泥水平衡顶管施工工法
1. 前言
机械式泥水平衡顶管掘进机从结构原理上能够保证安全、优质、高效地完成在砂土、
粉质粘土及两层土体之间的顶进施工任务。该类掘进机的构造是在掘进机的前部设置一隔
板，形成泥水压力仓；能够预设刀盘压力、可根据土体压力大小自动伸缩、极限位置能够自动报警的切削刀盘，安装在掘进机的前端；刀盘切土口的增减具备手动或根据刀盘的伸缩量
自动增大或减小，可随时调节切削量。
2. 工法特点
2.1可有效保持挖掘面的稳定，对管体周围的土体扰动较小，因此施工引起的地面沉
降也较小。
2.2与其它顶管方法比较，施工时总推力较小，且可长距离输送泥土。
2.3不影响地下各类管线，不影响道路交通及地面建筑物安全；可长距离顶进，无环
境污染。
3. 适用范围
本工法适用于粘土、粉质粘土、砂质粉土、中细砂、砂砾的地层中顶管施工，也适用
于地表沉降要求严格的部位顶管施工。
4. 工艺原理
4.1土体的平衡原理。
顶管掘进机正常工作时，刀盘按预先设定的压力紧贴在被切削的土体断面，在后方顶力作用下一方面旋转切削土体，一方面向前推进维持土体的平衡。顶进中如果土体硬度增大，顶速不变时，刀盘受到迎面阻力大于预设定的刀盘压力，刀盘渐渐向后缩回，保持刀盘对土体的压力不变。在刀盘缩回时，刀盘的切土口自动增大，切削土体的量增大，土体对刀盘的
压力减小，土体压力增大，刀盘仍然以预设定的土压力与土体在新位置保持平衡。配合手动调节刀盘切土口和预设压力大小的调节功能，可以使土体侧压力得到非常精确的平衡。停机时手动关闭切土口，刀盘仍然保持预定压力紧贴土体，并且将泥水仓与开挖面隔离。无论土体过软或过硬，当自动调节范围到达极限值时，刀盘报警装置报警，提醒操作人员注意，通
过调节顶速，重新设定刀盘压力等手段，使土体维持新的平衡。
4.2土层中地下水的平衡原理。
向开挖仓注入一定压力的泥浆，该泥浆除能够将土层中的颗粒带走外，通过控制出泥流量的大小，就可以简单而准确地控制泥水仓中的水压力，平衡地下水。
5. 施工工艺
5.1工艺流程。
测量放线→工作井施工→装配式后背墙安装→导轨安装→主顶千斤顶安装→油泵安装→顶铁安装→进出洞施工及密封→管道顶进→出土
5.2测量放线。
布设临时水准点和管道轴线控制桩，施工放线时，可每隔20m设中心桩，另外在检查井处应设置中心桩，必要时应设置控制桩。
5.3工作井施工。
5.3.1在工作井上口预留槽口内安装钢筋砼预制板，槽口内要座浆饱满，板缝要按规
定勾缝。在预制板预留口处砌砖墙，所有砖要浸透水，砌筑时应满铺、满挤，上下搭砌，水
平灰缝厚度和竖向灰缝宽度应均匀，不得有竖向通缝。
5.3.2在砌筑检查井时，应同步安装踏步，位置要准确，踏步安装后在砌筑砂浆未达
到规定抗压强度前不得踩踏。
5.3.3井内壁设计规定要求封面时，应分两层抹成，第一道抹成后刮平并使表面造成
粗糙纹；第二道砂浆抹干后，应分两次压实抹光。浆与基层之层间应粘结紧密牢固，不得有
空鼓及裂纹等现象。
5.3.4抹面平整度不应大于15mm。抹面砂浆凝固后，应保持湿润养护，养护时间不
少于14d。
5.4装配式后背墙安装。
5.4.1装配式后背墙采用方木、型钢和钢板等组装，组装后的后背墙应有足够的强度
和刚度；后背土体必须均匀密实，壁面应平整，并与管道顶进方向垂直；后背土体壁面应与
后背墙紧贴，有孔隙时应采用砂石料填塞密实。
5.4.2装配式后背墙的底端在工作坑底以下500mm，从而使后千斤顶着力中心高度不
小于后背方木高度的1/ 3，这样能使着力点与墙后被动土的合力点保持一致，有助于减少后背的倾斜。
5.4.3装配式后背墙垂直度允许偏差为0.1%装配式后背墙高度，水平扭转度允许偏差
为0.1%装配式后背墙长度。
5.5导轨安装。
5.5.1导轨安装时和工作井底板预埋钢板焊牢，并用型钢支撑或用混凝土围牢。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。
5.5.2导轨必须符合中线、高程的要求，且在安装后和顶管前，其轴线位置、高程等
必须进行验收，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。
5.5.3导轨端不能距工作壁太远，一般应控制在500mm左右，导轨安装时预留缝高度以100～150mm为宜，导轨以水平安装为佳，特别在软土中顶进，不能带坡操作。
5.5.4每进完一节管子应校对导轨高程、中线及水平，并随着管道顶进荷载的变化及
时校正导向轨。
5.6主顶千斤顶安装。
5.6.1千斤顶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。
5.6.2千斤顶固定在支架上，其合力的中心点在管道中心线上；千斤顶的油路应并联，
每台千斤顶应有进油、退油的控制系统。
5.6.3千斤顶的位置宜位于管道垂直直径的1/3～1/4处，使千斤顶合力位置和顶进抗
力的位置在同一轴线上，避免产生顶力偶，使管道发生高程误差。
5.7油泵安装。
5.7.1油泵设置在千斤顶附近，油管宜顺直、转角少；油泵应与千斤顶相匹配，并有
备用油泵；油泵安装完毕，进行试运转。
5.7.2顶进开始时缓慢进行，待各接触部位密合后，再按正常顶进速度顶进；顶进中
若发现油压突然增高，立即停止顶进，检查原因并经处理后方可继续顶进；千斤顶活塞退回时，油压不得过大，速度不得过快。
5.8顶铁安装。
5.8.1顶铁应有足够的刚度，宜采用铸钢整体浇铸或采用型钢焊接成型；当采用焊接
成型时，焊缝不得高出表面，且不得脱焊。
5.8.2单行纵向顶铁中心线与管道轴线一致；双行纵向顶铁的两条中心线要平行，并
与管轴线距离相等，且要垂直于管端平面。
5.8.3顶铁的相邻面互相垂直，顶铁上有锁定装置，顶铁放置时应能保持稳定。
5.8.4纵向顶铁与管端面相接触时，必须使纵向顶铁着力点高度位置位于外直径1/ 3～
1/ 4 处，以防止着力点太高造成前管低头。
5.8.5当顶力较大时，管端面应加弧形顶铁钢板，以增大管端的受力面积，改善其受
力情况，防止管子在顶力过大时损坏。
5.8.6更换顶铁时，先使用长度大的顶铁，顶铁拼装后应锁定。
5.8.7顶铁与管口之间应采用缓冲材料衬垫，当顶力接近管节材料的允许抗压强度时，
管端应增加环形顶铁。
5.8.8顶进时，工作人员不得在顶铁上方及侧面停留，并随时观察顶铁有无异常迹象。
5.9进出洞施工及密封。
5.9.1设备安装完毕后应对全套顶进设备做一次系统调试，在确定顶进设备运转情况
良好后，开始顶进工作。
5.9.2长距离顶进时，为减少顶进阻力，在洞门处制作密封圈以使灌入的触变泥浆发
挥减阻效果。
5.10管道顶进。
5.10.1在拆除封门后，应立即开始顶进机头，顶进300mm以后，开启加泥系统注入
泥浆，以便调节渣土的塑流性和保持土压平衡。机头初入土时，因机头在轨道上没有足够抵
抗力矩，使刀盘转动时机头易产生旋转，故在入土的初始2m时，顶进速度控制在5mm／min以下，以防止机头旋转，并不间断地观测机头倾角和旋转角，倾角发生变化用纠偏千斤
顶调正，旋转角大于±50，刀盘开反转调正；在顶进2m后机头不旋转的情况下，逐渐加大
顶进速度。机头尚未完全入土时，土仓压力控制在0.1～0.15MPa。机头全部入土后，下第
一节管做后封闭。后封闭完后，向机头壳体注浆孔注1：2水泥砂浆充填机头外超挖的空间，注浆压力控制在0.4MPa。为防止机头初出洞时洞口土质不稳定而产生塌方，在洞口处内置
刚性涨圈。后封闭采用环形橡胶板紧贴土体，洞口侧墙用环形钢板覆压，防止加注触变泥浆时发生跑浆现象。
5.10.2顶进时按照预定参数控制土仓压力，遇有砂砾石层、距离建筑物较近时，土压
设定适当加大，提高安全系数。在一些复杂地段，如地质情况较差且距民房较近时，通过机
头壳体注浆孔注浆，对土体进行加固。加固浆液采用水泥浆或酸性水玻璃。
5.10.3触变泥浆减阻：触变泥浆减阻是长距离顶管施工经常采用的减阻方式，能有效
减小阻力，最大限度地加长顶距。在机头尾部设有触变泥浆注浆孔，每节钢筋混凝土管设注浆孔，顶进时随时注浆。
5.10.4在前1～4节管顶进的过程中如果停机，则有可能出现顶进管段回弹，这时需
要在回镐下管时加方木支撑，或在回镐之前多顶100～200mm，可保持前几节管回弹而不影
响后节管的安放。
5.10.5顶进速度控制在30～50mm／min，前30m和纠偏时用低速，之后视出土搅拌、刀盘扭矩情况适当加快顶进速度。下管时，在机头停止顶进状态下，刀盘空转3～5min，在停机时关闭螺旋输送机排泥液压门，并断电以保证土压仓土压。
5.11出土。
顶管机工作过程中所挖掘的土，先经螺旋输送机输送到皮带运输机上，再经皮带运输机输送到电瓶车中，电瓶车运送至工作井，最后垂直吊运至地面存土场，定期外运。
5.12测量。
初始顶进时每300mm测量一次，并做记录。正常顶进时在工作井可随时用全站仪测
量，每顶进0.5m做一次记录。遇有纠偏时每300mm做一次记录。测量记录上分别绘制高程、中心曲线图，随时掌握机头顶进趋势。
5.13纠偏。
5.13.1当顶管机头尚未全部进洞前，在机头中心、高程偏差不大于±20mm时，不考虑纠偏，因为此时轨道在控制前进方向，若纠偏不但没效果反而会使第一节管道偏离轨道。
若中心、高程偏差大于±20 mm，则要立即停止顶进，纠偏校正应缓慢进行，使管节逐渐复
位，不得猛纠硬调。其中纠偏高程时，轨道上的管子要加配重；纠偏中心时，轨道上的管子
要加两侧支撑。
5.13.2当机头全部入洞后，且高程、中心偏差大于10mm时，要及时采用机头纠偏设
备进行纠偏，中心控制在5mm以内，高程控制在±10mm以内，校正方法采用工具头自身纠
偏法。这种纠偏方法可有效控制工具头上下左右四个方向的状态，每次纠偏幅度以5mm为一个单元，根据工具头的测斜仪及激光经纬仪测量偏位判断，如果趋势没有减少时，增大纠偏力度；如果趋势稳定或减少时，应保持该纠偏力度，继续顶进；当偏位趋势相反时，则需
要将纠偏力度逐渐减少。
5.13.3在管道顶进过程中，如果在粉细砂土层中顶进速度偏低，可调低进泥的泥浆浓
度，减小顶进速度。当遇到软硬程度不同的土层时，通过刀盘的转矩判断地质条件。若突然
变硬，则应向土仓内加入水或泥浆。如果对地质勘察资料掌握比较准确时，且当穿越的软弱地层长度小于15m时，入洞前可以采取机头与管道、管道与管道间加接连接杆的方式进行
固定，以增加其刚性，并辅以适当纠偏方式，防止机头和管道“叩头”现象发生。此外，当穿越含水比较丰富的地层，且软弱地层长度大于15m时，施工前必须要进行抽排水，降低水位，待场地沉降稳定后再进行顶进施工。
6. 主要材料及施工机具
6.1主要材料。
顶管、泥浆
6.2主要施工机具。
全套设备包括：掘进机(工具管)、纠偏装置、中继间、300t液压千斤顶、油泵、基座导轨、顶铁、控制系统、皮带运输机、螺旋输送机、加泥系统、测斜仪、激光经纬仪。
配套设备有：电瓶运输车辆、泥土卸载系统、拌浆注浆系统。
6.3劳动力组织（见表1）。
7. 质量控制
7.1做好后封闭，减少顶进阻力。封闭效果好可充分发挥触变泥浆的作用，使顶进距
离加长。
7.2根据土质情况调整加泥量。机头前方加泥可改变土体性质，增加其流动性以利土
压平衡，出泥顺畅。在亚砂土、粉砂土的土质条件下，加泥量为总出土量的30％为宜，而对于粘土质可适当减少加泥量。
7.3顶进钢承口管道时，将注浆孔位置放在插口处，让浆液直接注入钢承口缝隙之间，浆液再由缝隙向管身外注入土与管壁的缝隙，形成很好的减阻环，加大管外壁触变泥浆的饱
满度。
7.4顶进前应将千斤顶逐台调试好，采用同种规格的油缸，并使液压泵到各千斤顶之
间的距离相等，管径一致。
7.5顶管施工前应对管道通过地带的地质情况认真调查，设置测力装置指导纠偏。严
格控制顶管轴线偏差，纠偏应按照勤测量、勤纠偏、小量纠的操作方法进行。
7.6采用同种规格的千斤顶，使其顶力、行程、顶速相一致，保持顶力合力线与管道
中心线相重合。
7.7加强顶管后背施工质量的控制，确保后背不发生位移，并应使后背平整，以保证
顶进设备的安装精度。
7.8当掘进机停止作业时，一定要防止泥水从土层或洞口及其他地方流失。不然，挖
掘面就会失稳，尤其在出洞这一段时间内更应防止洞口止水圈漏水。
7.9在掘进过程中，应注意观察地下水压力的变化，特别是有压力水头出现时，需及
时采取相应的措施，保持挖掘面的稳定。
7.10在顶进过程中，随时要注意挖掘面是否稳定、进排泥泵的流量及压力是否正常。
防止排泥泵的排量过小而造成泥浆的淤积和堵塞现象。
8. 安全措施
制定详细的顶管作业人员的安全规章制度，要求顶管作业人员严格执行制度的有关规定。在项目内部落实安全管理责任制，建立考核制度，具体技术措施如下：
8.1在顶管施工前必须了解土层的变化情况，对于要经过的回填土地段，需要提前加
固处理，以防顶管施工后地表有过大的下沉。
8.2顶管施工的地层可能会遇到有毒气体，对施工人员的健康和生命构成危害；同时
由于顶管深度和长度会造成内部空气含氧量降低，对人员造成窒息；所以有人员在顶管内操作的情况下，需要定时监测管内气体含量，采用通风装置予以解决。
8.3对每一个进入管道内的施工人员做详细的身体健康检查，并同时对每个施工人员进行安全教育，对操作人员进行救护知识、急救用品使用、内套环安装方法的培训，使职工
了解毒气对人体的危害性及突发情况下的急救和自救知识。
8.4施工现场配备足够的急救物资和防护面具，对管内作业人员要保证每人一个防护
面具，防止人员中毒。
8.5对于进入管道内的施工人员，进行出入登记，每个施工人员进入管道前必须将自
己工作卡挂于进出牌上，让地面管理人员详细了解管道内施工人数和人员名单。
8.6进入管内作业人员，必须穿着项目部统一发放的全棉工作服，防止静电产生。必
须将防毒面罩挂在脖子上，在发现毒气浓度较高时及时佩戴。
9. 环保措施
9.1管道施工完毕后，剩余的材料随即运出现场，做到施工结束，场地干净。
9.2要掌握过路各种管线位置，调查研究有可能存在的其它管线位置，在施工过程中
采取对管线的保护措施，保证沿线水、电、通讯等畅通。
9.3施工现场材料堆入必须做到散材成方，型材成线。
10. 效益分析
本工法社会效益和经济效益显著，主要有以下：
10.1顶距长。
一般土层可顶进50～60m左右，加设中继间可顶进90m左右。
10.2减少拆迁量。
在城区内施工可有效减少拆迁量和工作井，节约投资。
10.3无须降水。
能有效实现开挖面的土压平衡，维持土体稳定，同时有效平衡了地下水，故在地下水位高的地区施工，除工作井位置外，顶进过程中无须降水，有效避免地下水资源的破坏与浪费。
10.4施工进度快。
泥水输送弃土的作业连续不间断，故施工进度较快。
11应用实例。
11.1工程实施例1。
某污水管工程采用顶管施工方法。顶管全长为163 m，共分二个顶段施工：第一顶段直径为1200mm，顶进长度为78m；第二顶段直径为1500mm，顶进长度为85m。该工程穿过的地层区域大部分为粉质土层，该土层凝聚力小，加之地下水位高，形成卸力拱的能力较