叶华中

西安航天基地投资发展有限公司

近年来，随着西安地区城市化进程的逐步加快和城市规模的急剧扩展，远离城区的近郊地带和城乡结合部已经成为城市投资和发展热点，市政基础设施投资也快速向城市外围拓展；“八水绕长安”这一千古美誉使得城市的周边地区，砂层广泛分布于外围河流附近，尤以南郊太白路地区和北郊草滩地区最甚；这种砂层未扰动时，可短时直立，一经扰动或失水、风吹，结构破坏，处于流动状态，给地下工程施工造成很大的影响和困难，严重影响了工程施工的进度、质量和安全，给工程勘察、设计、施工等各个环节提出了更高的要求。

西安近郊河流附近的中粗砂层，多为褐黄色-灰色，饱和，不均匀系数在3.4-4.6之间。曲率系数在1.1～1.5之间，N值在12～46之间，标准差8.4，变异系数0.29。本文结合长安区污水处理厂进厂污水管道施工中所应用的施工工艺，探讨全断面砂层管道施工安全、经济、有效的方法，为以后进行同类地质情况下管道施工提供借鉴。

1 施工工艺施工过程简介

长安区污水处理厂全断面砂层管道施工中主要采取的管道施工方法有：土压平衡机械顶管施工、半开槽明顶施工及挤压式工具管人工顶管施工。下面先就以上几种施工工艺施工过程分别加以介绍：

1.1 DK土压平衡顶管施工

DK式土压平衡顶管施工技术是利用掘进机土舱内泥土的压力来平衡掘进机所处土层的土压力和地下水压力的顶管施工技术。在长安区污水处理厂管道施工中，W5-W6段采用该施工方法，本段全长116米，顶管机由W5向W6顶进，W5工作坑开挖前，进行了旋喷桩预支护，钢筋砼工作坑构筑顺利；2012年4月初正式机械顶进，起初因土仓砂体摩阻力大，刀盘电流超标，不敢贸然硬顶，由于砂层中无法形成有效卸荷拱，土压平衡难以建立，顶进管道上方地面出现塌陷，当顶进至50m时，刀盘前端出现大的不明障碍物，卸掉螺旋出土机清理，导致掌子面砂层大面积塌方，继续向前顶进约2m后，大刀盘因异物卡住而损坏，维修设备延误工期40天，由于该段需穿越皂河，为确保顶管机安全穿越，项目部制订了过皂河施工应急预案，同时，在顶管机顶进过程中，通过在机头前方注入膨润土泥浆改良土质，以降低刀盘转矩、严格控制顶进土压，尽量使挖掘面土压与泥土仓土压达到平衡等措施，安全穿越皂河，至7月31日机头出洞，全程顶进有效工期65天，使用中继间5套。

1.2 半开槽明顶施工

长期以来，砂层地区的明开槽施工都是采用大开挖的方式，土方量大，占地大，对环境影响大，明显不能适应社会要求；对明开槽管沟两侧砂体进行桩基加固，可有效减少开挖土方量，保证施工安全。

本工程W13-进水控制井段，采用半开槽明顶施工，本段全长74米，由于管道埋置较深，砂层经扰动后易发生坍塌，为确保施工安全、节约管道开挖费用，经综合分析比较，本段先按照砂层自然坡度开挖5米，然后采用单排高压旋喷桩对槽壁支护6米，挖掘机在沟槽内挖至管顶、人工挖土顶进的办法，本段7月20日进行沟槽开挖和旋喷桩支护，8月20日完成本段顶进施工，有效工期20天。

1.3 挤压式工具管顶管施工

挤压式工具管顶管施工是用主顶油缸或中继间油缸的推力把工具管先挤到土里去，而被挤压的土则从工具管排土口排出，然后人工将切削的土体运出坑外的一种顶管方式。在砂层中，由于挖掘面不稳定，因此在面板上设置了隔板，保证土体切削效果和挖掘面稳定，本工程W1-W2段采用挤压式工具管人工顶进施工，本段全长116米，7月6日开始顶进，有效工期30天。

2 施工工艺比较分析

2.1 施工质量控制分析

土压平衡机械顶管施工段顶进时前期挖掘面砂层塌方导致路面沉陷，后期加强顶进时土压控制、加注泥浆改良土体，有效防止了挖掘面坍塌，管道顶进高程最大偏差7cm，中线最大偏差5cm，顶进质量得到有效控制。

半开槽明顶施工段由于采用管顶卸荷、人工顶进方式，可有效控制管线高程、中线，回填采用灌水密实，能够保证回填质量。

挤压式工具管顶管施工由于工具管先要插入土中，管前高程、中线需根据变化趋势进行预测纠偏，因此工具管前段纠偏频繁，高程、中线控制较困难，因此采用该工艺时、操作人员必须有足够的施工经验和对管线偏差的预判能力；再者，挤压式工具管挖掘面无法形成压力平衡，可能发生挖掘面失稳造成管端土体塌方，通过在面板上加密隔板、减小面板开口率，可使挖掘面坍塌风险大大降低。

2.2 施工安全性分析

由于土压平衡机械顶管施工人员不需进入挖掘面，作业比较安全，对作业人员主要伤害是：工作坑内起吊频繁、顶管机噪声较大等。

半开挖明顶施工作业人员需进入挖掘面，由于砂层经扰动无法自立，管前端发生涌砂现象对作业人员危害较大，因此作业时人员尽可能在管内挖土，挖土顺序必须由上自下，使管前砂体形成自然坡度，可有效降低安全风险；挤压式工具管顶管施工作业人员也需进入挖掘面，但由于有面板阻隔，人工只需挖除管内土方，因此作业比较安全。

2.3 施工进度分析

根据长安区污水处理厂管道施工实际施工进度，土压平衡顶管日进度约2m/日，半开槽明顶施工3.7m/日，挤压式工具管顶管施工3.8m/日。挤压式工具管顶管施工进度最快。

2.4 成本分析

管道顶进完成后，分公司对各施工工艺成本进行剥离，扣除管材费用，各工艺每米实际成本为：土压平衡机械顶管3800元/米，半开槽明顶施工6528元/米，挤压式工具管顶管施工2000元/米，该成本未计入土压顶管机购置和挤压式工具管加工费用摊销；可见在几种施工工艺中挤压式工具管顶管施工最为节约。

2.5 环境影响分析

土压平衡顶管施工不开挖面层，对地面交通影响较小，经过注浆改良的砂土一般不能重复利用，顶管机运转过程中噪音交大，对人体有伤害；半开槽明顶施工土方开挖量大，弃土需二次转运回填，造成扬尘污染，加之该工艺需开挖路面，对交通影响大；挤压式工具管顶管施工噪音小、不开挖路面，弃土可利用，环境影响程度小。

2.6 施工风险分析

土压平衡机械顶管由于属封闭式施工，人无法进入挖掘面，若在施工中遇到未探明障碍物，可能造成机头损害，严重时可造成无法顶进，因此施工风险较大；半开槽明顶施工是敞开式作业，作业人员完全暴露于挖掘面，人身风险较大，槽壁旋喷桩加固施工时，旋喷桩要在管道流水平以下有一定埋置深度，否则沟槽开挖时由于压力平衡被打破，坑壁侧压过大会导致断桩，发生槽壁坍塌等事故；挤压式顶管施工采用先顶进后出砂施工，作业相对安全，若遇地下水时，可采用气压平衡地下水，防止发生砂涌，因作业人员能够进入挖掘面，遇不明障碍物时处理难度小。

3 结语

通过以上分析比较，在全断面砂层中进行管道施工，挤压式工具管顶管施工工艺因其工程造价低、操作简便、作业相对安全、进度较快、环境污染小等特点，优于其他两种施工方法，建议施工中加以采用。

当然，因本工艺在该工程中属初次使用，还有许多不完善和需要探讨的问题，需要我们在今后的工程施工中总结经验，对该工艺加以改进。