泥水平衡顶管施工工法

工艺原理

1. 泥水平衡顶管机工作原理

泥水平衡顶管机施工以泥水平衡原理为基本，通过改变泥水仓的送、排泥水量和顶进速度来控制排土量，使泥水仓内的泥水压力值稳定并控制在所设定的范围之内，从而达到开挖面的稳定。

2. 泥水平衡功能

泥水平衡输送系统有两项主要功能，一是通过泥水来平衡顶管机施工时土体和地下水对其产生的压力，稳定开挖面，其二是将刀盘切削下来的土体在泥水仓内进行混合后，将其由经过泥水管路输送到地面。

图1中右侧为泥水平衡顶管机。正常顶进过程，MV1阀、MV2阀打开，MV3阀关闭。泥水由泵经送泥管送入，与进入泥水仓的切削土混合后，通过排泥泵经排泥管送至地面。同时送入的泥水需在泥水仓内建立一定的泥水压力，此压力需比顶管机处的土层的地下水压力高Δp，通常为0.015～0.02MPa。顶管机上部的泥水平衡压力是P3，底部的泥水平衡压力是P5。如果设γW为清水比重，γ为泥水比重，则有如下关系式：

P1=γW×h2 P2=γW×(h2+Δh) P3=γW×hl P4=γW×(h1+Δh)

P5=P4+γ×h=γW×(h1+Δh)+γ×h3

图1 泥水平衡原理

P1-顶管机顶部的地下水压力，P2-顶管机顶部的泥水压力，P3-基准面上的地下水压力，P4-基准面上地下水压力P3+Δp的水压力，P5-顶管机内泥水压力与地下水压力相加的压力。

泥水平衡顶管机通常在DEBC″梯形压力区域内工作。在设定泥水控制压力时，取泥水仓顶部和底部压力和平均值，即：

3. 泥水控制原理

泥水平衡控制运用调节器和执行机构(调节水泵转速和控制阀开度)与被控制对象构成闭环负反馈。根据被控参数的测量值与给定值之间的偏差，PID调节规律，对执行机构进行控制，以达到泥水平衡控制目的。

在停上掘进状态，用切口泥水压调节器控制CV阀开度或PH泵转速，使切口水压达到设定值。

在“旁路”状态，切口水压调节器根据控制P1泵的转速，使送泥水压达到设定值。

在掘进状态，切口水压调节器根据测得的切口水压与设定值进行比较，如果泥水仓压力大于设定值，则切口水压调节器输出值降低，P1泵转速下降，进入泥水仓的送泥水量减少，使泥水仓压力降低，反之亦然。同时切口水压调节器与送

泥水压调节器的输出值互为跟踪，是解决过渡状态转换的扰动，一旦转换完成，切口水压调节器屏蔽跟踪信号，送泥水压调节器仅起信号传送作用。

在掘进状态，排泥水密度的变化将导致排泥水流量的变化，这种变化会增加切口水压调节器的泥水平衡控制负担。因此，由排泥水流量调节器稳定排泥水流量，起到间接控制泥水平衡的作用。排泥水流量调节器控制P2泵的转速，使排泥水流量达到设定值。

四、工艺流程及操作要点

泥水系统的安装 工 程 开 始 测 量 放 样 放样复核 基 坑 构 筑 工作坑设备安装 地面设备安装 出洞准备 注浆材料准备 排 泥 顶 进 注浆材料准备 测 量 下管、接口安装 进 洞 取工具管 全线测量 收 坑 工 程 结 束

操作要点： 1. 测量放线

顶管工作坑使用的中心和水准点,要引入坑下的牢固地点.为确保工程质量,必须对中心及高程严格控制. 测量的方法

（1）通视条件下的测量

使用交汇法引工作坑及接收坑预留洞口中心至各自的坑壁。置经纬仪至A点，后视B点，

作BA直线的延长线，并在工作坑后部定出一点C。保证C、A、B在一条轴线上，置经纬仪在C点上，后视A点，在工作坑井壁上定出一点A`，置激光经纬仪基座于井下D点，并抄平固定激光经纬仪架，置经纬仪于A点，后视B点，在激光经纬仪器架上定出D点，D点同A`、A、B点在竖直方向上成一直线，安装激光经纬仪于仪器架上，对中D点，后视A`点，依设计轴线打好角度，既可定出轴线。

（2）不通视条件下的测量

引出A、B两点后可根据导线法以及平移法定出C、D、A`，其余步骤同通视条件下测量定位。

2. 工作坑作法

（1）主工作坑外侧做双排水泥搅拌桩止水帷幕，防止因排除地下水而形成的沉降。水泥搅拌桩桩长12m，桩径70cm，咬合20cm，咬合形成止水帷幕。后背采用密排36#工字钢桩，桩长12m。其它三侧采用36#工字钢打间隔桩，桩与桩间隔0.8m。工作坑采用人机配合开挖，工作坑内用36#工字钢横向焊二道支撑框架，每道支撑由两根工字钢组成，四角用36#工字钢与框架焊牢，以确保工作

坑支撑牢固。挖至1m做第一道支撑框架，挖至管顶上40cm做第二道支撑框架。

（2）主工作坑基础做法：底板浇筑C10混凝土，厚100㎜，基础内预埋铁板，规格：20cm×30cm,共16块，其上焊接滑道。

（3）副坑外侧打双排水泥搅拌桩止水帷幕，内侧采用36#工字钢打间隔桩，桩与桩间隔0.8m。工作坑加固做法同主坑。工作坑采用人机配合开挖，工作坑内用36#工字钢焊二道支撑框架，四角用36#工字钢与框架焊牢，以确保工作坑支撑牢固（见示意图一）。挖至1m做第一道支撑框架，挖至管顶上40cm做第二道支撑框架，决不允许超挖后作框架。

示意图一

（4）主、副工作坑排水措施

工作坑内对角设直径0.5m、深1m集水井两座，井内设水泵抽水，坑内四周设30cm×30cm排水沟，1%坡度流向集水井。

（5）工作坑尺寸计算

工作坑宽：W=D+（2.4～3.2）m D：被顶进管子外径（m） 工作坑长：L=L1+L2+L3+L4+L5

L1：管子顶进后，尾端压在导轨上的最小长度，混凝土管一般取0.3m L2：每节管子的长度（m）

L3：出土工作间隙，根据出土工具确定，一般为1.0～1.5m L4：千斤顶长度

L5：后背所占工作坑厚度 3. 洞口密封止水

顶管过程中，无论是管子从工作坑中出洞还是在接收坑中进洞，管子与洞口

之间都必须留有一定的间隙。此间隙如果不把它封住，地下水和泥砂就会从该间隙中流到工作坑内，会造成洞口上部地表的塌陷，甚至会造成事故，殃及周围的建筑物和地下管线的安全。因此，顶管过程中洞口止水是一个不容忽视的环节，必须认真、仔细地做好此项工作。

工作坑中，首先在管子顶进前方的坑内，浇注一道前止水墙，墙体可由级配较高的素混凝土构成，其宽度为2.0～5.0m，厚度约为0.3～0.5m，高度约为1.5～4.5m。然后再在前止水墙的预留孔内安装橡胶止水圈。洞口止水圈的构造是由混凝土前止水墙、预埋螺栓、钢压环及橡胶圈组成。

4. 后靠墙

在工作坑内，后坐墙是承受和传递全部顶力的基础，必须具有足够的强度和刚度，并有足够的安全度。后靠墙内配φ14@120双向钢筋,砼标号为C25,待砼强度达到设计强度的75%方可顶进。

后背墙的受力分析

潮湿程度 类别 种植土 淤泥 亚砂土、亚粘土、粘土 反力R应为总推力F的1.2～1.6倍，以确保安全。

0＜Sr≤0.5（稍湿） 400 350 400～450 0.5＜Sr≤0.8 （很湿） 300～350 200 300～350 0.8＜Sr≤1 （饱和） 250 150 200～250 R=aB(γH2KP/2+2cH√KP+γhHKP ) 式中：R-总推力之反力（kn） a-系数（取1.5） B-后座墙的宽度（m） γ-土的容重（KN/m3）19KN/m3 H-后座墙的高度（m）

KP-被动土压系数为tg2（450+θ/2）（θ=400） c-土的内聚力（取200kPa）

h-地面到后座墙顶部土体的高度（m） 5、导轨

安放基坑导轨时，其前端靠近洞口，左右两边用槽钢支撑，在底板上预埋好钢板的情况下，导轨和预埋钢板焊接在一起，导轨的水平状态与所设计的管子坡度相一致。

基坑导轨铺设应注意管线轴线、导轨标高和导轨支撑稳定性几个方面的问题。

（1）管线轴线：根据管线轴线测量结果，铺设轨道时，将轨道中线与管线轴线重合。

（2）管线标高：由于采用的是复合型轨道，因此铺设轨道时必须了解轨道的基本结构。复合型轨道详见下图：

导轨倾斜面是与管子接触的。设计时，导轨上水平面与钢筋混凝土管内底标高在一个水平面，因此在铺设导轨时，根据设计测得的管内底标高以调整导轨标高即可。导轨与井底的间隙应用钢板垫牢或用混凝土浇注，不宜用木板找平。

（3）当导轨标高和轴线确定好后，即可进行导轨的支撑。由于导轨在顶管顶进时，不允许位移，因此支撑必须稳固，一般在导轨与工作井井壁间用多根型钢支撑，同时把型钢与导轨焊牢。

6. 穿墙

从打开封门，将掘进机顶出工作井外，这一过程称为穿墙。穿墙是顶管施工中的一道重要工序，因为穿墙后掘进机方向的准确与否将会给以后管道的方向控制和井内管节的拼装工作带来影响。穿墙时，首先要防止井外的泥水大量涌入井内，严防塌方和流沙。其次要使管道不偏离轴线，顶进方向要准确。

（1）防止泥水涌入坑内的措施：为防止坑外泥水涌入坑内，用钢板桩加双排水泥搅拌桩止水帷幕进行维护围护。

（2）当掘进机准备出洞时，应先破除砖封门并将杂物清理干净，将掘进机刃进工作井井壁中，当止水橡胶法兰与掘进机充分结合后，拨除钢板桩。钢板桩拨除数量一定要与实际数量相符，否则导致顶管掘进机的损坏。

（3）顶管出洞时，掘进机要调零。

（4）要防止掘进机穿墙时下跌。下跌的原因一是穿墙初期，因入土较少，掘进机的自重仅由两点支承，其中一点是导轨，另一点是入土较浅的土体。这时作用于支撑面上的应力很可超过允许承载力，使掘进机下跌；二是工作井下沉时扰动洞口土体且掘进机较重。为防止掘进机下跌，可采取土体加固、加延伸导轨、保留洞口下部预留缝隙的砖墙、顶力合力中心低于管中心（约R/5--R/4）或将前部管子（一般3节左右）同掘进机用连接件连接成整体，同时掘进机头亦可抬高一些。

（5）防止掘进机和前几节管子后退。产生这种现象主要是因为掘进机的主顶面上主动土压力大于掘进机和管子的周边摩阻力和它们与导轨间摩阻力的总和。一般采取在主顶油缸回缩前，用螺旋出土机部分土适当卸压，或在洞口两侧安装手拉葫芦拉住，或用木（钢）柱将管子顶住，使其不向后退。

7. 泥水系统的安装 泥浆池应尽量靠近工作坑边，可采用并联法，见图： 泥浆池尽量靠近工作坑边，可以减少排泥管路过长而且产生的管路摩阻力，沉石箱的配置可沉淀块状物，防止块状物直接进入排泥泵引起排泥泵堵塞和损坏。 送水送水泵补水号泥浆池号泥浆池排泥泵排泥注浆系统旁通装置沉石箱 注浆系统应尽量使用螺杆泵以减少脉动现象，浆液应保证搅拌均匀，系统应配置减压系统，在泵出品处1米外以及机头注浆处各安装一只隔膜式压力表。 8. 注浆减摩 长距离顶管施工中，顶力控制的关键是最大限度地降低顶进阻力，而降低顶进阻力最有效的方法是进行注浆。注浆使管周外壁形成泥浆润滑套，从而降低了顶进时的摩阻力。注浆程序：必须遵守“先压后顶，随顶随压”的原则。管道在顶进过程中不允许停止注浆，若因故停止注浆时，必须先停止顶管，再停止注浆。我们在注浆时做到以下几点．

（1）选择优质的触变泥浆材料，对膨润土取样测试。主要指标为造浆率、失水量和动塑比。

（2）在管子上预埋压浆孔，压浆孔的设置要有利于浆套的形成。

（3）膨润土的贮藏及浆液配制、搅拌、膨胀时间，听取供应商的建议但都必须按照规范进行，使用前必须先进行试验。一般性能见下表：

膨润土 纯碱 掺加药剂 漏斗粘度 视粘度CP 失水量ml 终应力 比重 稳定性 8％ 4‰ Cmc、PHP l’19”2 21 12.6 80 1.048 0～0.001 （4）压浆方式要以同步注浆为主，补浆为辅。在顶进过程中，要经常检查各推进段的桨液形成情况。

（5）注浆设备和管路要可靠，具有足够的耐压和良好的密封性能。在注浆孔中设置一个单向阀，使浆液管外的土不能倒灌而堵塞注浆孔，从而影响注浆效果。

（6）注浆工艺由专人负责，质量员定期检查。

（7）注浆泵选择脉动小的螺杆泵，流量与顶进速度相应配。

（8）由于顶管线路长，为使全程注浆压力不致相差过大，在中间还将每隔400m增设压浆泵以增大压力。

（9）注浆流程图

膨润土 注浆池 注浆泵 注浆

五、材料

泥水材料

1. 水——生活用水即可。

2. 膨润土——主要成分是蒙脱土，它具有形成泥壁等多方面的优越性，但由于这种土的分离和经济上的存在的问题，仅限于部分使用。

3. 粘性土——是易于采集的粉砂土、粘土和胶状现场土，具有形成泥壁等特性，得到广泛使用。

4. 砂——在形成泥壁时，作为填缝料十分有效，特别是处理团聚化土时，作为过滤器填缝料，略加入一些会更有效。

5. CMC——能增加粘度和提高泥壁形成性能。 六、机具设备

主要机具设备

泥水平衡掘进机（NSPO） 1台 泥水输送(平衡)系统主顶进装置

1套

泥水处理系统 1套 挖掘机 4台 装载机 1台 打（拔）桩机 1台 吊车 2辆 电焊机 2台 潜水泵 4台 七、质量控制 （一）技术管理

由施工技术员负责，具体职责为：监督施工参数的实施及处理施工时发生的临时变更情况，及时与设计单位联系。

（二）质量管理

由操作班长与操作员建立QC小组，操作班长负责监督实施设计施工参数，严格按照操作规程操作，并作好当班记录；发现问题，及时与技术员联系解决，定期进行QC活动，保证施工质量。

（三）主要质量标准 1. 顶管允许偏差和检验方法

允许偏差 序号 中线 1 位移 L＞100m D≤1500 L≤100m 管底 2 高程 L＞100m D＞1500 +60，-80 D≤1500 +40，-60 D＞1500 +40，-50 管 水准仪检测 100 每 +30，-40 节 1 项目 （mm） L≤100m 50 经纬仪检测 范围 频率 检验频率 检验方法 3 相临管错口 钢筋混凝土管 ≯20 钢尺检查 注：（1）表中L为管道顶进距离，以两井轴线距离计算； （2）表中D为管道内径；

（3）、特殊情况下采用对顶工艺时，对顶两端错口不大于50mm 2. 顶管工作坑允许偏差和检验方法

允许偏差 序号 1 2 后3 背 导4 轨 中线位移 3 经纬仪检测 水平线与中线偏差 高程 1%H 1 +3.,0 水准仪检测 项 目 (mm) 混凝土抗压强度 中线位移 垂直度 符合设计要求 15 1%H 每座 垂直与钢尺检查 范围 频率 按附录B的规定检验 经纬仪检测或挂中2 心线钢尺检查 检验频率 检验方法 注：表中H为后背的垂直高度，L为后背水平长度

八、安全措施 （一）施工人员组织

施工人员包括推进三个班轮转，另设地面、机电维修各一个班见表1、表2。执行十二、十二制度，每天保证顶管设备的正常运转，做到均衡施工。

顶进施工班人

员 表1

序号 1 2 3 4 5 6 7 岗位 中央控制室 管节拼装 润滑泥浆拌制 机械维修 测 量 电器维修 吊车司机 工种 机修工 土建工 普工 机修工 测量工 电 工 吊车工 人数 1 2 2 1 1 1 1 8 9

井口吊运 涂料制作 起重工 普 工 1 2 机电维修人

员 表2 序号 1 2 3

岗位 维修 维修 维修 工种 机修工 电焊工 电 工 人数 1 1 1 （二）安全注意事项

1. 严格遵照国家颁发的《建筑安装工程安全技术规程》和天津市市政工程对施工现场安全的有关规定；

2．顶管机及管道内照明用电应使用安全电压； 3. 动力电缆转换接插前，要先切断电源，后拔出插头； 4．混凝土管吊运时，管下严禁站人；

5. 管道内的电力电缆、控制电缆应悬挂固定，严禁随地铺设； 6. 外部照明要充足，安放高度不得低于3m； 7. 在吊车行走路线上不得有任何电源线；

8. 及时检查各操作员的操作程序，严防违章操作； 9. 及时检查各压力管接头的可靠性，防止压力管爆裂伤人。

九、效益分析

1. 泥水平衡顶管施工采用油压驱动，施工时噪音远远小于开槽式敷设管道，几乎没有地盘沉降的现象，对周遭的影响降低到最小程度。

2. 土方开挖量小，对安全、交通影响较小。 3. 建设公害少，文明施工程度较高。 4. 施工进度快，工期短。