——以福州地铁5号线浦上大道站雨污水工程为例
Common Problems and Countermeasures of Mud-water Balanced Pipe Jacking Construction in Municipal Engineering: Taking the Rainwater and Sewage Project of Pushang Avenue Station of Fuzhou Metro Line 5 as an Example
黄平 HUANG Ping；吴炜铭 WU Wei-ming
（福州地铁集团有限公司，福州 350004）
（Fuzhou Metro Group Co.，Ltd.，Fuzhou 350004，China）
摘要：泥水平衡式顶管施工技术在市政雨污水工程中得到广泛的应用，但施工过程中面临一系列问题，如出洞方向失控、顶力控制、扭转、地面沉降等，对这些问题加以控制或解决，可保证顶管的施工质量。本文基于实际工程项目，结合相关施工数据和施工实践经验，对泥水平衡式顶管施工过程中的常见问题及解决对策进行论述，谨供其它地区类似工程进行参考。
Abstract: The mud-water balanced pipe jacking construction technology has been widely used in municipal rainwater and wastewater projects, but it faces a series of problems during the construction process, such as out-of-way direction control, top force control, torsion, ground subsidence, etc..To control or solve these problems can guarantee the construction quality of the pipe jacking. Based on the actual project, combined with relevant construction data and construction practice experience, this paper discusses the common problems and solutions in the process of mud-water balanced pipe jacking construction, and is for reference in similar projects in other regions.
关键词：市政；雨污水；泥水平衡式；顶管施工
Key words: municipal；rainwater；mud-water balance；pipe jacking
中图分类号：TU99 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）25-0185-03
0 引言
随着城市建设的不断发展，地下市政工程不断增多，特别是地下管网工程增速更加迅速，在不影响地面设施情况下，市政工程中广泛采用非开挖式施工技术。顶管技术把施工作业面转为地下，特别适合大中型管径的雨污水管道工程，当管道的覆土较深时，采用该施工方法可大幅度提升社会效益，减少了城市面貌的破坏。近年来，在福建地区有多个市政雨污水项目采用了泥水平衡式顶管施工技术，这些市政雨污水项目根据其所在地的地质条件，在施工中积极采取一些有针对性的控制措施，这些控制措施对保障项目的顺利竣工提供了极大的帮助。
1 市政雨污水工程简概况
福州市轨道交通5号线一期工程浦上大道站市政雨污水顶管工程，其污水顶管横断面上布置于浦上大道与金洲南路交叉路口周边路面下，场地内主要为现状道路和绿化带等，其周边环境主要为东北侧为仓山万达广场，西北侧为正祥一品新筑（砼9F），西南侧为振源科技大厦，东南侧为和园（砼7F）。主要工程量有：污水顶管沉井10座，其中7m圆形工作井5座，壁厚为60cm；4m圆形接收井5座，壁厚为60cm。污水顶管管径为?准1000和?准800mm，DN800钢筋砼专用顶管171.3m、DN1000钢筋砼专用顶管385.3m，管材均采用钢承口（F型接头）顶进式Ⅱ级钢筋混凝土排水管。本工程紧临四周建筑物，沉井及顶管施工过程需作好沉降控制，减少对周边筑物的影响，同时由于顶管深度较深，对路面的隆起及下沉影响不大。
2 施工机械的选择及布置工作井中注意事项
2.1 施工方案的选择
因车站所处地段的地上情况复杂，且地质条件不好，底层属于砂、砾地层，还伴有淤泥质土、软粘性土，水位也不高，且当地雨水也较多，地下管线繁多且地面交通疏导难，所以该工程采用明挖法施工难度大，采用暗挖法又存在巨大的施工风险，泥水平衡式顶管对地层地质的适用性较好，且在福建多个项目上广泛采用，最终决定采用顶管工法施工，该方法对周围环境影响最小，施工风险小，综合投资效果好，具有很好的社会效益与经济效益。但顶管施工中容易产生一些问题，正确处理好问题，是保证顶管施工成功的关键。本工程选择泥水机械平衡顶管机np1000、np800系统，此种机头具有以下特点：在顶进过程中，这套系统可以实现遥控控制，开挖、出土、纠偏、测量都可以进行遥控操作，适合较小管道的施工；因使用泥水机械二重平衡，对地表沉降可进行有效控制，对开挖土体形成有效支护；后端设有泥浆槽，向工具头外壁连续压注触变泥浆可大大减少顶管阻力。
2.2 布置工作井过程中的注意事项
在本工程中对井内轨道开展安装时，要依据相关规范对基准线精度与高程进行控制，对轨道下排架开展固定过程中，要和底板连接，使竖梁与横梁加长后，进行井壁支撑。选用装配式后垫铁。后垫铁基础高40cm，使用砌筑砖。后垫铁准确安装后，采用水泥砂浆对工作井后墙和垫铁间空隙浇筑填充，以使井壁受力均衡。后靠背（加型钢浇筑砼板）就位后，保证竖直精度，要根据顶进轴线找正，在井壁与后靠背间设置多点型钢支撑，间隙填满素混凝土并在面层加铺2cm厚的钢板作为千斤顶的后靠背方可正式顶管。为减少顶管准备期，后靠背与沉井壁间打素砼时加早强剂。本次顶管工程的工作井均为圆形井且圆井尺寸一致，圆形井内布置方案如下：油缸支架安装好后，对油缸进行就并检验其平行度，然后对轴线确定，在安装后靠背，调整后靠背方向，使其距离井壁100～200mm，使后靠背的中心和轴线重合，在轴线设定好后，安装后顶和导轨，在预留洞口里设置副导轨，主导轨和副导轨的轴线及高程都要相同，副导轨可避免机头进洞后产生低头，同工作井内进行顶管方向转换工作。转换步骤如下：一侧顶进到位→拆除、吊出井内设备→破除后靠背砼→另一侧井壁设置后靠背墙→重新调转井内设备方向→顶管机头下放到位→顶管。注意事项：①在破除后靠背砼墙时采用人工风镐自上而下作业，注意保护工作井井壁免受破坏；②重新调转布置井内设备时需校正顶进轴线和提高精度；③开始顶管时需加设橡胶止水圈，防止涌水涌沙事故发生。
3 市政雨污水工程泥水平衡式顶管施工中常见问题及对策
3.1 出洞时的方向失控
若顶管能够顺利出洞，则代表顶管施工成功，减少出洞时附近一定范围内土体受到的扰动和控制好出洞后工具管方向，是做好顶管方向控制的基础性工序。当工具管出洞时，洞口周围的土体遭受扰动，这会对顶管方向控制产生不利影响。同时，出洞后的工具管方向也对管子方向的控制产生重要影响。地下工程具有危险性与不可预见性，不同管道埋设深度也不同，且工程项目的地质条件也不同，总结以往的施工经验，提出以下控制措施。
3.1.1 软粘性土或淤泥质土
当土质的承载力小时，泥水平衡式工具管易出现“叩头”现象，这主要是因为工具管的重量较大，受到重力作用后，导致顶管方向失控。可采取如下措施，有效控制顶进方向：为提升管子的整体性，工具管后的几节管子的接头进行连接，采用10～20螺栓纵向螺纹连接；工具管要出洞时，对其预设3′～4′向上的角；通过减少洞口土体暴露的时间，减少土体遭受的扰动作用，当工作井时下沉，预设槽钢封门，当工具管要出洞时，在拔掉槽钢；为改善洞口土体强度及性质，对土地采取注浆加固方法。
本工程中，开展穿墙施工作业时，对顶管外径顶部和二侧一定范围里土体进行加固，对穿墙管前方土体实施化学浆液灌浆加固，以控制顶管机头流水流泥引起地面塌陷情况的发生，使顶进不会失去方向控制。
3.1.2 砂性土
因砂性土承载力大，因为而向下纠偏很困难，所以不可对工具管设置向上角度，在承载力较大的土层中，不会产生“叩头”现象。工具管向下纠偏较困难，向上纠偏却较容易。特别要注意，若砂性土层中的地下水位较高，若想控制好顶管出洞的方向，必须要做好出洞时的洞口止水工作。若未做好洞口止水工作，洞外部的砂便随着流水进入井里，导致管子底部被掏空，进一步诱发管子与工具管下沉，这样顶进方向发生偏移，若此时继续进行顶进作业，会导致管子失稳甚至破裂。
第一，出洞过程中，首先要使墙孔具备很强的止水能力，可采取预埋穿墙管或加设一道止水圈的措施，此时，止水圈要采用充气式可更换的止水材料。本工程中，为使顶管进出洞口时，水土不出现流失，于进出洞口设置止水装置，采用双道橡胶法兰形式止水圈，其施工安装简单且具备很好的密封性，在安装中，要保证止水圈和设计轴线同轴，以使橡胶法兰受到周围均匀压缩，起到水密效果。
第二，可采用高压旋喷桩、深层搅拌桩、压密注浆等形式，对洞口周体土体开展加固。本工程中，部分顶管工作井的洞口使用了压密注浆与高压旋喷桩相结合的加固措施，施工效果很好。
3.1.3 流塑状态的土层
泥水平衡式工具管属于全封闭式，在腐植土这类流塑状态的土层施工时，刚出洞时，会产生前几节管子和掘进机后退的情况。管子后退后，若土体类型较单一，前面土体会出现不规则坍塌现象，土体会沿着滑裂面坍下，掘进机继续推进后，便产生顶进方向失控。
为有效处理这类问题，可在洞口两侧设置手拉葫芦，收回主顶油缸之前，借助手拉葫芦拉住掘进机或后一节管子，此外，也可在回收主顶油缸前，使用柱子将管子抵住。
3.2 地面沉降
3.2.1 渗透系数较小的土层
在粘性土、淤泥质土等渗透系数较小的土层中采用泥水平衡式顶管施工技术时，很容易对地面沉降进行控制，但要充分考虑管壁触变泥浆导致的地面沉降作用。管壁触变泥浆套具备减阻的功能，当管道进行纠偏时，管道外周附着一层粘土，泥浆还可随顶进及时的填充外周空隙，这些孔隙是导致起地面沉降的主要原因。越厚的泥浆套具有越好的减阻作用，但若其太厚，将不利于地面沉降的控制。所以泥浆套的厚度要适宜，理想的状态是正好对管壁外周空隙进行填充，并呈现连续状态。
所以为减少地面沉降，要提升泥浆套填充空隙，可采取如下措施：压浆方式使用机头同步注浆，辅助机后砼管补浆操作；顶进施工中，根据地下水位、地面变形等情况对压浆量与压力进行调整，注浆压力通常控制在2.5γ×H（H是管顶履土厚度；γ是土层容重）；为使浆液呈现环状，要对压浆孔进行科学布置，通常每个注浆断面间隔6m，且,每个注浆断面设置4口注浆孔；触变泥浆要科学配置，其失水量小于14ml/30min，粘滞度控制在20～30s，比重约1.10，稳定性好；当贯通顶管，要及时借助补浆孔开展换浆固化操作，其换浆量稍大于触变泥浆量。
3.2.2 渗透系数较大的土层
砂性土的渗透系数较大，内聚力较小，内部呈现松散状态，因此易受到扰动，开展泥水平衡法顶进作业时，因土体自承时间短，易产生地面沉降。本工程中，局部井段管线位置的地下土层为砂性土，通过借鉴以往施工经验及类似工程经验，项目部采取如下措施，成功的对地面沉降进行控制，最大沉降仅4mm，具体措施如下：对刀盘的压力要适当加大，通过前伸刀盘使前端的被动土压力变大；使刀头和刀盘间的空隙减小，为防止前端机头正面土体产生坍塌，对排泥量进行控制，并对主顶油缸的顶进速度进行调整；为保持管道顶进需切除土体量和排泥量的动态平衡，要全程绘制二者关系图，并准确及时的进行预测；提高泥水的参数指标，包括稠度、含泥量、相对密度、浓度，这样在较短的时间内，在挖掘面内形成泥膜，通过泥水压力的作用，可控制挖掘面的失稳现象，为使泥水具备一定的稳定性，可在泥浆内加入适当的增粘剂CMC和膨润土；分二步开展纠偏，首先调整机头方向，处于水平状态后要对工具管上爬趋势控制，然后对工具管向下姿态进行调整，使预设轴线靠近管子，调整工具管处于水平位置，根据曲线发展“惯性”原理，管子和工具管便回归于预设轴线位置；顶进时，触变泥浆对管道周围的扰动空隙进行填充，顶管完毕后，要及时用水泥浆置换泥浆，以保持土层的稳定。
3.3 顶管机旋转
3.3.1 出洞过程
由于正面土体进行了加固，刀盘转动时扭矩相对较大，另外刚出洞周围土体摩擦力很小，容易导致机身自转。可以采取以下两种措施：一是减慢推进速度，根据机头的压力表，选择出土的最佳时机；二是在机身与轨道的接触面的上两侧焊防转挡板。
3.3.2 顶进过程
顶进施工中产生旋转，是每条顶管施工中常出现的问题，若不及时对其进行控制，会对管内设备产生不利影响，严重时会产生液体外溢。本工程首先将从源头上控制可控因素：一是要严格控制管材的质量，确保现场对接的质量；二是规范对设备进行安装，尤其做好后靠背和油缸的安装精度控制；三是操作人员必须有丰富的经验和很强的责任心，能尽早作出正确的判断和采取相应对策。
顶进过程中控制措施包括：顶进过程中，对刀盘旋转方向的控制，把刀盘反向转动于机体旋转方向，顶管机因受到反向扭矩，方向便得以纠正，施工中，采用正、反转刀盘交替作业，可控制顶管机的旋转；根据配重法，对称分布顶管机内的设备，以控制顶管机旋转，但工作中仍有机体旋转情况产生，通过于顶头内设置配重，若顶管机右旋，在机内左侧设置配重，反之亦然；调整主顶油缸的位置与中继站千斤顶稍微倾斜放置也可作为对管道旋转的控制措施，但是只能作为辅助措施。在本项目中采用了这些方法后，顶管机旋转纠正取得了很好的施工效果。
顶管机倒退在机头刚出洞或顶进距离不够远，由于机头正面的静压力大于管线周围的摩擦力，在主顶油缸回缩的时候，经常出现管子往后退的现象，结果容易导致洞口止水装置破坏和前面土体塌方。通常可以采用以下两种措施：一是在回缩油缸前，多出点土降低土仓内的土压力；二是在轨道上设置止退装置，一般插止退销。
3.4 顶力控制
顶力若不能有效控制，会间接或直接导致扭转、偏移、隆起、沉降的情况为产生，为了有效的对顶力进行控制，首先要全面分析和计算顶进过程中受到的阻力，通过现场实际顶力与理论计算阻力比较，结合现场机械的转速、声音、刀盘电流等信息，判断其是否地下遇见风化岩层、障碍物、孤石等，进行综合分析，方可得出正确的判断。还要分析泥浆套减阻是否有效进行。其中理论顶力估算可根据相关规范及历史施工资料，对不同土层采用不同的顶力推荐值。进行顶力控制时，要降低顶进阻力，通过使用优质的触变泥浆或膨润土进行注浆，要对泥浆的失水率、造浆率、与动态塑性等参数严格控制，对浆液配置、膨胀时间、搅拌严格控制；要注意管子上预埋压浆孔位置，利于浆液出现环状；与顶进同步注浆为主，补浆为辅，各推进阶段，还要常检查的浆液情况，做好压浆工作。
3.5 管线上浮
当顶管顶进距离较长时，已顶好的管线不同的部位有时会出现上浮现象，结果会加大掘进机顶进方向控制的难度，影响管线的整体质量，所以在顶进跟踪测量的同时，必须常复测已顶进管子的标高，及早的发现和采取应对措施。同时可以采用以下两种措施：一是通过泄浆孔泄掉一定浆液，释放管子下面一定的压力；二是在上浮的管线部位两边均匀堆配重，一般用沙袋。
4 结语
顶进施工技术属于非开挖施工方法，施工中不能直观对现场情况进行判断，只能借助现场间接反馈的信息和实践工作经验，在施工过程中产生的问题进行原因分析并作出判断，施工过程控制属于事后控制，为此，要尽量使用事前控制的方式，对施工中的问题进行预防。可积极采用先进的顶进设备，提升其智能化操作水平，减少施工过程中对经验的依赖度；施工过程中，采用信息化管理，通过分析这些现场数据资料，不断优化操作参数；施工前可顺着管线方向选取一些特征点，通过钻探掌握土质的情况；先对较短的管道进行顶进施工，以获取实践工作参数，这些数据用于指导后期较长管道的顶进施工。
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