摘要：随着我国城市化进程的加快，市政配套设施的建设工程也越来越多。市政管道施工工程是城市基础建设的重要环节，本文对市政工程中深埋管道、过路管道、穿越建筑物管道等采用的泥水平衡式矩形顶管的基础原理进行简单介绍，并探讨了其施工方法。
关键词：泥水平衡式矩形顶管；基础原理；结构形式；施工方法
中图分类号：TU99文献标识码： A 文章编号：
1泥水平衡式矩形顶管的基础原理
图1为泥水平衡式矩形顶管机在管道工程施工中的基础原理。h1——泥水平衡式矩形顶管掘进机底部起地下水位的高度，h3——掘进机底部起地下水位的高度，h2——掘进机在h2水位以下工作。
图 1泥水平衡的基础原理图
当掘进机正常工作时，阀门1和2均打开，面阀门3则关闭。这时泥水从进泥管经过阀门1而进入掘进机的泥水仓里。而泥水仓中的泥水则通过阀门2由排泥管道排出。我们只要调节好进、排泥水的流量，就可以使掘进机的泥水仓中建立起一定的压力。其中，p1为掘进机顶部的地下水压力，p3为掘进机底部的地下水压力。P2为掘进机顶的泥水压力，p5为掘进机底的泥水压力。由于泥水平衡顶管掘进机在施工过程中泥水仓的泥水压力必须比地下水高出一个Δp，即在图中高出的Δh水头部分，这个Δp一般取10～20kPa之间。这时，在掘进机底部被增加一个Δp后的地下水压应为p4，在顶部的大小均为P2。因为增加的这个Δp是泥水压力，所以，它同地下水有不同的相对密度，因而当掘进机顶的压力相同时，掘进机底的压力是不相同的，此时，掘进机底的泥水压力为p5。水的密度以γw表示，γm为泥水的密度，则：
p1=γw*h2
p2=γw*（h2+Δh）
p3=γw*h1
p4=γw*（h1+Δh）
p5=p4+γm*h3=γw*（h1+Δh）+γm*h3
实际上，泥水平衡顶管掘进机泥水仓内是在BDEC这个梯形压力区内工作的。如果我们把BD作为理想的挖掘面，那么泥膜就在该面上形成。这层泥膜可防止泥水仓内的泥水向地下渗透，同时也阻隔了地下水向泥水仓内渗透。而泥水仓内的BDEC的梯形压力同时也平衡了土压力，从而保持了挖掘面的稳定。所以，在停止顶进时，不仅要关闭阀门1和2，同时还要保持BDEC这个压力梯度。如果停止顶进过程中，由于渗漏或其他原因使这个梯度起变化，那么挖掘面也就会失稳。通常，在设定泥水压力pm时，一般都取其中间值，即pm=1/2（p2+p5）
二、泥水平衡式矩形顶管的施工方法及技术
1、工作井设计
1.1工作井位置的选择
顶管工作井选在设计检查井位置;工作井处应便于设备、材料运输及下管、排水;单向顶进，当顶管段两端条件相近时，工作坑宜选在管线下游;工作井距离建筑物、铁路等较近时，必须保证足够的安全距离或采取加固措施。工作坑间距不大于160m，中间设接收井，以保证检查井间距符合设计规范。
1.2工作井结构形式
由于埋深较大，顶管工作井与接收井均采用矩形钢筋混凝土沉井。双向工作井先顶进深埋管道，后在井内填砂(预留导轨支柱)顶进浅埋管道。在雨污水管道中线间距小于3．5m的地方，两根管平行顶进，采用雨、污水合顶工作井。在顶管完工后，在工作井内直接施作检查井。为保护现状通行的道路不在施工中受到破坏，对工作井及接收井周边采用水泥深层搅拌桩支护兼作止水帷幕。采用500@350两排搅拌桩，前后排错开布置，桩径500mm，桩体边线距沉井外墙1m，排距350mm，桩芯距350mm。桩体互相搭接150mm，搅拌桩内掺65kg/m42．5普通硅酸盐水泥，底部应插入到不透水层，平均桩长为15m，地面空桩1m，有效桩长14m。结合现状道路实际运营情况，为保证工作井基坑及施工人员操作的绝对安全，经计算确定:工作井锁口及护壁均为0．7m厚的C30钢筋混凝土，底板为0．5m厚的C30钢筋混凝土结构，如有地下水封底下面增加0．3m厚片石。
1.3工作井尺寸
底宽:B=D1+S，其中，D1为管外径，S为管两侧操作宽度，一般为每侧1．2m～1．6m。底长:L=L1+L2+L3+L4+L5，其中，L1为管子顶进后，尾端压在导轨上的最小长度，混凝土管一般留0．3m～0．6m，使用工具管时，L1应取0．5m;L2为管节长度，m;L3为出土工作间长度;L4为液压油缸长度;L5为后背所占工作井长度，包括横木、立铁、横铁。深度:H=h1+h2+h3，其中，h1为管道外缘底部深度;h2为管道外缘底部至导轨底面的高度;h3为基础及其垫层厚度。
1.4导轨安装
将枕木埋设于混凝土基础中，混凝土基础顶面低于枕木面10mm～20mm。枕木长度宜采用2m～3m，埋设间距可根据管重、顶力和土质选取400mm～800mm，枕木截面不小于150mm×150mm。导轨用型钢和38号钢轨制作，钢轨焊于型钢上，型钢用道钉将导轨固定在枕木上。导轨安装必须直顺、平行、等高，安装应严格控制高程、内距及中心线。导轨轴线偏差不大于3mm;顶面高差0mm～+3mm;两轨间距±2mm。安装时可用根据所顶管子的实际外径制作的弧形板进行检查。
2顶力计算
顶管推力包括工具管切土正压力、管壁摩阻力，也就是顶管施工中所受到的阻力。认真选择土质参数，分不同管径分别进行计算。
3管节顶进方法
3.1穿墙
沉井下沉时后背预留孔洞用砖砌封堵与墙同厚，顶管完成后拆除。为防止管线出现偏斜，应采取以下几点措施:1)将工具管推进至离洞口1m处停止。工具管要严格调零，将工具管调整成一条直线，此时仪表所映的角度应该为零，调零后将纠偏油缸锁住。2)工具管出洞后，由于支撑面较小，工具管易出现下跌。为此须在工具管下的井壁上加设支撑，导轨前端尽量接近穿墙管，减少顶管机的悬臂长度，同时将工具管与前3节管之间连接，加强整体性。3)工具管出洞后，发现下跌时立即采取主顶油缸进行纠偏。4)工具管出洞前，可预先设定一个初始角(不大于+5')，以弥补工具管下跌。5)出洞操作速度要快，以防出洞口外土体坍塌。
3.2正常顶进
出洞工作结束后，即可进行正常的顶进施工。正常顶进时,先在顶管机头内注入水，注水比例土水为1∶6，并且经由小刀盘切削，由管道内泥浆管运送至井边始沉池和终沉池，然后将泥浆外运。实际操作时，只要机头倾角与设计的偏离在±5%之内，且激光点偏离靶心不超过1cm，就可以不作调整继续顶进。顶管机纠偏不宜追求零偏差，不可用大角度纠偏，应根据管道偏差的大小、偏差发展趋势而确定，使顶管机轨迹过渡平稳。
3.3进洞
顶管进洞前应做好以下几方面的工作:1)顶管机进洞前的3倍管径范围内应减慢顶进速度，减小正面阻力对接收井的影响。2)破除接收井砖墙。3)接收井安装临时支架，防止顶管机头下落。4)顶入的首节管在接收井内露出的长度必须符合要求。5)管道进洞后尽快封堵接收孔，防止泥水进入接收井。6)工具管进洞后，尽快把工具管和混凝土管节分离，并把管节和工作井的接头做刚性接头。
4、膨润土泥浆护壁
顶管机推进过程中，若土质较差，在顶管机内沿顶管轴线方向注入水泥浆，达到改良土体，防止顶管机前端土体流失的目的。顶管的触变泥浆具有两种作用，一种是润滑作用，另一种是支撑作用，不使土体坍塌。注浆应和顶进同步进行，其原则是先注浆，后顶进;随顶进，随注浆;确保管外围泥浆套的形成，充分发挥减阻和支承作用。在顶进过程中避免长时间的泥浆停注，保证顶进过程中的全部管段充满良好的泥浆套。为减少地面沉降，应减少减阻泥浆套的厚度。实际注浆量对于粘性土和粉土不应大于理论注浆量的3倍。对于中粗砂层应大于理论压浆量的3倍。
5、测量控制工作
井内测量基座要单独设置，不与管道、设备、后靠背接触，不受顶管操作的影响，以保持其稳定性，同时测量控制点需不定期进行校核检查。激光经纬仪按设计要求调整好坡度和方向，照准顶管机内测量靶标。在操作室内通过摄像机可以清楚地观察到激光靶标的情况，通过激光点偏移中心点的刻度和方向，判断顶管偏离设计要求的位移量。初始顶进时每300mm测量一次，并做记录。正常顶进时在工作井可随时用激光经纬仪测量，每顶进0．5m做一次记录。在出洞、进洞及纠偏过程中，适当增加测量次数。测量记录上分别绘制高程、中心曲线图，随时掌握机头顶进趋势。
结语：随着城市建设的发展，顶管施工在市政排水工程中得到了越来越多的应用，技术人员需要掌握工作井设计方法、管材选择、顶力估算、管道顶进方法、触变泥浆减阻、测量控制等技术要点，控制好施工每个环节，做好施工质量控制。采用泥水平衡顶管施工方法，相对于大开挖从社会效益和经济效益上来讲更具有优越性，同时大大加快了施工进度，值得推广应用。
参考文献：
[1]余彬泉，陈传灿．顶管施工技术[M]．人民交通出版社，1998.
[2]李连虎泥水平衡顶管施工技术研究[J]交通标准化2011