泥水平衡法顶管施工工艺工法

泥水平衡法顶管施工工艺工法

1.1 工艺工法概况

在人口密集、交通繁忙、地面建筑物众多的城市采用开槽埋管法施工地下管道时，影响交通，临时占地面积大，对环境造成污染。给施工区域的居民生活和工作造成不便。采用地下顶管施工将避免上述弊端。

管道顶进施工工艺原理是：利用人工或机械将管道前端土层破碎，再将弃土通过已顶进管道运出地面。用设置在管道后端的千斤顶将管道逐节向前推进，直到管道达到设计位置和长度。

当管道直径等于或小于1m时，施工人员无法进入管内直接作业，管道前端开挖土层及管道纠偏、弃土运输等工序将无法进行，顶管施工亦不能实现。

我公司早前从日本引进TCC400和TCC800偏压破碎环流系统顶管设备，经改进，采用泥水平衡法稳定管道前端土体，由送水管和排泥管构成流体输送排泥系统，实现了远距离遥控小口径管道的顶进施工。同时，对原设备进行了技术改造，增加了扩管器，扩大了设备的使用范围，取得了显著的社会效益和经济效益。

1.2 工艺原理

1.2.1 随着顶管设备前端工具管的推进，前端切土刀盘不断转动，送水管不断供应泥水，排泥管不断将混有弃土的泥水混合物排出泥水仓；为平衡上部土层压力，泥水舱保持着一定压力；泥水在压力作用下向土体内部渗透，在开挖面形成一层泥皮，泥皮可阻止泥水继续向土体内部渗透，同时，泥水压力通过泥皮作用在开挖面上，防止土体坍塌。

当刀盘前端土压力低于设定值时，刀盘就往前伸，与此同时，减小或关闭排泥口，刀盘推进速度保持不变，刀盘前的压力就会上升。

反之，刀盘前端土压力高于设定值时，刀盘就往后退，同时增加排泥量，若保持推进速度不变，刀盘前压力就会下降。

这样，通过刀盘伸缩和控制排泥量达到平衡前端土压力，从而保证管道上部地面不产生超过允许的变形。

1.2.2 为减少顶管摩擦阻力，防止管道沿线地面沉陷，在管道顶进过程中，通过管道内预留的注浆孔把“触变泥浆”用泥浆泵注入管外壁和土层之间。顶进时起润滑作用，停顿时起支撑作用。顶管施工完毕后，用水泥浆置换。

1.2.3 管道前端掘土、推进、纠偏、找中、泥水进排等工序都通过设在地面上的控制台进行操作。所有参数都反映在电视显示屏上，从而实现了顶管自动化。

2 工法特点

2.1 该工法施工对周围地屋扰动小，能维持不同土质挖掘面上的稳定平稳；地层损失小，产生的地表变形也小。

2.2 施工时总顶力较小，尤其在黏性土层中的长距离顶进，可以优于其他类型的顶管施工。

2.3 在工作井内的作业环境较好，能够较安全地实现顶进作业。因为它是采用管道对泥水进行输送排出进行弃土，不存在吊运土方等易发生危险的作业方式；又因它是在大气常压下作业，则也不存在施工加气压建立平衡危及操作人员健康及生命安全等问题。

2.4 顶进施工时的连续作业性能好，施工进度较快。

3 适用范围

3.1 本工法适用于直径为400~1000mm管道的直线顶管施工；

3.2 本工法适用地质为渗透系数小于10—3m/s的砂粘性土或粉砂土层中的顶管施工；

3.3 本工法可以在穿越河流、公路、房屋等覆土较深的条件下施工；也可在管顶覆土厚度大于管径的浅覆土条件下施工。

4 主要技术标准

《给排水管道施工及验收规范》（GB50268）、《顶管施工技术及验收规范（试行）》（中国非开挖技术协会行业标准）。

5 施工方法

在敷设管道前，先建造一个工作井。在井内顶进轴线的后方，布置一组行程较长的千斤顶，一般每组为4 只到6 只，将敷设的管道放在千斤顶前面的导向轨架上，管道的最前端是一台泥水平衡顶管机，工具管与管段之间需刚性连接。千斤顶顶推时，顶管机刀盘旋转，切削土体，形成带有一定压力的泥水，工具头以此来平衡土体压力及地下水压力，随着工具头的前进，千斤顶把管道压入土中。与此同时，通过连接在顶管机泥水仓的泥浆泵将泥水输送至工作井上部的泥水分离池，将泥水分离，分离后的水再通过水泵输送至顶管工具头，底泥外运。当千斤顶达到最大行程后，全部缩回，

断开进水管、出水管管路及动力及信号线，放入顶铁，连接好管路后千斤顶继续前进。如此不断加入顶铁，管段不断向土中延伸， 当顶管机和第一节管段几乎全部顶入土中后，吊去全部顶铁，断开顶管机的动力电源及所有管路，将第二节管段吊入，接好管接头，连接动力电源线和所有管路继续顶进，如此循环施工，直至全部顶完。

管道外壁注活性膨润土润滑浆，以减少四周的摩阻力。

当管道顶进阻力超过主千斤顶的顶进能力时，则采用中继接力技术，将管段分成数段，段间加入中继间，以接力方式分段克服摩阻力。

管道的顶进方向与高程采用激光经纬仪进行测量监控。

6 工艺流程及操作要点

6.1 工艺流程

施工工艺流程见图1： 顶　进接通电源

安装泥浆搅拌筒及泥浆泵（短距离可不用）安装进排泥管及旁通阀安装进泥泵及排泥泵砌筑泥浆沉淀池安装激光仪、测

量仪、摄象仪

设备进场测量放样

安装洞口止水装置

安装顶进油缸及油泵

安装后座墙

接通电路及油路

操纵台就位机头吊装就位

安装导轨

图1 施工工艺流程图

6.2 操作要点

6.2.1 施工准备

工程施工前，应根据业主提供的地勘报告确定施工工艺，必要时应进行补充勘察；工程施工前，应组织施工人员认真学习施工图纸、相关规范、标准，明确工程施工内容和技术要求，对图纸中与现场不符内容联系设计人员进行补充设计或变更设计。

对顶管轴线两侧各5m范围内进行地质勘察，核对地质是否与设计相符，并核对附近是否有既有建筑物。如地质与设计不符或有不良地质（如流砂层），则要扩大勘察范围，并与设计单位联系，采取相应的措施。

6.2.2 工具管控制

工具管运转后，根据后方控制台电视显示屏上的土压力显示，调整顶进速度。根据泥水舱的压力显示，调整进排水流量，使机头工作舱压力保持在设定范围内。根据电视屏管道中心激光点位置，调整机头状态和纠偏千斤顶，使顶进管道始终保持在设计轴线允许偏差范围内。

泥水平衡式顶管掘进工具管结构示意见图2：

图2 泥水平衡式顶管掘进工具管结构示意图

6.2.3 顶进施工

1 拆除洞口封门；

2 顶进机头；当机头进入土体时，开动刀盘和进排泥泵；

3 机头顶进至能卸管节时停止顶进，拆开动力电缆、进排泥管、进排泥泵、控制电缆和摄象仪连线，缩回顶进油缸；

4 将事先安放好密封环的管节吊下，对准插入就位；

5 接上动力电缆，控制电缆、进排泥管路、摄象仪连线并接通压浆管路；

6 启动顶管机、进排泥泵、压浆泵、主顶油缸，并顶进管节；

7 随着管节的顶进，不断观察机头轴线公位置和各种指示仪表，纠正管道轴线方向并根据土压力大小调整顶进速度；

8 当一节管节顶进结束后，重复以上2到7项操作程序，实施继续顶进；

9 长距离顶管时，在规定位置设置中继环，顶进程序为：

主顶油缸推进

中继环推进中继环推进

6.2.4 顶进到位

1 顶进即将到位时，放慢顶进速度，准确测量出机头位置，当机头到达接收井洞口封门时，停止顶进；

2 接收井内安装好接引导轨；

3 破除接收井洞口封门；

4 将机头送入接收井，此时刀盘的进排泥泵均不运转；

5 拆除动力电缆、进排泥管、摄象仪及连线和压浆管路等；

6 分离机头与管节，吊出机头；

7 将管节顶到预定位置；

8 次序拆除中继环油缸并将管节靠拢；

9 拆除主顶油缸、油泵、后座及导轨；

10 清场。

6.2.5 泥水控制

根据土层性质可注入清水或泥水，注入泥水的比重和地层类型的关系可参照表1规定。

6.2.6 泥水处理

排出的泥水应经过处理，根据场地大小可采用泥水沉淀池或泥水分离机进行处理。泥水沉淀池可参考图3布置。

出水

池高

=2进水堰　板

与第一组互为备用

第二组

第一组

图3 泥浆沉淀池结构示意图

6.2.7 注浆

随着管道顶进，将“触变泥浆”用泥浆泵通过预设在管道壁的注浆孔注入管壁和土层之间的空隙中。触变泥浆是由膨润土、水和掺合剂按一定比例混合而成。一般情况其配合比（重量比）为：

水：土＝（4～5）：1

土：掺合剂＝（20～30）：1

触变泥浆制作要配合比正确、搅拌均匀，拌合后需静置24h 后方可使用。注浆原则是“先进时应加强对这些管道、建筑物的量测监控。注浆原则是“先注后顶，随顶随注”，确保浆液填满管壁外空隙。

顶进结束后，应对泥浆套的泥浆进行置换。置换浆液采用水泥砂浆并掺加适量的粉煤灰制成。浆液凝固后，拆除注浆管道，将注浆口封堵。

6.2.8 施工测量

在工作井内安装激光发射器，按照管道设计坡度和方向调整好位置，在机头内设置激光接收靶，通过电视摄像头将激光点位置传输到地面控制台上的电视显示屏上。顶进中发现管道偏移中心（轴线），应随时进行调整。

6.2.9 纠偏

管道顶进中，由于各种不平衡外力的影响，如：地层变化、局部涌水、操作失误等，管道中心可能发生偏移。如不及时纠正，不仅偏移误差超标，严重时，随着偏移扩大，管道顶进阻力将急剧增大，可能造成管道接头拉开、外部泥浆泄漏、地层下陷

等事故。

管道顶进中发现中心偏移时，要立即采取措施纠正。要依照“随偏随纠，在顶进过程中纠偏，一次纠偏量不能过大”的原则进行纠偏。

为防止偏移发生，要注意以下两点：

1 工作井设备安装精度要严格控制。尤其要注意导轨的高程、坡度及千斤顶的位置。液压系统的设计要合理。

2 地面操作台司机要密切注意地层土质的变化、土压变化及工具管偏移等情况，发现异常，应立即采取相应措施。

6.2.10 中继接力顶进

长距离顶进时，当顶进阻力超过顶进设备能力时，可采用中继接力顶进技术。它是将长距离管道分为若干区段，区段之间加入中继站，每个中继站只承担顶推前面区段的管道，最后区段由主站承担顶进。

由于中继站工作时往复滑动频繁，并在受力状态下滑动，要注意中继环密封的可靠性。

6.2.11 顶管操作注意事项

1 防止地面变形，本工法通过调整顶进速度进行控制，使土压力在规定范围内浮动。因此在顶进过程中，必须时刻注意土压计的变化。

2 顶进软质地层时，有时即使以比较高的速度顶进，也还是达不到适当的土压，这时可通过间断停止刀盘旋转的方法顶进，以保持适当的土压。

3 顶进较硬地层地段时，可能使工具管产生过载而发生故障。可以在设备中安装过载保护装置，当超过转矩设定值时，后方千斤顶将自动停止工作，顶进暂停，暂停时间超过设定时间（降至转矩设定值以下）后，后方千斤顶将自动重新开始顶进。

6.2.12 顶管引起的地面变形控制

顶管施工中引起地面变形的主要原因有：

1 工具管处土体失稳；

2 管道壁外土体坍塌；

3 管道接头渗漏引起土层坍塌。

施工中应采取以下防止措施：

1 顶进过程中随时调整泥浆流量及顶进速度，使机头工作面土压力和上部土层土

压力始终保持平衡。

2 顶进中加强监测，发现管道偏移轴线，立即纠正，严防大角度纠偏。

3 顶进中注浆要及时、适量，并选择适当的注浆压力。

4 加强管口和工作井内洞口的密封措施，防止泥浆泄露和漏水。

5 对管道沿线的房屋及水、煤气管、电缆等地下建筑物，顶管前要了解其具体位置，并根据具体情况采取保护措施。管道顶进时应加强对这些管道、建筑物的量测监控。

6.2.13 建筑物的保护措施

如在顶管轴线10m范围内存在房屋及水、煤气管、电缆等地下建筑物，则要按照实际情况采取相应的保护措施。

1 对于地质相对较好的粘质土、强风化砂岩等地层，一般不对建筑物进行加固处理，在顶进通过建筑物时，顶进速度放慢，尽量减少对既有建筑物的扰动。

2 对于地质相对较软、自稳能力差的地层，一般要对该范围内的建筑进行加固处理。加固处理的方式可采取地面注浆及打桩等形式。

3 顶管穿越既有建筑物时，根据实际情况，除对建筑物进行加固处理外，还要进行监控测量，如发现建筑物及地表有沉降现象，应立即会同监理单位、设计单位采取必要的保护措施。

7 劳动力组织

泥水平衡法顶管劳动力组织见表2：

表2 主要工种及人员配备表（每班）

8 主要机具设备

主要机械设备配置见表3。

9 质量控制要点

9.1 易出现的质量问题

9.1.1 当掘进停止工作时，一定要防止泥水从土层中或洞口及其他地方流失。不然，挖掘面就会失稳，尤其是在出洞这一段时间内更应防止洞口止水圈漏水。

9.1.2 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和对策，只有这样，才能保持挖掘面的稳定。

9.1.3 在顶进过程中，随时要留意挖掘面是否稳定；要经常检查泥水的浓度和相对密度是否正常；还要注意进排泥泵的流量及压力是否正常。应防止排泥泵的排量过小而造成排泥管的淤积和堵塞现象。

9.1.4 管道穿越铁路、公路、房屋等既有建筑物时，应采取相应的保护措施，防止地面突起，影响建筑物。

9.1.5 顶管时其管道轴线、位置要符合设计要求。

9.2 保证措施

9.2.1 当掘进停止工作时，为防止泥水从土层中或洞口及其他地方流失，可是先是泥水中加入适量粘土，以确保泥水有一定的黏度和较大的相对密度；另外，经常检查洞口止水圈的工况，使之不漏水。

9.2.2 如有地下水头出现，要根据实际情况随时调整压力情况，使之适合顶进的工作压力，又能确保掘进面的稳定性。

9.2.3 配备有经验的工作人员，随时观察在顶进过程中出的异常情况，采取调整压力、泥浆浓度及检查管路的方法及时排除出现的问题，确保正常顶进。

9.2.4 顶进时，如四周及顶部有建筑物，要制定合理的顶进方案，应随时监测建筑物四周地面的变化情况，可采取放慢顶进速度、建筑物四周加固等形式，确保顶管顺利通过。

9.2.5 如设计无要求，顶进管道质量标准应符合表4要规定。

表4 顶进管道允许偏差

注：D为管道内径。

10 安全措施

10.1 主要安全风险分析

10.1.1 在顶进施工中，会发生地层坍塌和隆起、摩擦力超过顶力形成“死机”、管口泄漏涌水、管道严重偏移等工程安全及质量事故。

10.1.2 千斤顶工作时，工作人员不得在拱铁上方或侧面停留。应随时观察千斤顶、油泵及顶铁工作情况有无异常。

10.2 保证措施

10.2.1 顶管施工前，应根据管道所处位置、地层性质、管径、地下水位标高、顶进距离等因素进行顶力和后背结构计算，合理制定顶进方案和技术措施，在施工顶进中，随时监测，并调整顶进管路的轴线，使之与设计中线相重合。另外，加强地面监测，随时掌握顶进的各类参数，并采取纠正，避免发生安全事故。

10.2.2 加强设备的保养及检查，尤其是千斤顶的工况，工作人员不能在拱铁上方或侧面停留。

11 环保措施

在泥水平衡顶管施工中，泥水处理是环保的重点。

11.1 采用泥水处理系统，即泥水分离机或沉淀池的方式，对顶管施工中的泥水进行处理，处理后的水排入就近沟内，泥砂经过凉晒后运止弃土场堆放。

11.2 现场合理布置泥浆池，泥浆池四周用砖砌筑高30cm、厚24cm的围堰，在砖

墙外设置排水沟，防止泥水外流。并采用围拦围护，以免渣土外溢污染周围环境，渣土及时清运，不得长时间堆放。

11.3 施工排水经隔油池、沉砂池处理后，再排入市政管网或当地沟渠。

11.4 对施工中噪音较大的设备机具，可能搭设工作棚，以防止造成噪声污染。

12 应用实例

12.1 工程简介

在武汉www／3.01包污水收集系统工程中，部分φ1000mm以下的小口径管道需穿越既有房屋、铁路、公路及水塘，无法用传统的开槽埋管法铺设管道，管道所处地质为硬质砂粘土和粉质粘土，该部分管道采用泥水平衡顶管施工。

12.2 施工情况

1999--2001年，我公司引进并改进了日本TCCA00和TCC~00顶管机具，应用激光束控制管道偏差，运用遥控和泥水平衡技术实施管道顶进，成功累计顶进4400mm、6800mm和扎000mm小口径钢筋混凝土管道960m。管道轴线偏差在+5mm范围内，管道通过地区地面沉降在设计允许范围之内，施工质量优良，确保了周围建筑物的安全。开创了路内硬土中顶进长距离小口径管道的先例。

12.3 工程结果评价

实践证明，地下小口径管道铺设采用本工法施工具有显著的社会效益和经济效益。

12.3.1 在城市及闹市区施工时，对城市交通及群众生活及工作干扰少，无粉尘污染。

12.3.2 顶管采用远距离遥控施工，大大改善了施工人员的工作环境和劳动强度。

12.3.3 减少了施工占地面积：当设计管线上部有建筑物或农田时，避免了征地和拆迁。

12.3.4 采用泥水平衡法顶管，可有效控制地面变形，防止周围构筑物下沉而造成损坏，大大减少了施工防护费用。

12.4 建设效果及施工图片

图4 沉井制作

图5 顶管工具管进洞

图6 安放管节

图7 顶进施工

图8 顶进施工

图9 准确出洞