高地下水位下顶管施工方法及措施分析

高地下水位下顶管施工方法及措施分析

汪 帆

（福州市建委灯管办）

【摘要】本文以闽江沿岸南江滨大道污水管道工程为背景，对高地下水位地质条件下的顶管施工方法进行简要分析，并详细叙述了应对高地下水位地质条件下，采取的不排水沉井、安装止水圈、洞口土体防水加固施工措施和穿越河道支流时的有关控制措施。

【关键词】高地下水位；顶管；施工；措施

1 工程概况

福州市南江滨东大道及绿化等配套工程项目位于闽江南江滨大道，其污水管道工程管径为1400mm，采用钢筋混凝土管，总长1400m，管道埋深覆土深度4～6m。场地内陆层主要由杂填土、淤泥质土、中砂、淤泥、粉质粘土、坡积粘性土、残积粘性土、全风化花岗岩、砂土状强风化花岗岩和微风化花岗岩等组成，据调查，场地地下水位高，近3～5年最高地下水位埋深为0.20m，历年地下水最高地下水位埋深为0.10m。

施工现场场地紧邻闽江，位于下游地段，地质情况复杂，场地的地下水与地表水有密切的水力联系，水位高，水量大，地下水压力变化较大，施工段土质夹杂淤泥，稳定性较差，管道埋深较深，且管道路径上需穿越闽江一条支流和铁路桥，开挖埋管难以施工，应采用非开挖施工；结合现场的地质情况和周围环境条件，确定采用泥水平衡式顶管施工方法。

2 顶管施工方法

2.1 泥水平衡顶管

泥水平衡式顶管是通过进水管向顶管机刀盘后的泥水舱内供给一定比重、一定黏度、一定压力的粘土及其他添加剂和水混合而成的泥水，让其在顶管机挖掘面上形成一层泥膜，并以泥水舱内泥水的压力来平衡挖掘面上的土压力和地下水压力，同时又通过排泥管把顶管机刀盘切削下来的土砂变成泥水输送到基坑地面上的一种顶管施工工法[1]。对地下水位很高、地下水压力变化较大的地层，泥水平衡式顶管施工工法具有技术先进、平衡效果好、土质适应性强、地表沉降少等优越性。具体工艺流程见图1。

图1 工艺流程图

2.2 顶力估算

本工程使用的是外径1720mm的泥水平衡顶管机，因土质参数大致相同，取顶管机外径和最大单元长度（最长150m）进行顶力计算。顶力估算参考《给水排水工程顶管技术规程》（CECS246:2008）计算：

顶力F=F1+F2

式中：

F——总阻力；

F1——顶管正面阻力；

F2——外壁摩阻力。

F1=п(D2/4)γH

式中：

D——顶管机外径，取1.72m；

γ——土的重量，取1.9t/m3；

H——地面至掘进机中心的高度取值7m。

F2=πDfL

式中：

f——管外壁与土的综合磨擦阻力，按地质勘察报告取0.50t/m2；

D——管道外径，取1.72m；

L——顶管顶距取150m。

当然，根据设计及地质资料进行理论计算可能与实际存在偏差，所以中继间的布置可以根据具体施工时管道的实际推力进行调整。为了完全满足顶力计算结果要求，采用了四个200t的等推力油缸，考虑到顶管中触变泥浆减阻，未增加额外的中继间；实际本工程顶管中顶力一直未超过理论计算值。

2.3 泥水平衡系统

泥浆系统的作用是为了平衡地下水和送走被挖掘机的渣土。泥浆系统主要由泵和密封管道构成，泥水在机头循环形成了泥浆混合物，通过排泥管排到设在地面沉淀池内，经过一定时间，较大颗粒自然沉淀在底部，抽出上层清水送入机头重复使用，下层泥浆可分离出来进行处理。挖掘粘土时泥浆有一定粘合度，可直接排进泥浆池，但挖掘沙土时，为了达到排渣的目的，必须添加一定的粘合剂（诸如膨润土等）来增加泥浆粘度。泥浆系统中的泥浆池要靠近工作井，这样可减少由于排泥管路过长而产生的管路摩阻力。

为保证掘进时开挖面稳定，在泥水仓内输入的泥水压力应比机头掘进出土层的地下水压高。掘进过程中要经常关注压力仪表和排泥处水头变化，如水头增大说明地下水压力增大，这时应采取调整顶进压力、减小泥水泵压力或调控阀门大小的措施来保持挖掘面稳定。还要经常检查排出泥水浓度、密度和所含的物质，检查对照排泥泵的流量计压力正不正常，若排泥量过小则会淤积堵塞排泥管，排泥量过大则造成挖掘面失衡。

2.4 纠偏

纠偏的目的是为了保证顶进轴线始终处在设计轴线允许偏差范围内，本工程采用的是激光经纬仪。通过在顶进过程中密切注意激光点的偏向进行顶管位置测量。顶进施工中，操作方法要严格按勤测量、勤纠偏、小纠偏的控制执行，控制管道轴线在允许偏差范围内。主要做法是不断观察各种指示仪表和机头的轴线位置，及时纠正管道轴线方向，同时根据土压力大小对顶进速度进行调整。纠偏过程中主要是运用工具管头的纠偏机械或靠人工实行纠偏，而工具管则是纠偏重要的工具，其纠偏的好坏直接影响到顶管工程质量。

2.5 触变泥浆减阻

触变泥浆减阻是在顶进过程中，通过顶管机尾部的同步注浆与管道上的预留孔向管节外壁和周围土体的空隙压注一定数量的减摩泥浆，达到减小管节外壁和土体间摩阻力、降低顶进时阻力的效果。在管节外壁能否形成完整的泥浆套，将直接影响到泥浆的减摩效果。触变泥浆在管壁和砂层间形成一层不透水的防水层，有利于施工和使用阶段的防水，可以避免泥沙涌入，减少顶管周围土壤扰动，使顶管顺利进行[2]。本工程减摩泥浆采用膨润土、CMC、纯碱和水按比例配方组成，浆液配比为膨润土:水:纯碱:CMC粉末化学浆糊=400:850:6: 2.5，该浆液性能稳定，有良好的触变性和一定的稠度，对土层能起到一定的支撑作用，适合砂性土、高地下水地质，施工中使用的效果较好。

3 应对高水位采取的施工措施

由于闽江下游地下水位高，地下水位随潮汐涨落，顶管施工会碰到很多困难，特别是高地下水位对沉井施工、顶管机进出洞时造成的施工困难，应制订可靠的应对措施予以解决。

3.1 不排水沉井

场地紧邻闽江，场地的地下水与地表水有较密切的水力联系，地下水位高，水量大，确定沉井采取分节制作、不排水分次下沉、水下混凝土封底的施工方案。沉井分三次预制，二次下沉，采用抓斗机械配以高压水枪冲刷挖土的方法进行施工。高压水枪冲刷挖土用由高压水通过水枪冲刷沉井井底的土层，形成一定稠度的泥砂浆，然后用吸砂机将泥砂浆水抽出，使井底土层形成锅底状，让沉井在重力作用下克服阻力下沉。为保证沉井外泥砂不大量漏进井内而引起井外塌陷，施工中除会流水外，必要时往井内补水，保证井内水位高于地下水位1～2m，形成压力水。

沉井到位后保持井内水位和地下水位平衡，在水下浇筑混凝土封底。封底前应将基底的浮泥沉积物清除干净，并往井内注入清水，使井内水位不低于地下水位。为防止浇灌混凝土时砂土涌起于水下混凝土混合，在锅底预先铺一层块石镶碎石垫层缓冲。水下混凝土封底的浇筑顺序应从低处（锅底）开始,逐渐向导管周围扩大。封底不得间断，一次灌注完毕。在水下封底混凝土的强度达到设计规定、且沉井能满足抗浮要求时,方可将井内的水抽出，并检查封底质量。

3.2 洞口安装止水圈

顶进前，在工作井内洞口处先安装一道环形橡胶止水圈，既能防止洞口处的水土沿工具管外壁与洞门的间隙涌入工作井，又可在顶进施工过程中防止减摩浆从间隙处流失，达到保证泥浆套的完整、减小顶进阻力的效果。止水圈由橡胶圈、预埋螺栓和钢压环组成，结构如图2。

图2 洞口止水圈结构

⑴前止水墙；⑵预埋螺栓；⑶橡胶止水圈；⑷压板

3.3 进出洞洞口土体防水加固和机头加固

根据顶管进展情况，为保证掘进机进出洞口时的安全，防止顶管机进出洞时水土沿工具管与井圈之间的建筑空隙涌入接收井内，对出洞口直径范围内土体进行高压喷射钻孔灌浆加固改良。对处于高地下水位的井位进出洞口采用四排高压喷射钻孔灌浆桩，其余井位采用两排桩，单重管注浆，桩径采用500mm，注浆压力22.5MPa，桩之间的搭接长度50mm，呈梅花型布置，加固范围洞口上方2.5m，洞底下方2.5m，宽度为洞口四周距管道外侧2～3m。水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥，为保证注浆形成桩体的强度，顶管机进出洞应在注浆完成14d以后才开始。

在机头进洞时因土体是主要由淤泥、砂构成，地下水位高，结构松软，地基的承载力差，容易因正面应力的突降而造成前几节管节的脱节，为了保证机头顶进不下沉，在进洞时将机头与后面的五节管道用拉杆牢固连接成为一个整体，同时用两个手拉葫芦在导轨上间隔一米拉紧，使得机头沿导轨方向顺利顶进。

实际施工中，顶管机进出洞过程顺利，没有大量泥沙涌进井内，确保了顶管施工安全。

3.4 穿越闽江支流及池塘（薄覆盖层）时的控制

该污水管道线路在跨闽江支流及其相连的池塘段，支流河底标高仅比顶管管道顶部高出2m，小于规范中要求的最小高度，容易造成顶管过程中“抬头”现象。因此，在施工过程中采取了在顶管经过的河道和池塘上抛砂袋和石块进行预压，增加顶管上方覆盖层的厚度；并且在顶管顶到该段时，在垂直方向上增加一个向下俯角，该俯角的角度应进行详细计算和严格控制。在实施上述控制措施后，顶管顺利通过该段，未发生异常现象。

4 结语

滨江地区地质复杂，地下水位高，在管道施工中采用泥水平衡顶管技术比较适应，本工程采用的顶管施工减少了对河堤驳岸的影响，对沿线房屋和公共管线起到了很好的保护作用，在施工过程中根据现场实际发生情况，制定切实可行的施工方法，采取了相关施工措施，克服了由高地下水位给顶管施工带来的困难，保证工程的质量安全。但该工程顶管施工中出现了硬质铁板泥砂，

土质变化与详勘不符情况，致使机头阻力增大、刀盘磨损加快，因此，今后类似工程施工前，建议进行更详细的加密勘测，并需保证顶管设备的可靠性。●

【参考文献】

[1]孟宪翚,庞德刚,杨敏,蒙毅,彭艺艺.复杂地质条件下污水管道顶管施工技术的选择与应用[J].中国给水排水,2016,32(8): 134-138.

[2]周占学,李永利,马国庆.高地下水位高透水地质条件下的顶管施工技术[J].中国给水排水,2012,28(10):107-108.