身份证号码：22072119811005XXXX；中国葛洲坝集团股份有限公司 湖北武汉 430022
摘要：地下管网是城市基础设施的重要组成部分，日夜肩负着传送信息和能量的重要任务。非开挖技术是提供安全及经济的施工方法，在密集的建筑群中，为确保临近地下管线和建筑物的安全，减轻对城区的交通条件和环境状况的干扰和破坏，属于真正的无污染。本文主要对阜阳水环境治理工程顶管施工技术进行了介绍，并对施工中的配置进行了简要的说明。
关键词：市政工程；水环境治理；顶管技术
1工程概述
1.1工程特点与难点
阜阳市城区水系综合整治（含黑臭水体治理）标段二PPP项目位于安徽省阜阳市颍西片区，项目优化调整后包含27条河道，主要建设内容包括20条河河道整治工程、26条河道水环境工程、13条河道景观绿化工程、4座桥涵工程、10座提升泵站、1座调蓄池、9座蓄水闸坝及3处水系连通等工程，调整后概算约39.6亿元，建安费下浮10%后总投资为35.9亿元。
本工程河道较多，大部分位于市区居民密集区域。河道两侧沉井、顶管施工沿线地下管线、地面建筑及绿化地带较多，工程施工进度易受外部环境影响。
2顶管施工
2.1工艺选择
采用泥水平衡式顶管。掘进机被主顶油缸向前推进，掘进机头进入止水圈，穿过土层到达接收井，电动机提供能量，转动切削刀盘，通过切削刀盘进入土层。挖掘的土质，石块等在转动的切削刀盘内被粉碎，然后进入泥水舱，在那里与泥浆混合，最后通过泥浆系统的排泥管由排泥泵输送至地面上。在挖掘过程中，采用复杂的土压平衡装置来维持水土平衡，以至始终处于主动与被动土压之间，达到消除地面的沉降和隆起的效果。掘进机在掘进过程中采用激光导向控制系统。
泥水平衡式顶管突出的优点：
2.1.1适用的土质范围比较广，如在地下水压力很高，以及变化范围很大的条件下，它都适用；
2.1.2可有效地保持挖掘面的稳定，对所顶管子周围的土体扰动比较小，因而由顶管引起的地面沉降较小；
2.1.3与其他类型的顶管比较，泥水顶管施工时的总推力比较小；尤其在粘土层这种表现得更为突出，所以特别适用于长距离顶管；
2.1.4工作坑内的作业环境较好，作业比较安全，由于它采用泥水管道，输送弃土，不存在吊土，搬运等危险的作业；
2.1.5泥水输送弃土为连续作业，因此进度比较快。
2.2顶管法施工工艺
工艺流程图：放样、复核→沉井施工（后背墙制作、导轨安装）→顶管设备就位（密封安装）→机头出工作井→送排泥泵开启→机头刀盘运转→顶进出土（泥水分离、弃土出运）→主顶推进到位→回缩主顶→顶管管节安装（接长泥水管）→顶进出土（密封安装）→机头进接收井（泥浆置换）→检查井施工→井周回填。
2.3主要施工内容
包括：洞门止水环的安装、主顶系统的安装、顶管机的组装与调试、顶进施工、注入触变泥浆，顶管机姿态控制，进洞止水安装，泥浆置换等施工内容。对顶管在施工过程中遇不良地质时，导致地面下沉，对该段施工顶管两侧用钢板桩加固。
2.4进出洞穿墙
2.4.1进出洞加固
当沉井下沉到设计高程遇到预留洞口土体软弱时，为防止顶管机出洞、进洞时土体滑塌，造成机头无法正常顶进、接收或发生飘管现象时，需对进、出洞口一定范围内土体进行高压旋喷灌浆加固处理。
2.4.2机头出工作井
将机头徐徐推进洞口，刀盘全部进洞后，调整止水圈位置，使其完全封闭地下水。
2.4.3机头进接收井
机头推进到距接收井约2m处，拆除接收井洞口处的墙壁，从接收洞口中心部位打进一根钢钎寻找机头，洞口处的土体开裂并向外凸出，仔细测量机头上、下、左、右的四个方向，与出洞口的大小、位置合适时，启动主顶油缸继续推进，至中心刀露出时，停止推进。安置机头接收托架，然后，慢慢将机头推入接收井内。
2.4.4穿墙根据周围不同条件采取以下相应措施：
①为粘性土且水头较高时，闷板开启后管道迅速顶进，并及时安装好穿墙管止水装置；
②为粉土时，降低地下水，并缩短穿墙时间；
③为淤泥质粘土时，设置防管道回弹措施；
④为砂土时，加工穿墙管外的土体，降低渗透系数；
⑤为防止顶管机出洞出现“叩头”现象，在顶管机和后续管段顶部叠加铁块配重。
2.5止水装置安装
顶进前，为防止洞口处的水土沿工具管外壁与洞口的间隙涌入工作井，在工作井内洞口处安装一道环形橡胶止水圈。为防止出洞口及顶进过程中泥水压力过大涌入工作井内，在洞口内预先安装钢板，用于安装橡胶止水圈及止水封板。
2.6主顶系统安装
流程：测量放线→导轨安装→后背墙安装→安装主顶油缸。
2.6.1导轨安装
采用25b槽钢双榀焊接而成，据测量放样位置，用50t吊车把导轨放入位置，加固稳定。
2.6.2后背墙制作
工作坑为C30钢筋砼沉井，后背墙按设计要求采用C30砼浇筑制作，与顶进设备接触侧面层配双向Φ14@200钢筋网，长宽按照管道外径D+2m控制，后背墙最小处厚度为30cm。
2.7顶进施工
按设计文件或规范要求做好顶入管节数量、顶力、中继间安放及启用、顶进方向及高程偏差、泥浆注入量及压力、水泥浆置换注浆、地面及建筑物基础变形观测等记录资料。记录资料应及时并反映施工过程的真实情况。
2.8泥浆施工
顶进中采用注入触变泥浆（膨润土浆液）减摩的方式，合理布置注浆孔。
工艺流程：地面拌浆→储浆池浸泡水发→启动压浆泵→打开送浆阀→送浆（顶进开始）→管节阀门关闭（顶进停止）→总管阀门关闭→井内快速接头拆开→下管节→接长总管→循环复始。
质量控制措施：施工前要做泥浆配合比试验，一般触变悬浮液中的膨润土含量为30～60kg/m3。
2.9中继间的安装、运行及拆除
按规范要求，一次顶进距离﹥100m时，设中继间，将结合相关规范标准和现场实际施工情况设中继间。不同管径使用的中继间外形尺寸、设置的千斤顶数目和顶力各不相同。
中继间内设备拆除后，采用C30细石砼对中继间外壳进行抹面，并且在抹面时沿外壳周圈应挂Φ6@100×100的钢筋网，防止砼脱落，砼抹面应与两侧管道内衬齐平。
2.10顶管过程控制措施
2.10.1姿态控制
顶管引起地层形变的主要因素有，掘进机头开挖面引起的地层应力损失，机头后面管道外周空隙因注浆填充不足引起的地面下沉，管道在顶进中与地面摩擦对土体的扰动。所以在顶管施工中要根据不同的土质、覆土深度和地面沉降的情况，配合测量报表的分析，及时调整泥水与土压的平衡值，同时要求坡度保持相对的平稳，控制纠偏量对土体的扰动。根据顶进速度和地层变形的信息数据控制排泥量，及时调整注浆压力和注浆量，从而将轴线与地层变形控制在最佳的状态。
2.10.2管线轴线控制
顶进中，逐节进行轴线测量，在出洞阶段和纠偏时，增加至每0.3m/次。对测量控制点要经常进行复测，保证测量的精度。顶进到了一定的长度后，轴线测量采用接站测量，在接站测量中，采用坐标法对顶进轴线进行复测，以保证测量数据的准确性。
轴线纠偏主要是通过纠偏系统来进行的。纠偏按照“勤测、勤纠、缓纠”的原则进行。
2.10.3顶管中的技术措施
①停顶处置
顶进中，遇有特殊情况，会停止顶进施工。为防止停顶时发生抱管现象，每停顶5h，对管外壁进行润滑泥浆补注1次，每停顶10h开动主顶千斤1次，缓慢向前推进100mm。
②对道路的保护
顶管施工可能造成地面沉降的主要原因包括：顶管机迎面土压失衡引起坍塌；管道与土体摩擦使土层结构破坏；管道周边有空隙；地层失水引起的二次固结沉降；管道接口渗漏等。
针对这些原因，制定如下有针对性的技术措施，加强施工管理，严格要求施工人员做到：
①施工前，必须对机手进行交底，使其要明确的内容有：管顶与道路的垂直距离、土质、地下水等情况，顶进长度、管径、管材，顶进坑、接收坑与道路的关系，顶进方式，顶管对道路的影响；
②进、出洞时，对洞口进行加固处理，保证土体稳定，防止洞口出现坍塌；
③顶进中，保证顶进速度稳定，不能出现忽快忽慢的现象；
④顶进中，为防止管道与土体摩擦造成的土层结构破坏，须同步注入润滑泥浆，并根据现场埋深与土质，确定保持的泥浆压力；
⑤顶进中，设专人巡视检查，仔细观察路面，察看路面是否有隆起、沉降、出现裂缝等现象，或原有裂缝出现加大、变小、泥液溢出等现象，做好检查记录、保留影象；
⑥做好应急物资的储备，特别是预备足量的30mm厚钢板，当出现道路沉陷事故时，立即在道路上满铺钢板，保证道路畅通；
⑦设立施工监测小组，全程进行施工监测。
2.11检查要求
顶进施工中，各个工序须严格查验，查验内容及要求见下表。
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2.12闭水试验
2.12.1基本要求
①管段要求
管道及检查井外观质量已验收合格；管道未回填土且沟槽内无积水；全部预留孔应封堵，不得渗水；管道两端堵板承载力经核算应大于水压力的合力；除预留进出水管外，应封堵坚固，不得渗水。
②试验水头
应以试验段上游管顶内壁加2m计。
2.12.2试验控制
①试验管段灌满水后浸泡时间不应少于24h；
②试验水头应按上述的规定确定；
③试验水头达规定水头时开始计时，观测管道的渗水量，直至观测结束时，应不断地向试验管段内补水，保持试验水头恒定。渗水量的观测时间间隔不得小于30min；
④实测渗水量应按下式计算：
q＝W/（T×L）
式中q：实测渗水量（L/min·km）；W：补水量（L）；
T：实测渗水观测时间（min）；L：试验管段的长度（m）。
2.12.3合格标准
管道闭水试验时，应进行外观检查，不得有漏水现象，且符合《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB50268-2008）表9.3.5规定时，管道闭水试验为合格。
2.12.4闭水试验用水
闭水试验用水量较大，优先考虑附近河道符合要求的河水，若河水不符合要求时，经协商沟通，用D100mm软质水管从附近市政用水管网接入，并做好用水量记录。试验完成后及时用潜水泵排干。
2.12.5闭水试验流程
闭水试验流程图：试验前准备→清理、检查管道及检查井→管道注水浸润、外观查看→观察→试验观测、数据记录→数据分析、结果判定（不合格→查明原因并采取处理措施→返回到管道注水浸润、外观查看这步重新开始）→合格→检测结果记录填写、见证签字→抽干管道、准备管沟回填。
3顶管技术施工重难点分析及对策
3.1顶管施工管道轴线偏差过大
管道轴线与设计轴线偏差过大，使管道发生弯曲，甚至造成管节损坏，接口渗漏。
预防措施：
3.1.1顶管施工前对管道通过地带的地质情况认真调查，指导纠偏。纠偏按照“勤测量、勤纠偏、小量纠”的操作方法进行；
3.1.2采用同种规格的千斤顶，使其顶力、行程、顶速相一致，保持顶力合力线与管道中心线相重合；
3.1.3加强顶管后背施工质量的控制，确保后背不发生位移，并使后背平整，以保证顶进设备的安装精度；
3.1.4顶进中随时绘制顶进曲线，以利指导顶进纠偏工作。
3.2地面沉降与隆起
顶管中或施工后，在管道轴线两侧一定范围内发生地面沉降或隆起，使管道周围道路交通受到影响，甚至危及到正常使用和安全。
防治措施：
3.2.1设置沉降观测，及时采取处理措施。严格控制顶管轴线偏差，执行勤测量、勤纠偏、小量纠的操作方法；
3.2.2在顶进中及时足量地注入符合技术标准的润滑支承介质填充管道外围环形空隙。施工结束及时用水泥或粉煤灰等置换润滑泥浆；
3.2.3严格控制管道接口的密封质量，防止渗漏。
3.3顶力突然增大
在顶进过程压力表指针突然增大。
防治措施：
3.3.1按不同地质条件配制适宜的泥浆，并采取同步注浆的方法，并及时足量的沿线补浆，经常检查膨润土质量，特别是不得含砂；
3.3.2顶进前对顶进设备进行认真的检修保养；
3.3.3停顶时间不能过久，发生故障及时加以排除。
3.4管道接口渗漏预防措施
3.4.1严格执行管节和接口密封材料的验收制度，严禁使用不合格产品；
3.4.2严格控制管道轴线，必须按“勤纠”、“小纠”的原则进行，以避免接口不匀而使胶圈减小止水作用；
3.4.3下管时，要用扁平吊带吊装，保护管口；
3.4.4采用C型插口管材，并选用相匹配的橡胶圈，事先检查橡胶圈的质量，临下管前抹好润滑剂，安装要正确。
3.5钢筋混凝土管节裂缝
3.5.1裂缝现象
管节纵向和环向有明显裂缝，造成管道渗水、漏水。
预防措施：
3.5.1管材进场后要进行质量验收，验收不合格要及时退货。
3.5.2顶进时严格控制管道轴线偏差，控制顶力在管节允许的承压范围以内。
3.5.3在管节运输过程中采取管垫等保护措施，并做到吊（支）点正确，轻装轻卸。
3.6顶管前端正面土体坍塌
顶管施工中实际出土量远远大于理论出土量，且地面有明显塌陷。
预防措施：
顶进中采取短开挖、勤顶进的方法，并随时注意到土质的变化情况，向土仓内加泥浆，使出土量与顶进量基本一致，保持土仓压力平衡。
3.7叩头现象
顶管机在出洞时机头头往下偏差较大。
3.7.1原因
顶管机在出洞时，或是由于洞口没有延伸导轨，或是由于土质软而产生叩头，不仅泥水平衡式顶管有，其他形式的顶管也有这种现象。
3.7.2防治措施
首先在洞口处应设置延伸导轨或者用砖头砌一个弧形的托，把顶管机下部托住，不让它叩头。如果土太软则应采取对进、出洞口一定范围内土体进行注浆加固措施。
3.8其它注意事项
3.8.1当掘进机停止工作时一定要防止泥水从土层或洞口及其他地方流失。不然，挖掘面就会失稳，尤其在进洞这一段时间内更应防止洞口止水圈漏水；
3.8.2在掘进过程中，应注意观察地下水压力的变化，并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；
3.8.3在顶进中，随时要注意挖掘面是否稳定，要不时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泥和堵塞现象；
3.8.4在顶进施工中加强顶进段的地表沉降观测，由项目部成立专门测量小组定时进行地表沉降观测，地表沉降观测应按照2次/d频率进行，观测频率应根据实际受施工影响的情况进行调整，遇到较大降雨时以及观测值达到预警值时观测加密。
4结束语
泥水平衡和土压平衡顶管设备代表着现在世界非开挖施工技术的最高水平。我国目前采用的非开挖技术主要有顶管法、夯管法、水平导向钻进法等几种工艺。
随着我国国民经济的高速发展和政府对环境的日益重视，自20世纪90年代中期以来，非开挖的工程施工量和投入的设备数量均以每年40%的高速度增长。据数据显示：我国每年需铺设的管线长度上水管为5000km，下水管为3000km，电信管线26000km，此外还有30000km的管道急需更新和修复（尚未计天然气管道和煤气管道）。非开挖技术在我国已形成了一个新兴的产业，引起了各级政府和环境部门的高度重视，极有潜力。尤其在处于中国管道大发展的21世纪，非开挖技术将具有十分广阔的应用前景，经济效益和社会效益也将非常巨大。
作者简介：
刘辉，男，中国葛洲坝集团股份有限公司，工程师，湖北武汉。