1、对气压平衡顶管施工技术原理及主要施工工艺进行的研究摘要：针对河源市沿江路及东堤路污水截流工程中遇到的沿江路地段多数管道位于卵石土中，地下水丰富，且土质不均匀，顶管阻力大等问题，对气压平衡顶管施工进行了技术研究和公关。 关键词：气压，平衡，原理，施工，工艺 中图分类号： P424 文献标识码： A 1 前言 目前的顶管施工形式主要为土压式、泥水加压式，对于气压平衡的施工形式相对比较缺乏，对特定复杂地质条件，土压式、泥水加压式施工难度加大，解决特定复杂环境下的顶管施工，气压平衡顶管施工具有推广价值。 2 工程概况 河源市沿江路及东堤路污水截流工程，工程范围为土方、污水管道工程（含 1.2M、1.3
2、5M、1.5M，共长 1981M 的顶管工程） ，鉴于沿江路地段多数管道位于卵石土中，地下水丰富，且土质不均匀，顶管阻力大；根据最新补充的地质勘察报告显示，场地东段（ZK68ZK82、ZK84ZK87 钻孔地段） ，浅部粉土层、人工填土层均匀性差，稳定性差，且因临近新丰江，地下水丰富，开挖易产生流砂。 3 工艺原理及工艺流程 3.1、工艺原理概述：气压平衡式顶管的工作原理是，通过作用于临时掘进工作面上的气体压力（这里的气体压力一般根据工具管底部的地下水压力来确定） ，来阻止地下水。在整个掘进工作面的高度范围内，作用的气体压力是相等的，但地下水的压力是有梯度的，因此在工具管的顶部就形成一个超过平
3、衡压力的气体压力区。在这一压力作用下，地层空隙中的水被挤出，地层也从原来的饱和状态过渡到半饱和状态，从而起到平衡挖掘面的作用。 工艺原理图： 设备布置图： 1-冷却塔；2 带纠偏装置的工具管；3-第一道气闸门；4-空压机；5-第二道气闸门； 6-空气滤清器；7-防漏气装置；8-送气管道 3.2、气压平衡顶管施工工艺流程 4 顶管作业主要施工工艺 （1） 、掘进 （2） 、运土 （3） 、气压平衡装置的起用 在实施前，应进行试压试验，确保工作舱的气密性。 气压计算：鉴于人体能承受的安全气压为 0.36Mpa，必须保证最大工作气压限制在 0.36Mpa 以内，故空压机的最大加压压力必须应控制在0.
4、36Mpa 以内。鉴于气压平衡式顶管施工的特殊性和高风险性，气压平衡式顶管的施工必须由具有相应专业资质及施工经验的施工队伍来施工，施工人员必须经过专门的培训且具有一定的实际施工经验。根据以往的施工经验和技术规范，气压平衡顶管施工的相关技术指标为： P=p【1】 其中：P为选用的气压指标， 为经验系数、取 0.8，p 为地下水在工具管中心点的水压力 根据本工程的实际情况，基本参数：管线中心设计标高为 30.25m，地面标高为 40.00m，覆盖层厚度为 9.75m10.3m。 地下水压力 p=（10.3-3）1=0.073Mpa（ 为 0.8，则0.8p=0.058） ，经过计算，本工程拟采用的
5、控制压力为 0.0580.073 Mpa。 当遇见含水量较大或流砂现象的地层时，为保持掘进面的稳定，防止出现坍塌，而引起地面的塌陷，应立即起用气压平衡装置。 首先，关闭顶管机第一道压气舱门，使工作舱与大气隔绝。在工作舱完全密封的情况下，向工作舱输入压缩空气，气体的压力一般要高出地下水压力 0.01MPa,以阻止地下水涌入工作舱，达到平衡掘进面地目的。第 2 步作业人员进入物料舱，关闭第二道舱门，也向该舱输入与工作舱同等压力的压缩空气，然后打开第一道舱门，作业人员开始掘进作业。第三步当物料舱装满后，停止掘进，关闭第一道舱门，打开第二道舱门，装土、运输。如此反复循环作业。为保证作业人员的安全，必须
6、保证最大工作气压限制在 0.36Mpa 的人体能承受的安全气压。 挖掘、气压加压操作流程 （4） 、顶管施工测量 顶管施工测量工作分以下四个方面： 、顶进前的准备阶段测量：工作坑开挖之前应对工作坑轴线，距离和引临时水准点进行复测贯通，顶进前应对工作坑的方位，高程进行复测，并标定管道中心线，设立临时水准点。开始顶进的第一节管必须平稳进洞，位置正确。 、顶进过程中的测量：管道轴线及高程均由激光经纬仪测定，经纬仪架放在工作井的后部，并固定在底板上，顶管机后端装设激光光靶，操作人员通过观察激光光点偏移及顶进长度，判断管道前进的趋势，及时采取纠偏措施，校正前管段方向。主要是对首节管进行测量，每天不少于
7、2 次。除对首节管频繁测量外，每顶进 30m-50m 还对整个顶进管段进行复测，检查中间管节有无下沉现象。当管道顶进发现偏斜误差时，每顶进一镐即要测量纠偏一次。 、地面观察测量：为检查地面有无沉陷和隆起，开始顶进前，应在路面上选好基线（中心轴线） ，在慢车道和快车道两端横向 10m 范围每设置一水平基点，以保证顶进控制的精度。对通过有地面建筑物的顶段,在其建筑物上选点作为沉降观测点。 、工程竣工测量：工程完工后，对过程测量记录进行认真整理，竣工后在进行一次至二次稳定性测量，确认符合规定标准。 （5） 、管道内有害气体安全保证措施及照明设施 a.掘进机工具管内对于管道内有害气体，采用通风稀释其浓
8、度的方法，再用有害气体检测仪进行检测，确认安全以后，方可让施工人员进入作业面施工，以保证地下施工人员的安全。即采用 DN50 镀锌钢管和0.6m3/mm 电动空气压缩机向工作井及管内工作面连续送风。以保证工人及其他经许可入内的工作人员吸入的空气中的含氧量不低于 20%，工具管内装有摄像头，操作平台上安装小电视机以便于监测。 b.管道照明：所有管道内均采用 12V 安全电压照明，电线沿管道内壁敷设。电缆采用橡胶三芯软缆（规格：3*35） ，总长约 250m，灯泡采用防水型。 （6） 、纠偏校正 顶管偏差校正要以预防为主，不能等产生明显超差时再进行校正。必须逐步由误差调整到正确，预防误差积累，纠偏
9、应在顶进中采用小角度逐渐进行校正，其校正方法有： 挖掘校正法：采用在不同部位调整挖土量的办法，以达到纠偏的目的，这种方法校正误差范围一般不大于 10-20mm。 施工中要不断总结经验，调整挖掘范围，保证顺利顶进，决不能盲目掏挖造成偏差，也不可盲目纠偏以产生隐患。 强制校正法：偏差范围大于 20mm 时，采取纠偏千斤顶纠偏法。 衬垫校正法:当局部地基软弱、地基承载力不足而使管头底沉，这时应结合顶木校正法同时在管底下衬垫，换填砂石加木板等以增加地基强度。 （7） 、纠正/预防措施 A、管道轴线偏差防治 顶管施工前应对地质情况进行认真调查。工程部设专职测量员负责全过程的测量工作，按照测量、纠偏的原则
10、认真操作，顶进过程中应随时绘制顶进曲线，采用同种规格油压千斤顶，保持顶力与管道中心线重合。加强施工质量的控制，确保后背不发生位移，并应使后背平整，以保证顶进设备的安装精度。 B、处理方法 重新调整千斤顶行程，顶力，顶速或重新调整千斤顶的安装精度。对顶管后背进行加固，预防位移继续发展，并确保后背平整。 纠偏前应认真分析顶进曲线的发展趋势，采取适当的纠偏量，循序渐进【2】 。 （8） 、顶管材质、接口及顶进减阻措施 钢筋混凝土管材选用 C50 及以上高标号钢筋混凝土 F 管材，顶管接口采用与 F 管相配套的橡胶圈钢套环企口，为了在顶进过程中减小摩阻，每根设置注浆孔，在顶进过程中加触变泥浆进行减阻。
11、 注浆设备：螺杆奈莫泵，搅拌器、注浆管道主管用 DN50mm 钢管，分支用 DN20mm 橡胶管。 注浆方法：在随行管道中进行注浆，随顶进同步注浆，随顶随注，管线后面管道的注浆孔视顶力的大小进行补浆用。 注浆操作人员应注意：工具管后注浆应随顶随注，先注后顶。控制好注浆压力及注浆量，该顶段注浆压力不大于 0.6Mpa，注浆量为 0.6 立方米/米。为防止浆液进入工具管前方挖掘面，宜在距工具管后的第 3 节管节设置注浆孔，并连续设置 23 节注浆管。以后每节再设置一根注浆管。为减少浆液的流失，在管节的表面涂刷“石蜡”以减少浆液失水性。（9）接收井搭建托架导轨 接收井托架的作用是将顶进接收井洞口的工
12、具管托住，工具管在托架上仅推行 4-5m，出洞约 0.5m，因此该托架无须滚轮结构，用两根 32#槽钢，按一定的宽度、接收井的总长度、顶管机出洞口的标高（略低 3-5cm） ，与两侧的洞口密封环在下部、左右两侧固定牢固。 顶管机在距进洞口 2530m 时，应进行最后的复测。主要目的是：最后确定顶管机与设计轴线及进洞洞口的相对位置，如果此时的偏差不大，可以进行进一步调整、纠偏，同时也为竣工复测积累资料。 （10）拆除洞口封门 拆除洞口封门的时间，一是要等到洞口的加固土体达到强度。二是要待顶管机抵近洞口后，距离为 0.5m 时进行。 （11）气压顶管导致周边土质失水而造成的地面沉降的控制措施 在顶
13、进过程中有可能由于管道外周空隙，管道与周围土体摩擦，管道接口渗漏，进、出洞口及周边土质失水而引起沉降。其控制措施如下：掘进机性能的检查 施工过程中应根据地质条件、环境状况，在施工方案审核和顶管设备考察时，对设备的适应性进行验证，对设备的完好程度进行调试确认，以减少或避免因机械的不完善而造成的气压失衡或纠偏能力不足。 触变泥浆配置与注浆操作的检查 触变泥浆在顶管施工中起到减少摩擦阻力、填充空隙和支承土体的作用，因此需要有较低剪切性能，同时又要求有较好的稳定性即高粘滞性和低失水率。触变泥浆一般是利用膨润土、纯碱、cmc 以及水等，根据不同的土质和性能要求，按不同的比率配置而成的。若配置质量不佳，就
14、不能达到预想的效果。施工过程汇总应观察、检测触变泥浆的材料、配比、粘度（稠度） 、失水率、终切力情况，搞好触变泥浆的配置质量。 触变泥浆应随掘进机推进同步注浆，以保证及时填充空隙形成连续的泥浆套。同时应保持稳定、合适的压力。不然压力过低不能有效填充空隙，压力过高造成土层隆起开裂，泥浆流失浆套破坏。因此需对注浆设备、压力设定、压力观察调整以及同步注浆的操作加以检查，防止设备装置和操作不当造成土层损失并引起的沉降。 顶管推进中的偏差控制 在顶管推进偏差控制中每天几次抽查偏差数值，核认测量的正确，分析偏差的发展趋势。勤测勤纠，尽量采取小幅度的纠偏，尽可能的保证管道的直顺，减小管道绕曲造成土层移动引起的沉降。避免急度纠偏造成管道接口密封失效和管端碎裂，发生水土和触变泥浆的流失，引起地面沉降。 5 结语 此次针对工程施工地质条件大部分为流沙层、淤泥层、卵石层等地下水水位丰富土层的复杂环境，通过采用气压平衡顶管施工取得了显著效果，工程按质、按期完成，人工清除较大的卵石等障碍物，使管道轴心偏差更容易调整，顶进过程中同步注入触变泥浆，既减少了顶进的摩阻力，又可以有效的控制地面沉降。 参考文献： 陈茂生，全气压式作业法在人工掘金顶管工程中的应用【A】.山西建筑出版社，2009. 余彬泉，陈传灿。顶管施工技术【M】.北京：人民交通出版社，2003.
