摘要：随着我国社会经济的高速发展，环境问题也越来越突出，对赖以生存的水环境的影响越来越严重，进行污水处理刻不容缓。污水管道施工当中大量采用泥水平衡顶管施工工艺，该工艺优点在于①占用空间小，在城市道路日益拥堵的今天能够有效减少对交通的影响②施工安全，施工人员不接触掘进面，减少安全风险。本文通过对下穿大石水道D2000混凝土管顶进施工的实践总结出长距离大直径过河顶进混凝土管的施工工艺，通过对方案制定与现场实际相结合，得出相应的处理措施以及切实可行的施工工艺，对后续近似地质以及工况的过河顶管有切实的指导意义。
1引言
泥水平衡顶管工艺以其施工安全系数高、城市干扰小的优点，在城市管网建设中越来越多的采用，本文以广州市番禺区南浦岛管网工程下穿大石水道段顶管工程为实例，对大直径长距离下穿河道顶管施工工艺进行系统的阐述，对如何保障洞口止水、顶进方向控制以及中继间的采用详细的进行了介绍。
2工程概况
2.1工程简介
番禺区南浦岛污水管网工程，包含污水管道敷设、截污井等各类井浇筑及砌筑、路面破除及修复、提升泵站建设等。本文阐述的过河顶管工程位于广州市番禺区大石净水厂，管道在广州碧桂园围墙外穿大石水道接入对岸大石净水厂，过河段污水管312米，设置9米的工作井和接收井各一个，沉井开挖深度为20.1m、18.5m，设置5排高压旋喷桩地基加固及止水，进一步增加孔口封闭效果。主管道采用DN2000的III级钢筋混凝土管材穿越现状大石水道，管道埋深17-18m,内套两根D820*18钢管。
2.2施工重点、难点分析
本工程顶管直径为D2000混凝土管，管道埋深达到17-18米，地下水压大，因此顶进开口的止水施工是控制难点；在顶进阻力的控制、中继间的使用以及减阻措施的选择上难点；管道一次顶进距离达到312米，因此顶进的方向控制和纠偏是控制难点。
3重难点施工措施
3.1洞口止水施工控制
（1）双液浆高压旋桩止水
原设计采用水泥高压旋喷桩，经过现场实际试桩，成桩效果不理想，通过添加水玻璃形成双液浆成桩效果良好。水泥浆按1:2水灰比配制，水玻璃浆按水：水玻璃=1:3配制，两种浆液按1:1配比成双液浆，缩短浆液凝固时间至29秒，提高成桩率加强止水效果。
（2）双层加强止水环安装
井口止水环安装是顶管成功与否的关键环节，为保证止水环止水效果，采用双止水胶圈止水。止水环采用1.2cm厚度钢板、固定卡片、2层止水胶圈加工而成，安装时止水环采用井壁上打膨胀螺栓固定，收紧活动卡片，待机头位置进入井壁再采用专用堵漏材料填充空隙。
（3）顶管机进洞止水措施
1）工作井进洞处理：顶管机进洞前开孔位置采用风炮进行破除，切除结构钢筋，破除时预留10cm素混凝土不破除，进洞时采用顶管机顶进磨除剩余的10cm素混凝土，使顶管机的止水带和周边混凝土密贴，强化洞口止水效果。
2）在顶管机进洞施工开始，由于顶管深度位于17米以下，且地下水丰富，水压大，机头正面的水压力以及主动土压力远大于管道四周的摩擦力和管道与导轨间的摩擦力之和，因此容易产生已经顶进的管节回缩，进而机头前方土体坍塌出现事故，当机头再次顶进时造成顶管机机头的方向失控给后续纠偏带来困难。因此，施工前即在洞口的两侧各安装好一条槽钢，当主顶的千斤顶退顶安装下一节管道时，将两条槽钢分别与管道钢套环焊接，固定好已经顶进的管节然后回退千斤顶，防止了机头回缩，再次顶进下一节管道时拆除焊接点继续顶进，反复以上工序共顶进约5节管节时即可以正常顶进。
3）由于顶管机的刀盘在转动时对顶管机前方的土体会产生扭矩，同时土体对顶管机同时也会产生一个扭矩，所以进洞施工初期顶管机容易发生扭转现象。而由于顶管机周边的摩擦力和与导轨间的摩擦力很小，故摩擦力及顶管机自重所产生的反抗扭矩小于土体对顶管机产生的扭矩，所以此时顶管机会扭转。为了克服此现象，防止顶管机发生扭转，分别在顶管机的两侧焊上各一块挡板，挡板底面与导轨面平齐。当顶管机扭转时，挡板压在导轨上，防止顶管机扭转。
4）穿过高压旋喷桩止水墙：高压旋喷桩硬度大，顶进不能过快，否则将会造成机头的严重扭转以致顶管机被损坏。因此，进洞初期要放慢顶进速度，一般顶进速度控制在20mm/min。加大进、出浆管道的泥水流量，防止旋喷桩止水体的硬块堵塞出浆管道影响施工进展。
3.2顶力控制、中继间使用及减阻措施
本工程顶进距离较长达到312米，同时受下穿河道顶管不良因素影响，必须确保一次顶进成功，因此在顶进的方案选择上，采用增加中继间的方式进行顶管。
3.2.1设备选型
①地质条件
0-3m素填土，主要成分为碎石；3-11.2m淤泥，饱和，局部粉细砂与淤泥互层；11.2-16.3m粉砂，饱和，松散；16.3-18.6m粉质粘土，饱和，可塑，粘性较强；18.6-20m全风化泥质砂岩。
顶管位置主要位于全风化泥质砂岩地层。
②设备选择
根据工程区土质情况，顶管位于全风化泥质砂岩地层，同时根据类似工程施工经验，顶管机选择上选用岩石顶管机顶进。
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3.2.2增加中继间接力顶进
在顶进过程中，随着顶进管道距离的增加，管道与四周的的摩阻力也随之增大，主顶的推力同时增大，当管材的强度以及工作井的后靠背结构强度不能满足主顶的顶力时，必须采取增加中继间的方式接力顶进，防止因推力过大造成管材、后靠背破坏。
本工程在第80米、第160米和第240米设置3处中继间。在长距离顶管工程施工当中，中继间配置必不可少。中继间外部为钢套管，钢套管内部四周均匀的布置多台小型千斤顶，使用时，通过中继间内部的小型千斤顶伸长动作，推动外部钢套管向前方顶进，外套管顶进一段距离后（不超过小型千斤顶行程），主顶启动向前顶进使中继间内的小千斤顶回缩，如此反复由主顶和中继间互相配合推动管道向前顶进。中间可以设置多个，采用相同的方式可以分几段减少主顶的推力，不致使管节因推力过大导致爆管和后背墙体破坏。
中继间的选用上必须保证刚度大、加工和安装精准，同时有良好的密封性不得漏水。
（1）其主体结构主要由以下部分组成：
① 小型千斤顶，其性能、规格要求一致，行程30cm，。
② 钢套管壳体、密封止水圈、加强肋。
③ 液压管道、操纵系统和电器。
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中继间的钢套管壳体外径必须与管道的外径相等，壳体和管道连接处由良好的密封性和润滑性。
（2）推进流程：
第1个中继间顶进――第1个中继间停顶――第2个中继间顶进――第2个中继间停顶――主顶推进――第3个中继间顶进――第3个中继间停顶――主顶停顶(如此循环)
（3）中继间的配置
中继间在安放时，第1只中继间放在比较前面一些。因为顶管机在顶进过程中推力的变化会随地质情况的改变而有较大的变化。因此，当主顶油缸达到中继间总推力40％～60％时，安放第1只中继间，以后，每当达到中继间总推力的70％～80％时，再安放1只中继间。
当主顶油缸达到中继间总推力的90％时，启用中继间。中继间设计允许转角1°，每道中继间安装一套行程传感器及限位开关。中继间在管道上的分段安放位置，可通过顶进阻力计算确定。
3.2.3管道顶力计算
D=2000mm、泥水平衡机械顶管顶力计算：
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F—总推力(KN)；
D0--顶管外径(m),按线路管径D=2000mm，取外径D0＝2.20 m；
L—设计管道最大顶进距离(m)，312m；
fk—土的单位面积与管道外壁平均摩阻力(KN/㎡)经验值fk =6KN/㎡；
Nf --迎面阻力(KN)，查泥水平衡顶管机表计算公式得：
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K0—静止土压力系数，一般取0.55；
H0—管道覆土厚度，取最大值16m；
—土的湿密度，取18KN/m3；
解得：Nf =（3.14/4）×0.55×16×1.8=12.4KN；
则：F=3.14×2.2×312×6+124.4 =13056KN，即F=1305.6t；
根据以上计算，D2000、Φ1650的顶管设备的千斤顶至少需要提供13056KN的顶力才可满足顶力的要求。Φ1650的顶管设备可提供350t*4=1400t的顶力，满足施工要求。
3.2.4管道传力面最大允许顶力计算
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Fde-混凝土管道允许顶力设计值。
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fc-混凝土强度受压强度设计值；
Ap-管道最小有效传力面积；
YQd-顶力分项系数，取1.3.
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通过以上计算，在顶管时取控制顶力为管道允许顶力的80%即728.1*0.8=582.5t.
3.2.5中继间设置
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上式中：
n-中继间数量；
D1-管道外径；
fk-管道外面平均摩阻力，取0.6t/m；
f0-中继间设置允许顶力，取900t；
L-顶管长度，取312米
带入数据得出n=2.4，需要设置3个中继间。
（1）第1只中继间设置
因控制顶力不能超过管道最大传力面允许顶力的80%，因此控制顶力为728.1*0.8=582.5t，千斤顶设置顶力控制顶力的60%，为582.5*0.6=349.5t。
因此带入总顶力计算公式：
349.5=3.14×2.2×L×+12.4,L=81.33m.因此第一只中继间设置于不超过81m处，设置于80米的位置。
（2）第2只中继间设置
同（1）第2只中继间设置于160m处，第3只中继间设置于240m处。
3.2.6后背墙受力计算
本工程按照污水管最深埋深为16米计算,后背墙按4*3*1米施工，当地质为粘土时后背墙受力计算公式：
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其中：
R-总推力支反力（一般大于推力的1.2－1.6）；
a－系数（取1.5－2.5之间），此处取2；
B－后背墙的宽度（M），此处取4米；
γ－土的容重（KN/M3) 此处取19.02 kN/m3
H－后背墙的高度(m)，此处取3米；
Kp-被动土压系数
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，此处取1.98；
c-土的内聚力（kPa) ，此处取15；
h-地面到后背墙顶部土体的高度（M），此处取15米；
带入计算：
2×4[ (0.5×19.02×32×1.98)+(2×15×3×1.980.5)+(19.02×15×3×1.98)] =1592.7T
工作井后背墙加护套后能承受1592.7T顶力＞实际顶力1305.62T。完全能满足要求。
3.2.7长距离顶管减阻措施
在顶进过程中，管道摩阻力随着顶进距离的增长而增大，顶进效率就会降低，为了提高顶进施工的效率，施工过程中必须采取减阻措施降低管道外侧的阻力，本工程选用向管外壁压注触变泥浆的方案，用来降低管道外侧摩阻力。
1）触变泥浆系统设置
在施工顶进的过程中，需要经常进行压注触变泥浆工作，用来减少顶进的阻力。在管道的尾端设置一道共4支注浆孔，呈90°环向均匀布置，孔道直径35mm，顶管机后面4节每节都设置有注浆孔的管节，以后每隔2节管节设置一节有注浆孔的管节，注浆管每隔6米在注浆孔位置安装1支三通，连接至注浆孔，通过总管压注至管节外壁形成泥浆套。
（2）浆液配置
触变泥浆的性能要稳定，施工期间要求泥浆不失水、不沉淀、不固结，既要有良好的流动性，又要有一定的稠度。
触变泥浆是由膨润土、水、纯碱和CMC按一定比例混合而成。触变泥浆配合比为：膨润土：水:纯碱：CMC＝130：870:4.5:4。本工程采用的是购置袋装复合材料膨润土，在现场采用专用容器加水拌和。搅拌时应充分，并放置一段时间方可使用目的是为了使其添加的材料充分融化。
触变泥浆系统由拌浆、注浆和管道三部分组成。拌浆是把注浆材料兑水以后再搅拌成所需的浆液(造浆后应静置24小时后方可使用)。注浆是通过注浆泵进行的，根据压力表和流量表，控制注浆的压力(压力控制在水深的1.1～1.2倍)和注浆量。管道分总管和支管，总管安装在管道内一侧，支管则把总管内压送过来的浆液输送到每个注浆孔上去。
（3）注浆工艺流程
浆液配置―浆液静置―初始注浆―顶管机前进(注浆)―顶管机停机―停止注浆。
（4）数量和压力
压注压力根据管顶水压力而定，压浆量须填满管道外围环形空隙且不小于空隙的1.5倍。
3.3顶进方向控制及纠偏
3.3.1进洞初期方向控制
顶管进洞的工序非常关键，顶管进洞时要防止机头下跌，因为在穿墙的初期，入土浅，机头的自重仅由导轨、较浅的土体两点支承。因此，机头穿墙时，一方面穿墙管下部要有支托，并且加强管段与工具管、管段与管段之间的联结，另一方面要带一个向上的初始角（约5′）。此外，机头的推进一定要迅速，不使穿墙管内的土体暴露时间太长。顶管穿墙位置必须作好止水，防止孔口因流失减阻泥浆，造成孔口塌陷，发生安全事故。
3.3.2顶进过程方向控制
1、顶进前准备测量工作
顶进施工前对周边的控制点进行复测，采用高精度测量仪器放样出管道轴线方向和管道标高，本工程顶管井位于J1、J2井，顶进方向为从J2顶进至J1。在J2井观测台上安设激光经纬仪，调整激光经纬仪使其发出的激光与管道的轴线重合，坡度符合设计要求，该激光束作为顶管的基准线，机头位置安装光靶，顶进开始时光靶中心与激光经纬仪激光束重合。同时机头位置安装视频监控装置，在操作间可以随时观察顶进方向情况，便于随时发现进行纠偏。
顶管施工测量重点在于高程、坡度以及轴线。
1）测量放样
测量前在井周设置水准点，水准点布设位置远离井周及顶管范围20米，主要是为避免顶进施工过程中塌陷导致水准点失效。
本工程顶管井较深达到18米，标高放样采用水准仪倒尺法进行测量标高，根据放样的标高进行顶管开口、导轨安装以及观测台的调整。
2）纠偏措施
安装于顶管机机头的测量靶网格的间距为10mm，根据顶管机测量靶激光点的偏移量计算顶管机的斜率，伸出相应的纠偏千斤顶组，使顶管机推进改变方向，从而实现顶进方向的控制。施工开始时使测量靶中心与激光光斑中心重合，当掘进机头出现偏差，相应测量靶中心将偏离光斑中心，从而给出偏离信号，通过视频传送到操作台的监示器，进行顶进方向的纠正，使机头始终沿激光束方向前进。
机头开始顶进5～10米的范围内，纠偏尤为重要，前10米位置偏离就会造成尾端方向不可控，因此当超出允许偏差时，必须采取纠偏措施。纠偏应缓缓进行，使偏差的管节逐渐复位，不得猛纠硬调。
机头前方安装带有纠偏千斤顶的纠偏节，顶进过程中，根据视频监控显示的结果，调整纠偏千斤顶，使机头改变方向，从而实现顶进方向的控制。如果机头的方向偏差超过10mm，则必须立即采用纠偏千斤顶进行纠偏。
管顶出穿墙管及在长度30～40m范围内的偏差是影响全段偏差的关键，特别是出墙洞时，由于管段长度短、机头重量大，近出洞口土质易受扰动等因素的影响，会导致向下偏，此时，综合运用机头自身纠偏和调整千斤顶的作用力合力中心来控制顶管方向。
如顶管机的测斜仪及激光经纬仪测量偏位趋势没有减少，增大纠偏力度，顶管机的激光经纬仪测量偏位趋势稳定或减少时，保持该纠偏力度，继续顶进，当偏位趋势相反时，则需要将纠偏力度逐渐减少。
顶管施工的顶进管道允许偏差（mm）
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注：D为管道内径（mm）
4顶管过程的质量控制
4.1顶管进出洞口的质量控制
①安装止水圈
安装位置要根据出洞轴心位置进行调整，由于顶管出洞时不可避免有一定偏离出洞轴线位置，止水圈允许机头有2cm轴线位置偏差，若偏差超过2cm，则由止水圈失效漏水的隐患，此时止水圈的安装位置必须根据实际偏差进行调整。
为了使管壁外围形成泥浆套，所以机头的直径一般比管材的外径大2cm，施工时有2cm的间隙，便于减少管壁与土之间的摩擦阻力。
②止水高喷桩
在洞口处设置高压旋喷桩进行止水，分别在井圈周围和洞口处，高喷桩施工中，详细记录钻进情况，如遇到有障碍物需要联系值班技术人员调整位置，确保止水桩必须闭合不漏水、漏砂。
4.2顶管轴线控制措施
①短纠偏勤量测：即每顶进一节管道，测量一次机头轴线及标高偏差情况。通知机头纠偏工人，纠偏工人再将机头现在纠偏角度、各方向上千斤顶的油压值、轴线的偏差等报给中控室的操作手，输入控制台。控制台将显示出纠偏方法、数据，再按此进行纠偏。
②小角度纠偏：每次纠偏角度要小，控制台每次指出的纠偏角度变化值一般的都不大于0.5o，当累计纠偏角度过大时应联系技术负责人，决定采用哪种纠偏措施。
4.3中继间顶进中渗漏预防措施
中继间止水带的连接工作十分重要，如按一般接缝处理，不设止水带时，往往由于结构的不均匀沉陷，致使接缝止水失效。因此最好采用预留缺口，然后设橡胶止水带的方法，使止水带既能止水又能适应结构的沉降要求。
中继间渗漏的原因，这是由于中继间的密封圈受到磨损后失效导致。
中继间渗漏的处理措施：中继间密封圈设计成双密封圈，密封圈的空隙采用油脂灌封，防止杂物进入，减少密封圈磨损。
5结语
本次过河顶管工程正常一次顶进达到312m，由于顶管机选型得当，采用的各项施工技术措施选用合理、施工中采用3只中继间接力顶进，轴线偏差符合规范要求。取得了良好的经济效益和社会效益。
止水桩的调整较好的防止开口和顶进过程中的涌水涌沙导致的地面下陷，未施工安全提供了保障
触变泥浆的成功运用，极大的减小了侧向摩阻力，为顶进的进度和轴线的质量控制创造了有利条件。
中继间的合理布置解决了长距离顶管顶力不足的难点，同时避免了布置过多引起施工难度的增加和成本的增加。
通过本工程的施工，下穿河道大直径长距离顶管积累了大量的经验，今后可以应用到工程实际当中。