气压平衡顶管工艺在管网铺设中的应用

侯润珍
（太原市政工程建设开发公司，山西 太原030012）

　　摘要：在太原市河西北中部污水处理厂外部千管工程施工中，采用气压平衡顶管工艺铺设了 1557 m管道，管底实测标高与设计值误差为 10 mm，管道线型控制达到设计标准。介绍了气压平衡顶管工艺施工方法及施工中注意的问题，认为气压平衡顶管工艺在管网铺设中具有顶进距离长、工作效率高，安全系数大等优点。
　　关键词：管道铺设；污水厂；气压平衡；顶管
　　中图分类号：TU991.05 　　文献标识码：B 　　文章编号：1009－2455（2003）02—0062—03

　　地下管线是城市的重要基础设施，随着城市建设的不断发展，地下管线施工方法越来越先进，新型顶管技术不断被应用。2001年太原市河西北中部污水处理厂外部于管工程，施工战线长，埋设较深，所铺设管线需横穿玉门东街居民区及黑水河，并与干渠斜交100 m，客观条件不允许大开挖埋设污水管，而普通顶管法在最佳施工条件下，一次顶进长度为百米左右，根本无法满足工程需要，经过实地勘测与科学论证，采用了气压平衡顶管工艺进行施工。

1　工程概况

　　太原市河西北中部污水处理厂外部于管工程，北起漪汾街P28井，南接青年北街现有PZ井，全长约 1557 m。设计管径 DN1 500 mm，管道埋深4－5 m，共有检查井 25座。拟采用顶管工艺进行施工。
　　由于施工战线长，为加快施工进度，便于分层管理，工程分为2个工作区同时施工，双向顶进。每个工区为一现场管理点。

2　顶进方案选择

　　针对该工程施工战线长，施工环境又很复杂的情况，我们进行了顶管技术的多方案比较。目前国内先进的顶管工艺主要有气压平衡和土压平衡2种。
2.1 气压平衡顶管工艺
　　通过空气压缩机向工具管内注人一定压力的空气，使之与工具管内的水上压力相平衡，并形成一个相对稳定的开挖面， 以防止工作管正面土体的流动和开挖面的塌方，而开挖面经过不断的取土推进被破坏，压缩空气也随之建立起一次次新的相对平衡开挖面，完成管节的不断推进。其优点是由于压缩空气的作用，工具管前方的土体始终保持相对稳定，可避免塌方和泥石流倒灌，对地面沉降影响较小。另外由于气压仓的作用，一旦机头前方发现木桩、石块等障碍物，操作人员可通过气压仓进人工具管内将其取出，保证顶管的顺利进行。
2.2 土压平衡顶管工艺
　　通过刀盘旋转，将机头前方的土体切削绞出，利用切削前的土体压力与土舱压力相平衡，排士量约等于削士量，从而使开挖面上的土压平衡状态基本保持不变。该工艺适用于淤质粘土、粘土、亚粘土，用于砂性土时需进行砂土改良，注人一定量的人造泥浆。其优点是，操作简单，在软土层中施工速度快等。但推进时地面沉降不宜控制，且一旦刀盘发生问题无法更换，遇到地下障碍物时排障困难，阻碍推进。
　　本工程管线沿西渠路布设，土质为砂类粘土，含水量大，渗透性强，管道需要穿过民房、河流等，并与干渠斜交 100 m，在推进过河道特别是过渠道时，由于管顶距渠底不远，可能会遇到木桩和石块等杂物。故决定采用气压平衡顶管工艺进行施工。

3 气压平衡顶管施工

　　气压平衡法顶管施工的基本程序是先制作工作井，在井内安装主顶油缸系统提供水平推力，然后将砼管一节一节地从工作井的前墙预留洞口中推出进入井外土层中，直到机头进人接收并。在管道的前端设置一节顶管机头，顶管正面土体靠机头维持平衡，在管道向前顶进过程中通过机头逐步将土体挖掘进人管道内，然后运输到后方工作井并提升至地面。
　　管道顶进所遇到的阻力随顶进长度成正比，当管道所受阻力超过主顶油缸提供的水平推力或工作井后壁及砼的允许承受能力时，需要增加中继间接力推进，实行长距离顶管。以下从各分项工程介绍。
　　①工作井
　　顶管工作井是安装顶管设备的场所，也是顶管起始的地方。根据现场条件和顶进需要，本工程共设有 2座工作井，工作井几何尺寸 7 m × 4 m，壁厚 50 cm，井高度根据地面标高和管道埋深情况而定，约为6.5～7.5m。设计工作井的最大承受顶力为 800 kN。均采用沉井法进行施工。
　　②检查井
　　本工程共设检查井25座，均为直线矩形检查井，其中2座检查井位于2个工作井内，剩余的23个中途检查井，在顶管完成后，测量出井位，再开挖制作。检查井结构为“骑马井”。
　　③砼管材
　　顶管工程中使用的管节一般有钢管和砼管2种，硷管节类型有企口管、T型接口管和F型接口管。本工程选用 F型接口管，管径 DN 1500mm，壁厚 16 cm，单根管长 3 m，砼强度 C50。
　　④施工设备
　　工作井地面和井内的主要设备：电动空压机：9 m³，2台，3 m³，2台；高压油泵：42 MPa，2台；压浆泵：0.8 MPa，2台；汽车吊：15 t，2台；油压千斤顶：300 t，8台；其它设备包括：导轨、千斤顶台架、顶铁。分压环。后承压壁、操作平台。
　　工作井内设备安装见图1。
3.1 施工过程
3.1.l 顶管出洞
　　当井内、井外的准备工作完成后，可将机头吊放到井内轨道上，调整好方向，开始顶管的出洞。工作井壁前墙有机头及管道出洞的预留洞口，预留洞口与管道间设有洞口密封，以防井外水土流人，同时也起定位作用。当机头前端进人洞口密封后，可破墙出洞，依靠机头前端刃口破除外层墙体，进行顶管正常推进。

3.1.2顶进施工
　　当工具管进人士体后，留其尾部约 30 cm搁在导轨上，收回千斤顶活塞杆，卸走顶铁和分压环，安装管节，开始进行管道的顶进施工。本工程工具舱采用钢结构，气压舱及机头的内径为1.8m，操作空间比较大，加气压也比较方便。设置两道气压门，第一道安装在工具管后端，第二道安装在前进方向的第二条砼管后端。在取土时，第一道气压舱和第二道气压舱气压保持与前方气压平衡，打开1号门，一人进人前舱取土，另一人接应和观察，发现土层变湿和塌落现象，立即退到后舱，关闭1号门，停止作业，查明原因采取措施后，方可继续作业。
3.1.3 顶管进洞
　　管道进洞时要精心测量，如接收井附近土质较差时，应采取措施，保证管线按规划线路顶进。本工程的接收井采用树根桩支护后开挖现浇，且在进洞口 5m 范围内作注浆加固处理，防止机头进洞时流进大量流砂或水，以确保进洞安全，机头进洞后，用吊车品出机头，然后将机头后面的管道继续顶进接收坑。
3.1.4 顶管的测量纠编
　　管内的测量仪器采用水平仪，放线及特殊测量采用全站仪。本工程曲线顶管，测量较困难，机头需安装自动测斜仪监测配合人工测量校核。通过测量检查的管道轴线、高程偏差，通过布置在机头上的4组纠偏千斤顶进行调整。
3.2 工程质量
　　采用气压平衡顶管工艺与我省现有的顶管技术相比，具有顶进距离长、工作效率高、施工误差小、安全系数大等优点。本工程铺设管线 1557m，施工中曾创下了1d 单项顶进 13 m的记录，管底实测标高与设计值误差在 10 mm之间，管道线型控制始终达到了设计标准，管道接口严密，管口无变形。经市政工程质量监督站评定，工程达到了设计要求。
3.3 特殊情况处理
　　在顶管过程中，有时机头会产生上漂或下陷现象，应及时纠偏，用螺杆将前面几节管节连接固定，另外在管头产生偏差方向的部位超前灌水泥浆，固结其土体，方便其纠偏操作。有时管道产生旋转，此时可在产生旋转的管节一边加配重，慢慢纠正其旋转方向，恢复至正常位置。在施顶时，如遇地下障碍物，应采取措施排除它，如遇地下管线，应查明管线性质，采取引流截流等措施，排除管道，等顶管完工后，再恢复原有地下管线。若遇构筑物基础，应首先团结该段将穿越管道范围内的地基土体取出基础，进行顶管施工。

4 施工中注意问题

　　①顶管前应查清管线顶进线路上各段的地质情况，根据不同的水文、地下水情况采取不同的措施，随时调整气压舱的压力，保证地面不受沉降和顶管顺利进行。
　　②施工时应勤测量，每天 2～4次，严格控制机头的走向，发生较大偏差时，应分析产生原因和发展趋势，采取分次逐步勤调、微调，控制好管道的线型。
　　③气压平衡顶管施工对顶管出洞精度有严格要求，顶管出洞方向控制好，整条管道才有可能顶好，顶管出洞控制不好，整条管道的施工将功亏一篑。

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作者简介：侯润珍（1959－），女，山西太原人，工程师，电话（0351 ）7243375。