泥水平衡頂管
1 泥水平衡施工工法簡介
在機械化頂管施工過程中，泥水平衡頂管施工工法作為主要的施工方式，通常情況下屬于機械化、長距離頂進施工技術。該施工技術在施工技術管理方面要求比較高，主要表現為：嚴格操作頂管設備，科學合理地選擇和計算施工工藝參數等。在長距離、地質條件復雜的環境中，泥水平衡頂管施工方法是最為優越的施工方式之一。
1.1 泥水平衡施工工法特點
通常情況下，泥水平衡頂管施工工法主要采用機械掘進技術，其特征主要表現為：被切削的土壤被刀盤送入到泥水倉，具有一定濃度的泥水，在送水泵的作用下，被輸送到挖掘面，經過刀盤的充分攪拌后，泥水通過排泥管道被排泥泵送到地面的泥漿池，泥水經過一系列的沉淀或分離，進而在一定程度上可以重復使用，剩余的殘渣被運走：在掘進過程中，通過刀盤以及頂速平衡正面土壓力，進而對循環水的壓力進行調節，在一定程度上對地下水壓力進行平衡；切削入泥倉的土體通過采用流體進行輸送，不能中斷頂進過程，施工速度一定要快；不需要對土質進行改良或者是進行降水處理，施工后地表出現較小的沉降。通常泥水平衡頂管的主要設備有：挖掘機、主頂設備、測量設備、井內旁通、控制系統等；輔助設備包括：泥水處理設備、注漿設備、中繼間等。
1.2 泥水平衡施工工法工藝原理
作為一種頂管施工工法，泥水平衡頂管施工技術通常情況下是充分利用泥水壓力，進而在一定程度上對土壓力和地下水壓力進行平衡處理。其基本原理是：具有一定濃度的泥水經送水泵到達挖掘面，然后通過井內旁通壓力調整閥，或者是通過調整排泥泵轉速的方式，進一步對水壓力的大小進行調整，進而在一定程度上對地下水壓和挖掘面土壓力進行平衡，確保掘進機刀盤工作在平衡壓力下，在一定程度上避免挖掘面失穩，進而導致地面出現沉降和隆起。
2 施工組織及任務劃分
2.1 施工組織原則
在勞動組織方面，結合頂管穿越施工的實際情況，同時結合本標段的實際工程量和工期，進而對各項資源進行合理配置，進一步成立相應的施工作業機組。通過動態的方式對施工作業機組的人員、機具配置等進行管理，一方面確保任務按期完成，另一方面確保施工的連續性。進而在一定程度上減少現場高峰的人數，避免出現窩工現象。同時對其它隊種進行合理的配置，在一定程度上確保工程施工全面、有序地進行，滿足施工要求。
2.2 施工階段劃分
穿越工程施工分為三個階段：前期準備階段、施工階段、驗交階段。
?、偾捌跍蕚潆A段：各項工作按照“施工準備工作計劃”來進行，進一步為施工創造條件。②施工階段：總體分為二個階段進行控制。第一階段組織管道焊接、工作井制作。第二階段頂混凝土套管、工作管試壓、穿越工作管。③驗交階段：地貌恢復、水工保護，達到中間驗收條件。
3 工程施工方案
3.1 施工準備
?、俅┰绞┕で笆┕挝粎f助業主辦理穿越施工土地手續。②籌備穿越前的材料、設備、人員的籌備和到場計劃。③做好施工圖紙會審、技術交底工作，同時完成穿越施工方案等文件的編制和審批工作。④修筑臨時施工便道。
3.2 測量放線
?、俳柚鷥x器開展測量放線工作，在使用儀器前，需要經過法定檢驗部門的檢定，經過檢定合格，同時在有效期內才能進行使用。②對于設計圖紙，需要經過放線，同時作出明顯的標記。并且，應根據施工方案確定的工作井及組焊場地的位置、幾何尺寸和施工場地平面布置，一并放線標記。③測量控制樁，經過放線驗收合格后，對測量控制樁通過采取必要措施進行相應的保護。④與沿線地方部門進行協調和變更：在放線過程中，需要與有關部門加強聯系，進而在一定程度上取得管線穿越地下障礙物、經濟作物區等的通過權。⑤移樁：完成劃線后，對施工作業帶進行清掃，同時將控制樁保留在原位，如果難以保留樁位，需要平行移動管線樁。
3.3 作業帶清理、施工便道修筑
穿越段作業帶清理時，利用挖掘機、推土機和人工配合完成。作業帶寬度根據穿越段管溝開挖深度及施工放坡確定。北側頂管作業帶寬度按40m考慮，另外設置一個40m×40m的混凝土管堆放場地和一個20m×30m的泥漿坑。
3.4 工作井修筑
?、俟ぷ骶恢玫倪x擇應根據管道設計，地形、地層結構、施工環境條件等因素選定，本次頂管選擇在北側作業帶內制作工作井。②工作井的開挖深度應頂進設備軌道高程及基礎厚度的要求，本次頂管混凝土套管管底設計埋深4米，加上導軌及工作井基礎，工作井深度為4.8m。③工作井邊緣20m范圍內圍擋，工作井直徑7.5m。④根據設計單位提供的地質報告及定力計算決定采用鋼筋混凝土工作井，并在工作井內設集水坑，方便排水。⑤在工作井的前壁上，需要預留相應的頂管入土洞口，并且洞口中心與管道中心保持重合，與頂管機刀盤直徑相比，洞口直徑要超過其2-5cm。⑥根據施工設計用于吊運和防護的工作平臺，工作井上的平臺孔口的尺寸滿足管子及棄土吊運空間所需。⑦工作井應設防雨棚，有良好的施工照明條件。
3.5 設備安裝
?、僦黜斣O備底盤的安裝應支撐牢固，防止產生受力變形或位移。底盤的調整的定位宜在將頂管機吊運至底盤導軌上后進行。②為了便于操作，需要在主頂設備附近設置主頂設備液壓系統，同時需要保持液壓軟管接頭連接的整潔性。③完成吊運后，需要對底盤、頂管機機頭的位置、高程、中線、仰俯角、旋轉角等進行相應的調整。④長距離頂管時須考慮電纜的電壓降，頂管機頭內應設有應急照明電源，頂管機機頭、工作井及地面設備之間應設置通訊聯絡設備。⑤工作井內測量儀器的基座不能固定在主頂裝置底盤、工作井后背墻或其他在頂進受力時產生變形或位移的基礎上，應該安裝在獨立的基礎上，以減少重復移動和調試次數。⑥泥水分離系統及注漿系統應安裝在地面上適當的位置，符合方便投料和排放所需落差的工藝要求。⑦頂進時應根據所頂管道的管徑確定安裝通風設備的位置的長度，通風設備結合管內的工作環境條件選定，保證管內有足夠的氧氣。 3.6 機頭孔制作
在破孔之前，采取措施對洞口進行處理，進而在一定程度上防止土體或沙層塌方。如果頂進發生在土質均勻的粘土上，通常情況下，對洞孔采用磚砌封門；但是依據本工程的地質條件來看，封口選用高壓旋噴的方法施工，高壓旋噴樁機體積小，加固土體效果理想，加固口洞外土體采用純水泥漿，正常氣溫養護周期7-10天，此做法固砂防滲的效果都非常好。
3.7 初始頂進
?、倨贫?，調整好頂管機機頭的位置、高程、中線、仰俯角、旋轉角等參數后就可以進行破洞。②頂管機入土，在洞后，啟動頂管機刀盤，將頂管機通過主頂油缸緩緩推入土中。③連接機頭后方的兩根砼管和機頭管，進而在一定程度上構成一個整體，進一步對頂進段的高程和中線進行控制。④至此，完成初始頂進工作，這是需要進行全面的測量，同時將測量數據繪成曲線，進而為分析提供方便。
3.8 泥水控制
?、倭魉倥c流量。對于泥沙來說，如果流速太小，那么在管內就會造成沉積，進而在一定程度上造成管道堵塞，如果有較大的顆粒出現在排水泥沙中，當粒徑超過排泥管內徑的1/3時，就會增加排除的難度，為了確保管道的通暢性，需要將流速大于某一定值，該值為流速的臨界值，當排泥管公稱直徑為100MM時，其臨界流速為2.2-2.4M/S，而流量Q為：
Q=V*S
=（105.3/2*10-2）2*π*（2.2～2.4）
≈0.019～0.021m3/S
=1.15～1.25m3/min
?。?05.3為公稱直徑100mm管的實際內徑）
為了保險，而實際流速大于臨界流速，取Q≥1.4m3/min
?、谀嗨畨河嬎?。泥水壓由排泥管總長度和挖掘面地下水壓力決定
L=L1+L2+△L+H1+H2
L：排泥管最大長度
L1：推進最大距離
L2：工作井到沉淀池距離
L：由閥，彎頭引起損失折算成的長度，一般取10～
20m。
H1：工作井深度
H2：沉淀池排泥口到地面高度
揚程損失HF2=L*△HF2
HF2：每米揚程損失，取0.075～0.106
損失壓力：△P=ρg HF2
其中ρ：泥水密度 g：重力加速度
泥水壓力：P=PW+△P+（0.1～0.2）
PW：地下水壓力
覆土淺取0.1，在覆土深，地下水位高時取0.2。
?、勰嗨疂舛?。根據地質情況，如果土層的滲透系數比較小，泥水比重控制在1.05；反之，無法建立泥水壓力，進而難以實現排泥，為了防止壓力水滲入透土層中，需要適當增加泥水的濃度，通常情況下，將泥水比重控制在1.10 ～1.20，在挖掘面上快速形成泥模，進而在一定程度上使泥水壓力有效控制挖掘面，隨著泥水的循環利用，在循環過程中，粘土會出現損失，這時需要向循環水中添加粘土或膨潤土。
3.9 測量與監控
3.9.1 監視高程及中線誤差
?、偻ǔＧ闆r下，通過建立地面及地下測量控制系統對泥水平衡頂管施工進行測量，同時在不易擾動、視線清楚、方便校核、易于保護處設置控制點。②為了動態監測前端頂管機偏離軸線，進一步提高施工測量的效率，進而在一定程度上適應機械化頂管技術，所以采用激光導向對泥水平衡頂管進行監控。③在頂進過程中，將激光測量數據作為判斷前端頂管機高程及中線誤差的參考依據。在缺乏施工經驗的情況下，高程和中線誤差的校驗測量通過使用水準儀和經緯儀來實現。④在工作間隙，使用水準儀和經緯儀對頂管機進行測量，在糾偏過程中通常情況下需要增加測量的次數。⑤一節管子頂進完成后，對管中心線盒的高程進行一次測量。
3.9.2 監控地面降沉情況
?、賹敼苁┕み^程中，監控地面隆起情況，監控應符合下列要求。②在施工影響區域外設置監控基準點，同時具有良好通視與防干擾條件。③沿頂管機前進軸線方向對稱安排布置隆沉觀測點，結合初始頂進試驗確定具體布設尺寸。④對需要保護的建筑物、構筑物等應設監控點。⑤對已完成的管段應繼續進行隆沉觀測，觀測間隔時間按控制測量方案確定。
3.9.3 數據記錄與反饋
準確填寫頂管施工過程中每次及最終測量數據，形成完整的測量記錄。每次測量、監控的軸線誤差與地面隆沉數據，并及時進行糾偏。
3.10 糾偏
?、僭陧斶M過程中，頂管作業質量受到糾偏的影響和制約，如果操作不當，在一定程度上可能導致頂力驟升、破壞管接口，甚至導致管道無法頂進，進而在一定程度上引發嚴重的安全、質量事故和經濟損失，在砂層中頂進尤為突出，在泥水過度沖刷的影響下，管道極易導致頂管機機頭下沉，因此，糾偏對于頂進來說顯得尤為重要。②在機頭和機頭連接工具管出洞前，即使發生中線和高層偏差，也盡可能不要糾偏，因此此時糾偏，機頭連接管尚位于導軌上，起不到糾偏效果。③在監視器中，當光點發生的變化非常顯著時，必須中斷頂進，這時測量人員需要下坑重新校正復核經緯儀，查找是否屬儀器被觸碰或震動所致；如果不是，需要對原因進行認真分析，并且組織人員開會，進行協商。④在頂進工程中，作為操作人員需要對監視器各項數據的變化進行隨時的監測，并且進行及時的記錄，進而在對記錄數據進行分析的基礎上進行相應的糾偏處理。⑤頂管過程中，頂管各項數據值需要由操作人員進行記錄，應該準確、清楚、完整、及時地記錄頂進數據，頂進記錄每頂進一根管子記錄數據不得少于一次，每班次不少于6次。
3.11 觸變泥漿與填充注漿
3.11.1 加注觸變泥漿
?、倥c頂進管子外徑相比，通常情況下頂管機外徑要大2～6cm，注漿后，使土體與管子間在一定程度上形成10～30mm的泥漿環。②每個注漿面上注漿孔的數量通常情況下需要根據管道的直徑、土質條件、計算注漿量等進行相應的確定。③從頂管機后的第1、2節管開始進行注漿，并且在一定程度上通過控制注漿分閘門，在頂進過程中使管道的前端始終得到注漿的補充。④通過后續管子在頂進過程中對補漿孔進行補漿，土質、頂速等在一定程度上影響和制約補漿孔的間距和數量，通常情況下相隔2～5節管子布置補漿孔。⑤受管道上方土體的塌落程度、土體的滲透系數以及注漿管路沿程壓力損失等因素的影響和制約，在一定程度上使得注漿壓力存在差異。⑥以平穩的工作壓力連續注入漿液。⑦防止漿液竄入管道內。⑧在管道上方覆土的承壓能力控制注漿壓力的上限。 3.11.2 填充注漿
頂管終止頂進后，應向管外壁與土層間形成的空隙，或減阻觸變泥漿層進行填充、置換，保障被穿越的地面構筑物安全。注漿應符合下列要求：
?、賾晒軆染鶆蚍植嫉淖{孔向外側空隙壓注漿液；注漿應與地面監控相配合，應采用多點注漿將管道與土層的間隙充分填滿，注漿量宜按計算空隙體積的150%控制。②注漿壓力應根據管頂覆蓋土層的厚度計算或試驗確定，宜為0.1～0.3MPa，砂卵石層宜控制在0.1～0.2MPa。③注漿結束后，應在規定時間內將注漿孔封閉。
3.12 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。長距離頂管應設置中繼間，采用中繼間接力頂進技術，可提高一次頂進的距離，并減少工作井，降低施工成本。
?、僦欣^間應符合下列要求：a具有足夠剛度、卸裝方便，在使用中具有良好的連接性和密封性；b中繼間的設計最大頂力不宜超過管子承壓面抗壓能力的70%。②中繼間應在主頂設備頂力達到中繼間設計頂力的3/4前使用。③中繼間的液壓設備與工作井頂進設備宜集中控制。頂進時，距離頂管機最近的中繼間先頂，其他的中繼間保持不動，在所有中繼間依次完成頂伸后，工作井內主頂千斤完成最后的頂進作業。
3.13 頂管機接收
?、俳邮站话阍O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。在有地下水段應進行降水處理。②接收井的尺寸應滿足頂管機與首節管子脫離后進行設備檢查、維護及吊運所需空間要求。③接收井應預留頂管機出洞口，洞口直徑大于頂管機直徑10～20cm。④頂管機臨近接收坑井壁1～2m時，應調整、控制頂管機頂進速度，加密對頂管機軸線的測控。
3.14 工作管穿越
?、夙敼苁┕ね瓿珊?，將預制完成、試壓合格、防腐合格的管段安裝絕緣支架，并將管口用6mm厚鋼板焊接密封。②工作井破碎：為了防止工作井整體破壞導致周圍土壤坍塌，回淤套管，所以采用局部破井的方法。用無齒鋸將靠背墻與井壁割開，再用油錘把井壁與靠背墻搗碎，使用氣焊將混凝土內鋼筋切割掉，然后用挖掘機將廢料取出。在工作井破碎過程中，需使用兩臺挖掘機配合油錘破碎作業。③引溝開挖：沿著管道中心線開挖穿管引溝，引溝長度120m，深度4m。通過現場踏勘情況、在作業帶附近管溝開挖現場的實際情況以及起重設備的吊距，先降低地面標高1.5m，然后開挖引溝。④芯管預制11根，總長約132km，穿管設備采用4臺70t吊管機、2臺40t吊管機和2臺240挖掘機。
3.15 地貌恢復
?、賹τ捎谑┕に斐傻牡匦?、地貌將有所改變的地段，首先進行拍攝、建檔，作為以后恢復的依據。②在管溝開挖時將地表耕土與生土分開堆放。在管溝回填時，按照設計的要求，逐層、逐步進行回填。③沿線施工時破壞的擋水墻、田埂、排水溝、便道等地面設施回填后要按原貌恢復。④工作井及接收井恢復時要逐層回填，分層夯實，盡量加大土壤密實度。
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