⾼地下⽔位下顶管施⼯⽅法及措施分析⾼地下⽔位下顶管施⼯⽅法及措施分析 汪帆
（福州市建委灯管办）
【摘要】
【摘要】本⽂以闽江沿岸南江滨⼤道污⽔管道⼯程为背景，对⾼地下⽔位地质条件下的顶管施⼯⽅法进⾏简要分析，并详细叙述了应对⾼地下⽔位地质条件下，采取的不排⽔沉井、安装⽌⽔圈、洞⼝⼟体防⽔加固施⼯措施和穿越河道⽀流时的有关控制措施。 【关键词】⾼地下⽔位；顶管；施⼯；措施
【关键词】
1 ⼯程概况
福州市南江滨东⼤道及绿化等配套⼯程项⽬位于闽江南江滨⼤道，其污⽔管道⼯程管径为1400mm，采⽤钢筋混凝⼟管，总长1400m，管道埋深覆⼟深度4～6m。场地内陆层主要由杂填⼟、淤泥质⼟、中砂
单人被、淤泥、粉质粘⼟、坡积粘性⼟、残积粘性⼟、全风化花岗岩、砂⼟状强风化花岗岩和微风化花岗岩等组成，据调查，场地地下⽔位⾼，近3～5年最⾼地下⽔位埋深为0.20m，历年地下⽔最⾼地下⽔位埋深为0.10m。
施⼯现场场地紧邻闽江，位于下游地段，地质情况复杂，场地的地下⽔与地表⽔有密切的⽔⼒联系，⽔位⾼，⽔量⼤，地下⽔压⼒变化较⼤，施⼯段⼟质夹杂淤泥，稳定性较差，管道埋深较深，且管道路径上需穿越闽江⼀条⽀流和铁路桥，开挖埋管难以施⼯，应采⽤⾮开挖施⼯；结合现场的地质情况和周围环境条件，确定采⽤泥⽔平衡式顶管施⼯⽅法。
2 顶管施⼯⽅法
2.1 泥⽔平衡顶管
泥⽔平衡式顶管是通过进⽔管向顶管机⼑盘后的泥⽔舱内供给⼀定⽐重、⼀定黏度、⼀定压⼒的粘⼟及其他添加剂和⽔混合⽽成的泥⽔，让其在顶管机挖掘⾯上形成⼀层泥膜，并以泥⽔舱内泥⽔的压⼒来平衡挖掘⾯上的⼟压⼒和地下⽔压⼒，同时⼜通过排泥管把顶管机⼑盘切削下来的⼟砂变成泥⽔输送到基坑地⾯上的⼀种顶管施⼯⼯法[1]。对地下⽔位很⾼、地下⽔压⼒变化较⼤的地层，泥⽔平衡式顶管施⼯⼯法具有技术先进、平衡效果好、⼟质适应性强、地表沉降少等优越性。具体⼯艺流程见图1。
图1 ⼯艺流程图
2.2 顶⼒估算
本⼯程使⽤的是外径1720mm的泥⽔平衡顶管机，因⼟质参数⼤致相同，取顶管机外径和最⼤单元长度（最长150m）进⾏顶⼒计算。顶⼒估算参考《给⽔排⽔⼯程顶管技术规程》
（CECS246:2008）计算：
顶⼒F=F1+F2
式中：
F——总阻⼒；
F1——顶管正⾯阻⼒；
F2——外壁摩阻⼒。
F1=п(D2/4)γH
式中：
D——顶管机外径，取1.72m；
γ——⼟的重量，取1.9t/m3；
H——地⾯⾄掘进机中⼼的⾼度取值7m。
F2=πDfL
式中：
f——管外壁与⼟的综合磨擦阻⼒，按地质勘察报告取0.50t/m2；
D——管道外径，取1.72m；
L——顶管顶距取150m。
当然，根据设计及地质资料进⾏理论计算可能与实际存在偏差，所以中继间的布置可以根据具体施⼯时管道的实际推⼒进⾏调整。为了完全满⾜顶⼒计算结果要求，采⽤了四个200t的等推⼒油缸，考虑到顶管中触变泥浆减阻，未增加额外的中继间；实际本⼯程顶管中顶⼒⼀直未超过理论计算值。 2.3 泥⽔平衡系统
视讯系统泥浆系统的作⽤是为了平衡地下⽔和送⾛被挖掘机的渣⼟。泥浆系统主要由泵和密封管道构成，泥⽔在机头循环形成了泥浆混合物，通过排泥管排到设在地⾯沉淀池内，经过⼀定时间，较⼤颗粒⾃然沉淀在底部，抽出上层清⽔送⼊机头重复使⽤，下层泥浆可分离出来进⾏处理。挖掘粘⼟时泥浆有⼀定粘合度，可直接排进泥浆池，但挖掘沙⼟时，为了达到排渣的⽬的，必须添加⼀定的粘合剂（诸如膨润⼟等）来增加泥浆粘度。泥浆系统中的泥浆池要靠近⼯作井，这样可减少由于排泥管路过长⽽产⽣的管路摩阻⼒。
为保证掘进时开挖⾯稳定，在泥⽔仓内输⼊的泥⽔压⼒应⽐机头掘进出⼟层的地下⽔压⾼。掘进过程中要经常关注压⼒仪表和排泥处⽔头变化，如⽔头增⼤说明地下⽔压⼒增⼤，这时应采取调整顶进压⼒、减⼩泥⽔泵压⼒或调控阀门⼤⼩的措施来保持挖掘⾯稳定。还要经常检查排出泥⽔浓度、密度和所含的物质，检查对照排泥泵的流量计压⼒正不正常，若排泥量过⼩则会淤积堵塞排泥管，排泥量过⼤则造成挖掘⾯失衡。 2.4 纠偏
调光镇流器纠偏的⽬的是为了保证顶进轴线始终处在设计轴线允许偏差范围内，本⼯程采⽤的是激光经纬仪。通过在顶进过程中密切注意激光点的偏向进⾏顶管位置测量。顶进施⼯中，操作⽅法要严格按勤测量、勤纠偏、⼩纠偏的控制执⾏，控制管道轴线在允许偏差范围内。主要做法是不断观察各种指⽰仪表和
机头的轴线位置，及时纠正管道轴线⽅向，同时根据⼟压⼒⼤⼩对顶进速度进⾏调整。纠偏过程中主要是运⽤⼯具管头的纠偏机械或靠⼈⼯实⾏纠偏，⽽⼯具管则是纠偏重要的⼯具，其纠偏的好坏直接影响到顶管⼯程质量。
2.5 触变泥浆减阻
触变泥浆减阻是在顶进过程中，通过顶管机尾部的同步注浆与管道上的预留孔向管节外壁和周围⼟体的空隙压注⼀定数量的减摩泥浆，达到减⼩管节外壁和⼟体间摩阻⼒、降低顶进时阻⼒的效果。在管节外壁能否形成完整的泥浆套，将直接影响到泥浆的减摩效果。触变泥浆在管壁和砂层间形成⼀层不透⽔的防⽔层，有利于施⼯和使⽤阶段的防⽔，可以避免泥沙涌⼊，减少顶管周围⼟壤扰动，使顶管顺利进⾏[2]。本⼯程减摩泥浆采⽤膨润⼟、CMC、纯碱和⽔按⽐例配⽅组成，浆液配⽐为膨润⼟:⽔：纯碱:CMC粉末化学浆糊=400:850:6: 2.5，该浆液性能稳定，有良好的触变性和⼀定的稠度，对⼟层能起到⼀定的⽀撑作⽤，适合砂性⼟、⾼地下⽔地质，施⼯中使⽤的效果较好。
3 应对⾼⽔位采取的施⼯措施
由于闽江下游地下⽔位⾼，地下⽔位随潮汐涨落，顶管施⼯会碰到很多困难，特别是⾼地下⽔位对沉井施⼯、顶管机进出洞时造成的施⼯困难，应制订可靠的应对措施予以解决。
箱包手把3.1 不排⽔沉井
场地紧邻闽江，场地的地下⽔与地表⽔有较密切的⽔⼒联系，地下⽔位⾼，⽔量⼤，确定沉井采取分节制作、不排⽔分次下沉、⽔下混凝⼟封底的施⼯⽅案。沉井分三次预制，⼆次下沉，采⽤抓⽃机械配以⾼压⽔冲刷挖⼟的⽅法进⾏施⼯。⾼压⽔冲刷挖⼟⽤由⾼压⽔通过⽔
耐高温防爆玻璃冲刷沉井井底的⼟层，形成⼀定稠度的泥砂浆，然后⽤吸砂机将泥砂浆⽔抽出，使井底⼟层形成锅底状，让沉井在重⼒作⽤下克服阻⼒下沉。为保证沉井外泥砂不⼤量漏进井内⽽引起井外塌陷，施⼯中除会流⽔外，必要时往井内补⽔，保证井内⽔位⾼于地下⽔位1～2m，形成压⼒⽔。
沉井到位后保持井内⽔位和地下⽔位平衡，在⽔下浇筑混凝⼟封底。封底前应将基底的浮泥沉积物清除⼲净，并往井内注⼊清⽔，使井内⽔位不低于地下⽔位。为防⽌浇灌混凝⼟时砂⼟涌起于⽔下混凝⼟混合，在锅底预先铺⼀层块⽯镶碎⽯垫层缓冲。⽔下混凝⼟封底的浇筑顺序应从低处（锅底）开始，逐渐向导管周围扩⼤。封底不得间断，⼀次灌注完毕。在⽔下封底混凝⼟的强度达到设计规定、且沉井能满⾜抗浮要求时,⽅可将井内的⽔抽出，并检查封底质量。
3.2 洞⼝安装⽌⽔圈
顶进前，在⼯作井内洞⼝处先安装⼀道环形橡胶⽌⽔圈，既能防⽌洞⼝处的⽔⼟沿⼯具管外壁与洞门的间隙涌⼊⼯作井，⼜可在顶进施⼯过程中防⽌减摩浆从间隙处流失，达到保证泥浆套的完整、减⼩顶进阻⼒的效果。⽌⽔圈由橡胶圈、预埋螺栓和钢压环组成，结构如图2。
图2 洞⼝⽌⽔圈结构
⑴前⽌⽔墙；⑵预埋螺栓；⑶橡胶⽌⽔圈；⑷压板
3.3 进出洞洞⼝⼟体防⽔加固和机头加固
根据顶管进展情况，为保证掘进机进出洞⼝时的安全，防⽌顶管机进出洞时⽔⼟沿⼯具管与井圈之间的建筑空隙涌⼊接收井内，对出洞⼝直径范围内⼟体进⾏⾼压喷射钻孔灌浆加固改良。对处于⾼地下⽔位的井位进出洞⼝采⽤四排⾼压喷射钻孔灌浆桩，其余井位采⽤两排桩，单重管注浆，桩径采⽤500mm，注浆压⼒22.5MPa，桩之间的搭接长度50mm，呈梅花型布置，加固范围洞⼝上⽅2.5m，洞底下⽅2.5m，宽度为洞⼝四周距管道外侧2～3m。⽔泥采⽤42.5级普通硅酸盐⽔泥，为保证注浆形成桩体的强度，顶管机进出洞应在注浆完成14d以后才开始。
在机头进洞时因⼟体是主要由淤泥、砂构成，地下⽔位⾼，结构松软，地基的承载⼒差，容易因正⾯应⼒的突降⽽造成前⼏节管节的脱节，为了保证机头顶进不下沉，在进洞时将机头与后⾯的五节管道⽤拉杆牢固连接成为⼀个整体，同时⽤两个⼿拉葫芦在导轨上间隔⼀⽶拉紧，使得机头沿导轨⽅向顺利顶进。
实际施⼯中，顶管机进出洞过程顺利，没有⼤量泥沙涌进井内，确保了顶管施⼯安全。
3.4 穿越闽江⽀流及池塘（薄覆盖层）时的控制
该污⽔管道线路在跨闽江⽀流及其相连的池塘段，⽀流河底标⾼仅⽐顶管管道顶部⾼出2m，⼩于规范中要求的最⼩⾼度，容易造成顶管过程中“抬头”现象。因此，在施⼯过程中采取了在顶管经过的河道和池塘上抛砂袋和⽯块进⾏预压，增加顶管上⽅覆盖层的厚度；并且在顶管顶到该段时，在垂直⽅向上增加⼀个向下俯⾓，该俯⾓的⾓度应进⾏详细计算和严格控制。在实施上述控制措施后，顶管顺利通过该段，未发⽣异常现象。
4 结语
滨江地区地质复杂，地下⽔位⾼，在管道施⼯中采⽤泥⽔平衡顶管技术⽐较适应，本⼯程采⽤的顶管施⼯减少了对河堤驳岸的影响，对沿线房屋和公共管线起到了很好的保护作⽤，在施⼯过程中根据现场实际发⽣情况，制定切实可⾏的施⼯⽅法，采取了相关施⼯措施，克服了由⾼地下⽔位给顶管施⼯带来的困难，保证⼯程的质量安全。但该⼯程顶管施⼯中出现了硬质铁板泥砂，
⼟质变化与详勘不符情况，致使机头阻⼒增⼤、⼑盘磨损加快，因此，今后类似⼯程施⼯前，建议进⾏更详细的加密勘测，并需保证顶管设备的可靠性。●
【参考⽂献】
二期恒载
[1]孟宪翚，庞德刚，杨敏，蒙毅，彭艺艺.复杂地质条件下污⽔管道顶管施⼯技术的选择与应⽤[J].中国给⽔排⽔,2016,32(8): 134-138.
[2]周占学，李永利，马国庆.⾼地下⽔位⾼透⽔地质条件下的顶管施⼯技术[J].中国给⽔排
⽔,2012,28(10):107-108.
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