摘要：江阴高新区科创大道二期项目雨水外接管顶管工程施工位于既有樟树林下，管顶及顶管区段内土层中樟树根系发达且有砖渣等杂物，同时地下水位高且现场周边构筑物多无法降水，地质条件复杂，常规顶管工艺无法施工。本项目通过对各种顶管工艺优缺点对比研究，采取改进传统手掘式顶管机头、增加一套气压平衡装置，形成了一个封闭、多舱式的气压平衡顶管机具，该机具内气压高于地层中水压力，通过压力差使地层中水无法进入顶管机具内，为机具内土层开挖提供了稳定的作业面，有效克服了地下水及不良地质影响，顺利完成了全线顶管施工，为复杂地质条件下顶管施工积累了宝贵经验。

关键词： 顶管;气压平衡;地下水;复杂地质

顶管施工因其具有不开挖埋设管道特点，减少征地拆迁、降低对环境破坏和道路堵塞、经济环保，且针对常规地质条件下各种顶管施工设备较为成熟，主要以土压平衡和泥水平衡两种顶管工艺为主，设备选型要充分结合土层条件、地下水及操作安全等因素。泥水平衡及土压平衡顶管施工主要适用于淤泥质粉质粘土、粉质粘土、黏质粉土、砂质粉土等土层，但对于地下水位高且不具备降水条件、含有砖渣树根等杂物的土层无法施工。

1  工程概况

科创路二期雨水外接管采用气压平衡顶管施工，管材采用DN1400Ⅲ级钢筋混凝土钢承口管，标准管节长度2m，管节外径Φ1680mm，单节管道重约3.25t，顶管施工长约215m，均为直线型顶管段。单管顶进，管顶埋深3.3～3.5m。顶管区段位于既有滨江东路北侧樟树林中。

2  地质、水文及周边环境

顶管顶进主要穿越第②层砂质粉土。沿线场地地势高低不平，近3～5年最高地下水位1.36～4.57米。根据现场实勘，顶管区段均位于地下水位内。顶管施工区段位于宏泰纺织厂宿舍楼位于顶管区段边，施工过程中降水会影响员工宿舍楼结构安全。

3  工艺原理

施工时机头切入土层中与土层形成了密封空间，再向封闭的顶管机头加压，通过气体压力平衡地下水压力，在压力差的作用下使得开挖工作面内土层中的水被挤出，土层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。同时通过在机头前方增设的“喇叭口”，机头顶进过程中在“喇叭口”的推力作用下进一步将土体由半饱和状态挤密至固结状态，从而保证了挖掘面土体的稳定。

4  施工工艺流程及操作要点

4.1  气压平衡顶管机结构及施工气体压力计算

气压平衡顶管采用两个压力舱，其中机头作为掘进舱，并设置第一道舱门，利用机头尾部四根钢承口混凝土管道作为物料仓，并设置第二道舱门。

根据气压平衡原理，施工所需气压计算如下：P′=βP，其中， P′为选用的气压指标;β为经验系数取0.8;P为管底的水压力地下水压力，最高水位为4.54m，管道底标高为0.275m。

P=10×（4.54-0.275）=42.65KPa=0.04265MPa，则P′=0.8P=0.8×0.04265=0.034MPa。

考虑到顶管机具气密性不好、地层“保压”不稳定等因素，施工时气体压力提高0.01MPa，确保地下水不渗入工作舱，故顶管施工时气压为0.044MPa。

4.2  工艺流程

（1）导轨安装

导轨用竖向沿导轨长度方向间距1米支立 [20槽钢固定，支立槽钢上部与导轨焊接，下部与在沉井底板植筋焊接固定。

（2）顶铁

现场施工采用两个U型顶铁（长度1m+0.7m）+环形顶铁（长度0.3m）。其中环形顶铁嵌入管道承口内，两个U型顶铁在千斤顶作用下顶推环形顶铁使管道向前顶进。

（3）后背、基础

后背采用40cm厚钢筋混凝土+40mm厚钢板。

（4）安装主顶设备

主顶设备为4只200t千斤顶并配套油泵使用。

（5）洞口止水加固

为保证气压平衡顶进施工过程中管内气压稳定，对顶管出洞口进行加固，加固采用限位钢板固定橡胶带，使得洞口处工具管及后期混凝土管节与橡胶带密贴，确保洞口不漏气、不漏浆。

（6）工具管安装

将制做好的工具管平稳安放在导轨上后，对工具管前后端的中心方向偏差和相对高差进行测定。其中工具管前端在制作时应加工成喇叭口，形成楔形正面切入土层中，使得在顶进过程中喇叭口段土层被挤密，有效控制开挖面土体状态，在气压平衡的状态下进一步挤密加固前端土体。

（7）管节吊装

管节采用25T汽车吊装卸，吊具为专用吊带，防止管口吊装损坏。

（8）安装管节

管节安装前先将U型和环形顶铁吊离至井室外，再安装钢承口混凝土管道，最后安装环形和U型顶铁。安装管节时应注意查看管道内杉木衬板及管道插口橡胶条有无安装，确保管道接口安装质量。

（9）气压平衡顶进

①将第一道舱门关闭，用空压机向舱内加压，保证舱内气压高于地层中水压力0.044MPa，在压力差作用下阻止开挖面土层地下水进入舱内。

②掘进作业时关闭第二道舱门并向物料舱内加压至0.044MPa，待气压稳定后打开第一道舱门，作业人员进入掘进舱开挖，开挖时预留机头喇叭口处土层不得超挖。

③掘进时开挖的渣土临时转运至物料仓存放，待物料舱存满后关闭第一道舱门并保持掘进舱气压稳定后，将第二道舱门泄压后打开第二道舱门把渣土用小车外运。按照上述工艺循环掘进至全线贯通。

④压力舱内压力通过室外空压机及舱内真空表相互参照，确保压力满足人工作业要求（≤0.36 MPa）。

4.3  操作要点

（1）气压平衡顶管施工过程中必须要保证掘进舱内压力稳定，施工过程中按照“顶进一段、开挖一段”的方式进行，开挖时要将机头喇叭口处土方预留不开挖，确保机头与土层相接处气压稳定。

（2）气压平衡顶管施工过程中需进行管壁注浆，在管壁四周形成饱满的泥浆套，目的一是减少顶管顶进过程中摩阻力，二是将管道与土层隔离，形成封闭的环境，保证气压平衡顶管施工气压稳定。

（3）由于气压平衡施工在顶管机具的封闭环境中进行，高压环境对作业工人身体素质要求高，体检合格的作业人员方可作业;同时施工期间对作业面气压监测、作业工人状态监控以及紧急逃生措施必须完善。本项目通过在作业面内安装压力表、有害气体监测表、摄像头、有线电话等措施有效保证了作业安全。

5  结论

通过本项目复杂地质条件下气压平衡顶管施工技术研究，结合现场施工情况，该技术对于地下水位高、淤泥质粉质粘土、粉质粘土、黏质粉土、砂质粉土、含有砖石块等杂物的地层适用性较好;但其对管道覆土深度及覆土土层要求较高，对于覆土浅且覆土为沙砾等透水性好的地层，因其保气保压性能差而不适用;同时气压平衡顶管施工各项安全保障措施需严格落实到位，确保施工安全。

6  应用效果

科创路二期项目雨水外接管于2021年1月20日安全顺利贯通，施工过程中组织设计院、监理、项目管理公司及江阴当地施工单位到现场进行了观摩交流，该工程采用的气压平衡顶管施工突破了不良地质常规顶管工艺无法施工的瓶颈，为无锡地区顶管工艺积累了先进的经验，综合提升了当地顶管施工技术水平。

参考文献

[1]  姚咏川，浅谈中粗砂气压平衡工具管顶管施工技术，广东土木与建筑，2010（10）.

[2]  黄耀唐，研究气压平衡顶管施工新方法，防护工程，2017，（26）.

[3]  葛金科，沈水龙，许烨霜. 现代顶管施工技术及工程实例[M].

[4]  顶管工程施工技术规程（TJ08  2049  2016）.