一、工程概况

为保证顶管工程安全顺利贯通，确保运河供水安全，选择适合本工程地质情况的顶管机设备，对顶管机选型及适应性进行分析。输水管线需穿越青年运河底部，顶管穿越全风化砂岩、粉质黏土，岩石、土层交错，地质变化差异大，局部可能存在孤石。通过对原岩石机头进行改装，同时改进顶管施工工艺，克服高地下水位对顶管的影响，顶管施工顺利穿越运河河底，可为类似工程提供参考。

二、顶管机选型及适应性分析

1.顶管机选型

根据本工程地质报告，本工程顶管穿越时可能会遇到孤石，选择的顶管机必须有破岩及二次破碎功能。结合穿越运河的不同地层情况，对岩石顶管机的刀盘进行了改装，刀盘面上拆除了4把滚动，改加装刮刀，调整了刀盘的开口率。增加刮刀、边刮刀和调整降低了开口率，适用于软土层及硬岩等多种地质条件。

2.顶管适应性分析

（1）改装后的机头适用的土质范围比较广，如软土、砂土、砂砾土、硬土、硬岩等。在地下水压力很高和变化范围很大的条件下，破岩能力强，可破碎岩石硬度可达100MPa。配有盘型滚刀，这种破碎利器具备性能稳定、耐磨性强、硬度高等特点，能大幅提升切削刀盘的破岩能力。

（2）施工速度快、效率高。设计的大口径圆锥破碎仓，通过旋转、研磨、搅碎，将大块岩石二次破碎，随泥浆排出管道。

（3）具有独立注水、注浆系统，能够有效地保持挖掘面稳定，对顶管周围的土体扰动比较小，能减少地面沉降。

（4）与其他类型的顶管比较，泥水顶管施工时的总推力比较小，尤其是岩层破碎能力强、破碎粒径大，适用于长距离顶管。

（5）工作坑内的作业环境较好，作业比较安全，由于其采用泥水管道输送弃土，不存在吊土、搬运等危险作业。

（6）泥水输送弃土为连续作业，因此进度比较快。

（7）施工精度高，可上下左右纠偏，最大纠偏角度达3°。

（8）可视化远程控制。开展顶进作业时，机手在操作房内即可实时监控整个施工过程。通过电子显示屏可直观准确地掌握切削速度、行进轨迹及工作状况。

三、顶管施工的重难点和解决办法

难点一：本工程管径较大，机头较重，出洞阶段机头容易出现磕头现象，顶进过程中遇较软弱土层容易下沉，轴线较难控制。

解决办法：出洞前在沉井预留洞口内安装延伸轨道，使出洞阶段形成良好的导向，防止出现磕头现象。施工过程中控制好水压力，勤测勤纠，确保顶进轴线控制在允许偏差范围内。

难点二：本工程顶管段部分须穿越微风化灰岩，微风化灰岩对刀具磨损比较大。

解决办法：加强刀具检测，制定完备的换刀方案。

难点三：本线路河床沉降控制是本工程的重点之一。

解决办法：控制排泥量；控制好泥水压力及注浆压力，顶管贯通后及时进行注水泥浆置换。

难点四：本线路上软下硬地质是本工程的重点之一。

解决办法：可以有效控制上部软化层的自稳性。由于刀盘是一个360°旋转体，通过排布滚刀轨迹时按照等磨削理论进行排布，使滚刀上的力都作用在整个刀盘面上，受力均匀。

难点五：顶管地下水位高。

解决办法：进出洞止水圈安装在工作和接收井出洞混凝土墙上，安装时要把橡胶止水圈用爆炸螺丝与夹紧钢板固定在混凝土墙上，安装位置要根据出洞轴心位置。机头偏差超过2cm，止水圈的安装位置必须根据实际偏差进行调整。由于机头和尾管比管材在直径上有大2cm的超挖，尾管与管材与出洞口有2cm的间隙，流砂容易从该间隙中漏出，采取各块夹紧钢板可以沿径向轴线调整固定，将该间隙封住阻止流砂和地下水。

难点六：本工程单段顶距较长，顶力较大。

解决办法：控制触变泥浆质量，控制注浆量及注浆压力，使之形成良好的泥浆套，有效减小摩擦阻力。

四、顶管施工工艺措施

顶管穿越运河平面布置图

1.导轨

（1）导轨应选用钢质材料制作，安装后的导轨应牢固，不得在使用中产生位移，并应经常检查。

（2）两导轨应顺直、平行、等高。导轨安装的允许偏差为：轴线位置3mm；顶面高程：0～+3mm；两轨内距：±2mm。

2.千斤顶

（1）千斤顶安装应固定在支架上，并与管道中心的垂线对称，其合力的作用点应在管道中心的垂直线上。

（2）每台千斤顶最大顶力为2000kN。

3.油泵安装和运转

（1）油泵宜设置在千斤顶附近，油管应顺直、转角少。

（2）泵应与千斤顶相匹配，并应有备用油泵；油泵安装完毕，应进行试运转。

（3）顶进开始时，应缓慢进行，待各接触部位密合后，再按正常顶进速度顶进。

（4）顶进中若发现油压突然增高，应立即停止顶进，检查原因并经处理后方可继续顶进。

4.顶铁

（1）顶铁宜采用铸钢整体浇铸或采用型钢焊接成型；当采用焊接成型时，焊缝不得高于表面，且不得脱焊。

（2）顶铁的相邻面应互相垂直。规格的顶铁尺寸应相同。

（3）顶铁上应有锁定装置。顶铁单块放置时应能保持稳定。

5.顶进前的检查

（1）全部设备经过检查并经过试运转。

（2）工具管在导轨上的中心线、坡度和高程应符合规范规定。

（3）防止流动性土或地下水由洞口进入工作坑的措施。开启封门的措施。

6.注浆减阻技术措施

本工程计划采用膨润土触变泥浆，注浆浆液是在地面注浆系统配制后，经过充分搅拌发酵后，再通过液压注浆泵压入管内，膨润土泥浆搅拌时间控制大于30分钟。在膨润土泥浆压入以前，对储浆箱内经发酵的泥浆再一次搅拌，以减少压浆管道的阻力。机头尾管和后续管道补浆为两个独立的管道系统。

（1）在顶进过程中，顶进摩擦力逐渐增大，为达到较好的注浆效果，应保持全过程注浆，机头尾管注浆采用进口自动注浆设备，机头后3节管每节管道安装注浆管，以后每隔2节分布1条。

（2）注浆钢管下井时，控制一定要保证有一个注浆孔垂直向上；同时注浆主管和支管要用硬管，且都不能发生过长的弯曲，使得注浆效果良好；为了防止不注浆时，管外壁砂土反流进注浆支管，注浆支管一定要安装单向阀或球形阀。

（3）注浆量为管材和机头切削形成的孔洞的空隙的1.5～2.0 倍。注浆从顶进到达5m时开始，主要是防止浆液从止水圈中散失。先压后顶，随顶随压，出口压力大于地下水压。工具管尾部压浆量控制在0.1～0.2m3/m 的范围。

7.通讯与视频监视措施

（1）管内通讯与工作面现场通讯采用 HE 系列自动电话总机，用机械拨盘式电话机互相联系。电话设置在空压机房、压浆棚以及各工种间、中控室、办公室、掘进机、工作井内。

（2）配备2只低照度摄像头，一只安装于掘进机操作台处，监测操作台各项数据；一只安装于工作井内，监测主千斤顶的动作。监视器安装于中央控制室，以利于技术人员正确指挥。

8.测量技术措施

（1）建立平面控制网。地面上提供的井位轴线控制桩定位。工作井施工结束后，按工作井穿墙孔实际坐标与设计终点的坐标测量放线，定出管道顶进轴线并将轴线投放到工作井测量平台上和井壁上。在工作井四周建立测量控制网，并定期进行复核各控制点。工作井上下点的投放采用苏光DZS2 水准仪。投放顶管测量始测点和 2 个后视点，始测点设在顶管后座专用测量平台上，后视点设于穿墙孔上部的井壁上，定期互相校核。

（2）测量管道轴向。施工管道轴向测量采用高精度激光经纬仪进行测量，测量主要用导线测量法，测量平台设在顶管后座处。测量光靶安装在掘进机尾部，测量时激光经纬仪直接测量机头尾部的测量光靶的位置，并根据机头内的倾斜仪计算机头实际状态。

9.纠偏措施

（1）若机头前端遇到不均匀的迎面阻力，则机头周围的土压力也不平衡，如施工不慎容易造成轴线偏差，应注意纠偏。当发现机头有超过 10mm/m 的倾斜角或者机头上抬 2cm以上时，应停止顶进，空转刀盘，等机头下沉归位到正常位置后才继续顶进。

（2）当顶进路线上同时有高程偏差和中心偏差时，先纠正偏差较大的一面。在纠正高程（或中心）偏差时，如果高程（或中心）偏差超出了偏差控制范围，应立即将前者停止，先将后者纠正。

（3）每班上班和班中应校正2次激光，每24h校正激光4次，当在换管时激光标靶信号会中断，操作手应时刻注意信号中断前后标靶的位置，出现不一致时应及时校正激光。

五、结语

输水管线穿越青年运河河底，施工风险大，是本工程控制性节点。顶管过程中确保运河供水安全是关键和重点。根据地勘报告，地质条件复杂，岩石层、黏土层交替，同时可能存在孤石，为确保顶管顺利通过运河河床，在原岩石机头改装增加刮刀和调整刀盘开口，适用于软土层及硬岩等多种地质条件。同时，在始发井和接受井井口进行袖阀管管注浆处理，控制地下承压水，顶管穿越运河取得了成功。