本文以茅洲河干管完善为例，对市政顶管施工过程中出现的机头遇障碍物导致刀盘无法正常工作、地面沉降、顶管机通过不稳定砂层出现线位偏移等较大的质量管控风险制定专项预案，以便于顶管实施顶进质量满足设计要求。
一、工程地质概述
施工场地临近茅洲河，地势较为舒缓，属低丘、台地为主，地势舒缓起伏变化较小。场地范围内地下水位整体埋藏深度较浅。受茅洲河水位影响，场地地上水位较高，埋深0.5~3.4m，平均1.41 m。场地地下水位季节变化幅度1.5~3.0m。
茅洲河地质从上往下依次为素填土，粉(砂)质黏土，中粗砂，砾砂，残积土等。
二、掘进设备选用
1、选型原则
（1）掘进机机型和功能必须满足人员安全、质量、工期、地质、施工条件和环境等要求；
（2）掘进机的选用应根据不同的地质条件进行选择，其性能与工程地质、水文地质条件相适应；
（3）掘进机要安全可靠、技术先进、经济性相统一，在安全可靠的情况下，考虑技术先进性和经济合理。
2、选型依据条件
掘进机选型的依据主要为开挖面土质、地下水位、障碍物、设计线路、长度、工期、环境、经济性等。
（1）地层渗透系数
当地层的渗透系数小于10⁻⁷m/s时，可选用土压平衡式掘进机；当地层的渗透系数在10⁻⁷~10⁻⁴m/s 之间时，可选用土压平衡式掘进机或泥水式平衡式掘进机；当地层的渗透系数大于10⁻⁴m/s时，宜选用泥水平衡式掘进机。本区间砂土层渗透系数属强透水层。
（2）地层颗粒级配
当岩土中粉粒和黏粒的总量达到40%以上时通常会选用土压平衡式掘进机，相反的情况则选择泥水平衡式掘进机，粉粒的绝对大小通常以0.075mm为界。
本区间地层中粗砂含量约为75%，粉质黏土含量约为18%。
顶管施工现场参考画面
3、掘进机的设计要求
（1）基本功能要求
具有掘进系统、泥浆循环系统、注浆系统、动力系统、操控系统、观测变相系统等基本功能。
（2）对长距离在细中砂地层中掘进的适应性
具备完成平衡掌子面水压平衡的能力，技术成熟，稳定性高；刀盘、刀具、泥浆管路的高耐磨性；刀盘以及刀具应根据土质合理的进行设计，刀盘开口率满足施工需求，开口位置的合理性；在高水压状态下的防水密封性能；具有较高的掘进速度指标、良好的泥水输送和处理能力。
（3）准确的方向控制
掘进导向系统应具有较高的精度，能够保证掘进方向按照设计好的线路进行。
（4）环境保护
掘进施工应充分考虑对周边及地表、地下环境的保护，掘进时应做好地面沉降位移检测，确保地面沉降满足设计要求，出现特殊情况时应及时采取措施；同时应避免较大的噪音、震动对周边环境的影响，所使用的辅助材料不能对周边环境造成污染。
4、确定掘进机类型
依据渗透系数及地层颗粒级配需求应与选择泥水掘进机相适应。
（1）普通泥水平衡顶管机
该机型可以在中粗砂层，局部存在素填土、粉细砂、粉质黏土、淤泥质土等常见土层中顺利顶进,若遇到特殊地质，如杂填土(含有大量建筑垃圾)岩层等，将会导致刀盘卡住，无法继续施工，同时要将机头取出，严重延误工期，增加施工成本。
（2）岩石顶管机
本工程选用机型岩石顶管机机头为滚刀式机头，具有二次破碎仓，在遇到岩层等特殊地质时，可将所遇障碍物进行破碎，大大减少顶进过程中刀盘卡住的现象，岩石机头较比普通泥水平衡顶管机成本较高，遇特殊地质可以减少施工工期。
三、工艺流程
（1）为了防止初始掘进过程中地下水、泥土及循环泥浆从机器外壳和洞门的间隙处流失，以及掘进尾通过洞门后注浆浆液的流失，造成出洞时掘进机因自重而下沉，在初始掘进时需在洞门安装临时密封装置，洞门密封装置由短套筒、加劲板、翻板及一道帘布橡胶板组成。短套筒的封板上预留注浆孔。密封短套筒分块加工安装，采用手拉葫芦配合吊车吊装固定就位，焊接短套筒封板及加劲板与预埋钢环前端面一周，焊接要求连续、不漏水。
（2）采用M20螺栓将帘布橡胶板固定于短套筒外部，在机器开始掘进后，帘布橡胶板向掘进方向外翻，起到密封作用。在机器尾全部进入密封环后第一道帘布压紧到顶管上，起到密封作用，保证洞门无浆液流出。在软土层中顶进混凝土管时，混凝土管有漂移可能，为准确控制顶进精准度，可将前2~3节管与顶管机机头联成一体。
初始顶进阶段，由于地下土质情况不明确，顶进时管道四周的摩擦阻力可能小于机头正面的水土压力，连接新管道之前，已顶进的部分在主推千斤顶在退回前必须与井壁进行固定，以防止因管道水土压力过大发生后退现象，使得洞口止水装置易出现损伤。因此在主推千斤顶退回前，将混凝土管与始发井壁相连，直至混凝土管外壁摩阻力大于掘进机正面水土压力为止，以防止顶进管道后退。
四、顶进过程控制
1、掘进速度
掘进以匀速、安全为原则，泥水平衡式掘进速度除取决于自身的掘进能力(总推力与扭矩)外，还与环流系统的能力有关，环流系统的运行速度不能小于掘进速度，否则会导致掘进过程中泥渣、块石等进入泥水仓后，不能有效的通过泥浆管输送至泥浆池中，导致泥水仓堵塞和泥浆管堵塞，泥水仓压力产生瞬间高压，对掘进机头附近原土体产生扰动，泥水不平衡后造成地面塌陷风险。本工程穿越建构筑物段的掘进速度均控制在15~25mm/min左右。
2、掘削量的控制
当发现掘削量过大时，降低顶进速度，对泥水密度、黏度和切口水压进行检查，同时利用勘探设备检查土体坍塌状况，若土体坍塌过大，可降低切口水压，增加泥水密度，降低顶进速率，确保开挖面的稳定性。
3、泥浆控制
在掘进过程中，刀盘面表层会形成一层泥浆，需要注意新旧泥浆交替时，形成泥浆的厚度应满足要求，以便刀盘进行切削。根据泥浆注入压力以及千斤顶顶力控制泥浆注入速度，水仓压力要稳定在0.08~0.1MPa 之间，泥浆黏度大于25s，顶力增大掘进速度降低时，需及时增加泥浆注入率，以保证泥水平衡，保证掘进顺利进行，一般情况下，泥浆的比重控制在1.05~1.3。
4、扭转控制
在管内设备及管道安装时，易造成管道受力不均造成管道扭转现象，为保证管道平衡，本工程主要措施有:
（1）增加相应配重块
在设备或者管材内部的另外一侧进行配重处理，达到两侧重量相同的效果，保证掘进过程中左右平衡，减小因人为造成的不利扭转风险。掘进过程中，外部配备压铁单块或者铅块，根据管道扭转监测系统反馈数据，若发现管道扭转，立即减慢掘进速度并在管道单侧增加配重块进行扭转纠正，压铁或铅块单块重量宜为30kg。
（2）增加设备抗扭力
在掘进机机头设置抗扭转翼板，掘进机若发生扭转，则将左右两只抗扭转翼板向外推出伸入周边土层，扭转翼板深入度越大，抗扭力矩就越大，在掘进机达到平衡时将两侧翼板收回。
顶管施工现场参考画面
5、地面沉降因素及控制措施
引发地面沉降因素：
（1）造成地面较大沉降的主要原因为掘进工作面的坍塌，坍塌造成出土量增加，远大于管道体积管道上方土体松动，导致地面沉降；
（2）掘进工作面取土量过大或较少，推进压力与前方土体压力不平衡，地面发生隆起或沉降；
（3）掘进机设计时，为了减少管道周围摩擦阻力，降低主千斤顶顶力，掘进机机头外径一般>管道外径10~20mm。因此，掘进时管道会与周边土体产生一定程度的空隙，可能导致土体坍塌；
（4）管道顶进过程中，在管道周围注入触变泥浆以降低摩擦阻力，在施工完成后，停止注浆，触变泥浆含泥率降低，周围土体坍塌，致使地面出现微小沉降。
控制措施：根据引发地面沉降因素，本工程制定了以下控制措施。
（1）控制顶进速度。初始顶进速度控制在1~2mm/min，过程中顶进速度控制在0~20mm/min，出土量控制在98%~105%；
（2）控制出土量。顶进出土时要时刻保持等体积置换，保持出土体积与顶入管道体积保持一致，当出土体积大于顶入管道体积时，地面易发生沉降，反之，地面易发生隆起；
（3）每3根管道设置1根带有注浆孔管道，顶进过程中边顶边进行压浆，中间管道及时进行补浆，消除管道与土体间的空隙，同时也可以减少管道的摩擦阻力。
在顶管施工结束时，对泥浆系统中的浆液进行置换，本工程置换浆液为水泥砂浆。
五、结语
泥水平衡式顶管施工设备做好选型并通过施工过程质量控制有效地提高了顶管施工质量，通过分析大量的测量监测数据，地面结构物的沉降几乎为零，为工程的顺利推进打下了坚实的基础。
