热带季风气候，该地常年雨水量丰富，施工点地下水位较高，其中大江镇公益圩场地内及其附近有密集的坑塘、沟渠分布，坑塘内水深0.5 m～1.0 m，北侧紧邻谭江。

2 泥水平衡式顶管施工

2.1 施工基本原理

泥水平衡式顶管施工通过顶进装置产生推力克服土体与管道间的摩阻力，将设备沿着既定的路线从工作坑行进到接收坑中，并将与顶管机相连的管道埋置在路线间完成管道施工。在顶进过程中，通过刀盘对开挖面的土体进行切削，再通过注入的泥水将弃土运送出去。注入的泥水须保持一定的压力与土层压力达到动态平衡，通过泥水包裹顶管机外侧形成一层泥套维持开挖面土体的稳定性，防止开挖面出现垮塌现象。

2.2 施工工艺流程

该泥水平衡式顶管工程主要施工步骤包括施工准备、顶管坑，接收坑施工、初始顶进、循环顶进、顶管机出洞以及顶管结束。具体施工工艺流程如图1所示。

图1 施工工艺流程图

3 施工常见质量问题及控制措施

3.1 管底高程偏差较大

在顶进完成后对顶管高程及时进行复测发现测得的高程与设计值偏差较大。

造成管底高程偏差过大的原因主要包括后背墙的力学性能、泥水压力值和管材材料3个方面：1）后背墙的刚度、强度、表面的平直度以及材质均匀性未达到顶进施工要求。2）施加的泥水压力不能有效平衡土压以及地下水的压力。3）使用的管材本身有外观质量缺陷。

由以上原因造成的管底高程偏差过大的问题，可对后座墙在材料和平整度上进行改进，在不同施工段落应对应计算出理论上的泥水平衡压力值，再在实际施工中进行修正，以及对管材质量进行把控。具体防治措施如下：1）后座墙完成后，应保证其强度能承受千斤顶的最大后坐力而不被破坏，在后座墙的材料选择上用压缩作用下回弹量小的，使其卸除荷载后能恢复原样。对后座墙进行再次找平满足其表面能垂直于顶进管道的轴线。2）针对不同施工段落应根据实际施工情况计算对应的泥水平衡压力值，再由计算结果调整泥水仓内的泥水压力，避免开挖断面土体失稳，造成超挖及高程偏差大的现象。取W～W段顶管进行计算，泥水平衡压力的计算如公式（1）所示。

式中：为泥水平衡压力；为顶部的泥水压力；为底部泥水压力；γ为水的容重，此处取9.8 kN/m；为地下水位与顶管机底部的高差，根据地勘报告此处为5.8m；为顶管机顶部与地下水位的高差，此处为5.2m；Δ为泥水仓的泥水压力高出地下水的水头差，此处为2.03m；为泥浆的容重，此处取为11kN/m；为顶管机的外径，此处为0.6m。

=0.5×[9.8×（5.2+2.03）+9.8×（5.8+2.03）+11×0.6]=77.1 kPa

由计算结果可知，对W29～W31段顶管施工时将泥水平衡压力值保持在77.1 kPa左右，顶进施工可正常运行，同理可计算出其他段落所需的泥水平衡压力。

3）管道进场应严格按设计标准进行验收和抽检，并应附带出厂的检验报告，如经验收不合格不应采用。

3.2 顶管机前进中发生姿态偏差

顶进施工中顶管机出现滚动偏差及方向偏差造成出土困难以及产生轴线偏差。

顶管机发生姿态偏差可分为滚动偏差、方向偏差和曲线段测量偏差3个方面：1）出现滚动偏差的原因，对土体进行切削中产生的扭矩与顶管机和土层之间的摩擦力矩不能达到平衡，未被平衡掉的力矩使顶管机产生滚动偏差，如果滚动幅度过大会导致激光靶不能保持在正常位置，对纠偏、测量以及出土造成不利影响，顶管轴线也会因此产生偏斜。2）出现方向偏差的原因，顶进施工中由于顶进千斤顶在各个部位设定参数时出现偏差，造成顶进方向也发生偏差。开挖面土体由于性质差异也易产生方向偏差。即使开挖中土体性质十分均匀，由于顶管机自重对其自身产生向下低头的趋势也会有一定影响。3）该项目顶进路线平面图中为避开原有建筑物基础，路线平面图有局部曲线，曲线段测量导线误差大导致行进路线出现偏差。

在顶进中可通过控制系统实时查看是否发生滚动偏差及方向偏差，当偏差发生时须及时根据发生的原因对应进行纠正。在曲线段施工时需要对测量导线的精度进行把控，防止出现人为误差，具体防治措施如下：1）发生滚动偏差时，因为刀盘正向与反向均可以进行切削作业，在超过规范允许的滚动偏差范围时，顶管机的控制系统会发出警告，此时操作人员应改变切削方向，起到反转方向纠偏作用。2）发生竖直方向偏差时，操作人员应及时减缓推进速度，并根据双光靶测量导向系统反映出的偏差值判断此时顶管机是出现磕头或者上仰的情形，加大顶部或底部千斤顶产生的力度对顶管机头部的竖直角度进行纠正。3）在发生水平方向偏差时，同样根据系统反馈的偏差值判断出顶管机此时是左偏还是右偏，并调节对应方向千斤顶的力度对水平方向进行纠正。4）在曲线段对测站的布置及顶进误差须严格控制。测量原理如图2所示。

图2 测量原理图

以曲线施工段W31-W33为例。测量距离公式如下。

式中：为最大一次测量距离；为管内径，此处为0.5 m；为曲率半径，由设计图纸查为300 m。

由设计图纸查得该段曲线弦长为32 m，所以在该段管内应增设一个测站C。在现场测量中点的坐标可由几何关系按式（3）算出。

式中：为测站到间的距离；为测站到间的距离；为测站到被测点间的距离；为直线与轴的夹角；为直线延长线与间的夹角。

再由误差公式（4）算得误差值，控制在误差允许范围内。

式中：为误差值；为被测点点向坐标到坐标原点的距离；为被测点点向坐标到坐标原点的距离；为曲率半径。

通过上述公式计算出误差值后，如果超出规范允许值，须按照先上下纠偏后左右纠偏的方法进行校正，校正时应多次微调，纠偏角度应小于1°。经过计算误差值为-2mm，满足规范要求，通过对导向点的合理布置及精度把握为施工顶进奠定良好的基础。

3.3 顶进困难

施工中出现顶管机顶进困难，顶进长度达不到预期值。

由于土体性质不同，触变泥浆注入的方法、压力不当或配比出现问题导致土体与顶管机间摩擦阻力偏大，因此导致顶进困难，无法达到预期进度。

对触变泥浆在注入方法上应根据施工情况科学选择，应先根据施工段落计算注浆压力，得到初始值，在顶进过程中根据压力监测设备进行调整。对混凝土配和比的选择应先进行对比试验，根据试验结果选择出触变泥浆性能最佳时的配合比，确定后再进行施工。具体控制措施如下：注浆孔的位置应根据实际情况合理选择，保证注入的浆液能均匀包裹住管道外壁，现场注浆过程中应做到先注入泥浆后再开始顶进作业，随着顶进过程均匀的注入泥浆并注意随时补充。压力值控制在0.3 MPa～0.4 MPa。

对不同性质的土体配置对应的触变泥浆，触变泥浆的参数见表1。

表1 触变泥浆配比（1 m³）及主要性能指标

根据现场施工情况提前计算出触变泥浆的注入压力值。取W29～W31段顶管进行计算，触变泥浆压力值计算公式如下。

式中：为触变泥浆压力；γ为水的容重，此处取9.8 kN/m；为顶管机顶部以上的水柱高，由地勘报告查得为5.2 m；为土的重度，此处取16.9 kN/m；为管道覆土厚度，此处为5 m；为土的内摩擦角，此处为4.2°；为土的凝聚力，此处为5.5 kPa。

考虑到实际施工有部分误差，实际注浆压力值取计算值的1.6倍即为0.18 MPa。同理，其他施工段计算对应的注浆压力值，根据隔膜式压力表反应的数值对压力进行监控，从而保证正常顶进施工。

对触变泥浆配合比进行试验，研究外掺剂PAM和腐蚀酸钾在不同占比条件下对触变泥浆性能的影响，根据试验确定最佳的配合比。试验开始前初始配合比定为膨润土∶CMC∶纯碱∶ PAM∶腐殖酸钾=8%∶0.1%∶0.3%∶0.05%∶0.1%。对PAM和腐蚀酸钾占比进行调整，其试验见表2和表3。

表2 触变泥浆配合比试验1（PAM含量变化）

表3 触变泥浆配合比试验2（腐殖酸钾含量变化）

试验结果如图3所示。根据试验结果可知，其他材料占比保持不变情况下，随着PMP占比增大，泥浆的析水率和失水量变化不明显，泥浆的黏度变化较为敏感，当PMP占比在0.05%时，泥浆的黏度指标处于一个较优的状态（表1），超过0.05%后泥浆黏度进一步增大，流动性降低，不利于触变泥浆发挥性能。

图3 触变泥浆配合比试验图

当腐殖酸钾占比增大，泥浆析水率无变化为0，泥浆刚开始随着腐殖酸钾占比增加黏度和失水量降低，流动性表现良好，占比增大到0.15%后，泥浆黏度和失水量无明显变化，证明腐殖酸钾在一定范围内能降低泥浆失水量和黏度，提高泥浆的性能参数。综合2个外加剂试验结果，PMP和腐殖酸钾最佳占比确定为0.05%和0.1%。

4 结论

该文对现场施工过程中在质量上容易出现的问题进行成因分析，进而解决问题。对泥水平衡压力、测站布置、触变泥浆压力值计算和触变泥浆配合比进行研究，验证了施工可靠度，并在质量控制方面提出针对性的措施，保障了顶管施工的正常作业，积累了宝贵项目经验，提升了施工质量。