泥水平衡頂管施工的方法

解相國

摘要：在大型管道施工過程中，本文作者根據(jù)應(yīng)用泥水平衡頂管技術(shù)，并結(jié)合自己對泥水平衡頂管施工技術(shù)的設(shè)計理論的研究，詳細(xì)介紹了泥水平衡頂管技術(shù)在非開挖施工過程中的施工組織與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：泥水平衡 頂管 施工 糾偏

1 泥水平衡施工工法簡介

在機(jī)械化頂管施工過程中，泥水平衡頂管施工工法作為主要的施工方式，通常情況下屬于機(jī)械化、長距離頂進(jìn)施工技術(shù)。該施工技術(shù)在施工技術(shù)管理方面要求比較高，主要表現(xiàn)為：嚴(yán)格操作頂管設(shè)備，科學(xué)合理地選擇和計算施工工藝參數(shù)等。在長距離、地質(zhì)條件復(fù)雜的環(huán)境中，泥水平衡頂管施工方法是最為優(yōu)越的施工方式之一。

1.1 泥水平衡施工工法特點(diǎn)

通常情況下，泥水平衡頂管施工工法主要采用機(jī)械掘進(jìn)技術(shù)，其特征主要表現(xiàn)為：被切削的土壤被刀盤送入到泥水倉，具有一定濃度的泥水，在送水泵的作用下，被輸送到挖掘面，經(jīng)過刀盤的充分?jǐn)嚢韬?，泥水通過排泥管道被排泥泵送到地面的泥漿池，泥水經(jīng)過一系列的沉淀或分離，進(jìn)而在一定程度上可以重復(fù)使用，剩余的殘渣被運(yùn)走：在掘進(jìn)過程中，通過刀盤以及頂速平衡正面土壓力，進(jìn)而對循環(huán)水的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，在一定程度上對地下水壓力進(jìn)行平衡；切削入泥倉的土體通過采用流體進(jìn)行輸送，不能中斷頂進(jìn)過程，施工速度一定要快；不需要對土質(zhì)進(jìn)行改良或者是進(jìn)行降水處理，施工后地表出現(xiàn)較小的沉降。通常泥水平衡頂管的主要設(shè)備有：挖掘機(jī)、主頂設(shè)備、測量設(shè)備、井內(nèi)旁通、控制系統(tǒng)等；輔助設(shè)備包括：泥水處理設(shè)備、注漿設(shè)備、中繼間等。

1.2 泥水平衡施工工法工藝原理

作為一種頂管施工工法，泥水平衡頂管施工技術(shù)通常情況下是充分利用泥水壓力，進(jìn)而在一定程度上對土壓力和地下水壓力進(jìn)行平衡處理。其基本原理是：具有一定濃度的泥水經(jīng)送水泵到達(dá)挖掘面，然后通過井內(nèi)旁通壓力調(diào)整閥，或者是通過調(diào)整排泥泵轉(zhuǎn)速的方式，進(jìn)一步對水壓力的大小進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而在一定程度上對地下水壓和挖掘面土壓力進(jìn)行平衡，確保掘進(jìn)機(jī)刀盤工作在平衡壓力下，在一定程度上避免挖掘面失穩(wěn)，進(jìn)而導(dǎo)致地面出現(xiàn)沉降和隆起。

2 施工組織及任務(wù)劃分

2.1 施工組織原則

在勞動組織方面，結(jié)合頂管穿越施工的實際情況，同時結(jié)合本標(biāo)段的實際工程量和工期，進(jìn)而對各項資源進(jìn)行合理配置，進(jìn)一步成立相應(yīng)的施工作業(yè)機(jī)組。通過動態(tài)的方式對施工作業(yè)機(jī)組的人員、機(jī)具配置等進(jìn)行管理，一方面確保任務(wù)按期完成，另一方面確保施工的連續(xù)性。進(jìn)而在一定程度上減少現(xiàn)場高峰的人數(shù)，避免出現(xiàn)窩工現(xiàn)象。同時對其它隊種進(jìn)行合理的配置，在一定程度上確保工程施工全面、有序地進(jìn)行，滿足施工要求。

2.2 施工階段劃分

穿越工程施工分為三個階段：前期準(zhǔn)備階段、施工階段、驗交階段。

①前期準(zhǔn)備階段：各項工作按照“施工準(zhǔn)備工作計劃”來進(jìn)行，進(jìn)一步為施工創(chuàng)造條件。②施工階段：總體分為二個階段進(jìn)行控制。第一階段組織管道焊接、工作井制作。第二階段頂混凝土套管、工作管試壓、穿越工作管。③驗交階段：地貌恢復(fù)、水工保護(hù)，達(dá)到中間驗收條件。

3 工程施工方案

3.1 施工準(zhǔn)備

①穿越施工前施工單位協(xié)助業(yè)主辦理穿越施工土地手續(xù)。②籌備穿越前的材料、設(shè)備、人員的籌備和到場計劃。③做好施工圖紙會審、技術(shù)交底工作，同時完成穿越施工方案等文件的編制和審批工作。④修筑臨時施工便道。

3.2 測量放線

①借助儀器開展測量放線工作，在使用儀器前，需要經(jīng)過法定檢驗部門的檢定，經(jīng)過檢定合格，同時在有效期內(nèi)才能進(jìn)行使用。②對于設(shè)計圖紙，需要經(jīng)過放線，同時作出明顯的標(biāo)記。并且，應(yīng)根據(jù)施工方案確定的工作井及組焊場地的位置、幾何尺寸和施工場地平面布置，一并放線標(biāo)記。③測量控制樁，經(jīng)過放線驗收合格后，對測量控制樁通過采取必要措施進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)。④與沿線地方部門進(jìn)行協(xié)調(diào)和變更：在放線過程中，需要與有關(guān)部門加強(qiáng)聯(lián)系，進(jìn)而在一定程度上取得管線穿越地下障礙物、經(jīng)濟(jì)作物區(qū)等的通過權(quán)。⑤移樁：完成劃線后，對施工作業(yè)帶進(jìn)行清掃，同時將控制樁保留在原位，如果難以保留樁位，需要平行移動管線樁。

3.3 作業(yè)帶清理、施工便道修筑

穿越段作業(yè)帶清理時，利用挖掘機(jī)、推土機(jī)和人工配合完成。作業(yè)帶寬度根據(jù)穿越段管溝開挖深度及施工放坡確定。北側(cè)頂管作業(yè)帶寬度按40m考慮，另外設(shè)置一個40m×40m的混凝土管堆放場地和一個20m×30m的泥漿坑。

3.4 工作井修筑

①工作井位置的選擇應(yīng)根據(jù)管道設(shè)計，地形、地層結(jié)構(gòu)、施工環(huán)境條件等因素選定，本次頂管選擇在北側(cè)作業(yè)帶內(nèi)制作工作井。②工作井的開挖深度應(yīng)頂進(jìn)設(shè)備軌道高程及基礎(chǔ)厚度的要求，本次頂管混凝土套管管底設(shè)計埋深4米，加上導(dǎo)軌及工作井基礎(chǔ)，工作井深度為4.8m。③工作井邊緣20m范圍內(nèi)圍擋，工作井直徑7.5m。④根據(jù)設(shè)計單位提供的地質(zhì)報告及定力計算決定采用鋼筋混凝土工作井，并在工作井內(nèi)設(shè)集水坑，方便排水。⑤在工作井的前壁上，需要預(yù)留相應(yīng)的頂管入土洞口，并且洞口中心與管道中心保持重合，與頂管機(jī)刀盤直徑相比，洞口直徑要超過其2-5cm。⑥根據(jù)施工設(shè)計用于吊運(yùn)和防護(hù)的工作平臺，工作井上的平臺孔口的尺寸滿足管子及棄土吊運(yùn)空間所需。⑦工作井應(yīng)設(shè)防雨棚，有良好的施工照明條件。

3.5 設(shè)備安裝

①主頂設(shè)備底盤的安裝應(yīng)支撐牢固，防止產(chǎn)生受力變形或位移。底盤的調(diào)整的定位宜在將頂管機(jī)吊運(yùn)至底盤導(dǎo)軌上后進(jìn)行。②為了便于操作，需要在主頂設(shè)備附近設(shè)置主頂設(shè)備液壓系統(tǒng)，同時需要保持液壓軟管接頭連接的整潔性。③完成吊運(yùn)后，需要對底盤、頂管機(jī)機(jī)頭的位置、高程、中線、仰俯角、旋轉(zhuǎn)角等進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。④長距離頂管時須考慮電纜的電壓降，頂管機(jī)頭內(nèi)應(yīng)設(shè)有應(yīng)急照明電源，頂管機(jī)機(jī)頭、工作井及地面設(shè)備之間應(yīng)設(shè)置通訊聯(lián)絡(luò)設(shè)備。⑤工作井內(nèi)測量儀器的基座不能固定在主頂裝置底盤、工作井后背墻或其他在頂進(jìn)受力時產(chǎn)生變形或位移的基礎(chǔ)上，應(yīng)該安裝在獨(dú)立的基礎(chǔ)上，以減少重復(fù)移動和調(diào)試次數(shù)。⑥泥水分離系統(tǒng)及注漿系統(tǒng)應(yīng)安裝在地面上適當(dāng)?shù)奈恢?，符合方便投料和排放所需落差的工藝要求。⑦頂進(jìn)時應(yīng)根據(jù)所頂管道的管徑確定安裝通風(fēng)設(shè)備的位置的長度，通風(fēng)設(shè)備結(jié)合管內(nèi)的工作環(huán)境條件選定，保證管內(nèi)有足夠的氧氣。endprint

3.6 機(jī)頭孔制作

在破孔之前，采取措施對洞口進(jìn)行處理，進(jìn)而在一定程度上防止土體或沙層塌方。如果頂進(jìn)發(fā)生在土質(zhì)均勻的粘土上，通常情況下，對洞孔采用磚砌封門；但是依據(jù)本工程的地質(zhì)條件來看，封口選用高壓旋噴的方法施工，高壓旋噴樁機(jī)體積小，加固土體效果理想，加固口洞外土體采用純水泥漿，正常氣溫養(yǎng)護(hù)周期7-10天，此做法固砂防滲的效果都非常好。

3.7 初始頂進(jìn)

①破洞，調(diào)整好頂管機(jī)機(jī)頭的位置、高程、中線、仰俯角、旋轉(zhuǎn)角等參數(shù)后就可以進(jìn)行破洞。②頂管機(jī)入土，在洞后，啟動頂管機(jī)刀盤，將頂管機(jī)通過主頂油缸緩緩?fù)迫胪林小＂圻B接機(jī)頭后方的兩根砼管和機(jī)頭管，進(jìn)而在一定程度上構(gòu)成一個整體，進(jìn)一步對頂進(jìn)段的高程和中線進(jìn)行控制。④至此，完成初始頂進(jìn)工作，這是需要進(jìn)行全面的測量，同時將測量數(shù)據(jù)繪成曲線，進(jìn)而為分析提供方便。

3.8 泥水控制

①流速與流量。對于泥沙來說，如果流速太小，那么在管內(nèi)就會造成沉積，進(jìn)而在一定程度上造成管道堵塞，如果有較大的顆粒出現(xiàn)在排水泥沙中，當(dāng)粒徑超過排泥管內(nèi)徑的1/3時，就會增加排除的難度，為了確保管道的通暢性，需要將流速大于某一定值，該值為流速的臨界值，當(dāng)排泥管公稱直徑為100MM時，其臨界流速為2.2-2.4M/S，而流量Q為：

Q=V*S

=（105.3/2*10-2）2*π*（2.2～2.4）

≈0.019～0.021m3/S

=1.15～1.25m3/min

（105.3為公稱直徑100mm管的實際內(nèi)徑）

為了保險，而實際流速大于臨界流速，取Q≥1.4m3/min

②泥水壓計算。泥水壓由排泥管總長度和挖掘面地下水壓力決定

L=L1+L2+△L+H1+H2

L：排泥管最大長度

L1：推進(jìn)最大距離

L2：工作井到沉淀池距離

L：由閥，彎頭引起損失折算成的長度，一般取10～

20m。

H1：工作井深度

H2：沉淀池排泥口到地面高度

揚(yáng)程損失HF2=L*△HF2

HF2：每米揚(yáng)程損失，取0.075～0.106

損失壓力：△P=ρg HF2

其中ρ：泥水密度 g：重力加速度

泥水壓力：P=PW+△P+（0.1～0.2）

PW：地下水壓力

覆土淺取0.1，在覆土深，地下水位高時取0.2。

③泥水濃度。根據(jù)地質(zhì)情況，如果土層的滲透系數(shù)比較小，泥水比重控制在1.05；反之，無法建立泥水壓力，進(jìn)而難以實現(xiàn)排泥，為了防止壓力水滲入透土層中，需要適當(dāng)增加泥水的濃度，通常情況下，將泥水比重控制在1.10 ～1.20，在挖掘面上快速形成泥模，進(jìn)而在一定程度上使泥水壓力有效控制挖掘面，隨著泥水的循環(huán)利用，在循環(huán)過程中，粘土?xí)霈F(xiàn)損失，這時需要向循環(huán)水中添加粘土或膨潤土。

3.9 測量與監(jiān)控

3.9.1 監(jiān)視高程及中線誤差

①通常情況下，通過建立地面及地下測量控制系統(tǒng)對泥水平衡頂管施工進(jìn)行測量，同時在不易擾動、視線清楚、方便校核、易于保護(hù)處設(shè)置控制點(diǎn)。②為了動態(tài)監(jiān)測前端頂管機(jī)偏離軸線，進(jìn)一步提高施工測量的效率，進(jìn)而在一定程度上適應(yīng)機(jī)械化頂管技術(shù)，所以采用激光導(dǎo)向?qū)δ嗨胶忭敼苓M(jìn)行監(jiān)控。③在頂進(jìn)過程中，將激光測量數(shù)據(jù)作為判斷前端頂管機(jī)高程及中線誤差的參考依據(jù)。在缺乏施工經(jīng)驗的情況下，高程和中線誤差的校驗測量通過使用水準(zhǔn)儀和經(jīng)緯儀來實現(xiàn)。④在工作間隙，使用水準(zhǔn)儀和經(jīng)緯儀對頂管機(jī)進(jìn)行測量，在糾偏過程中通常情況下需要增加測量的次數(shù)。⑤一節(jié)管子頂進(jìn)完成后，對管中心線盒的高程進(jìn)行一次測量。

3.9.2 監(jiān)控地面降沉情況

①對頂管施工過程中，監(jiān)控地面隆起情況，監(jiān)控應(yīng)符合下列要求。②在施工影響區(qū)域外設(shè)置監(jiān)控基準(zhǔn)點(diǎn)，同時具有良好通視與防干擾條件。③沿頂管機(jī)前進(jìn)軸線方向?qū)ΨQ安排布置隆沉觀測點(diǎn)，結(jié)合初始頂進(jìn)試驗確定具體布設(shè)尺寸。④對需要保護(hù)的建筑物、構(gòu)筑物等應(yīng)設(shè)監(jiān)控點(diǎn)。⑤對已完成的管段應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行隆沉觀測，觀測間隔時間按控制測量方案確定。

3.9.3 數(shù)據(jù)記錄與反饋

準(zhǔn)確填寫頂管施工過程中每次及最終測量數(shù)據(jù)，形成完整的測量記錄。每次測量、監(jiān)控的軸線誤差與地面隆沉數(shù)據(jù)，并及時進(jìn)行糾偏。

3.10 糾偏

①在頂進(jìn)過程中，頂管作業(yè)質(zhì)量受到糾偏的影響和制約，如果操作不當(dāng)，在一定程度上可能導(dǎo)致頂力驟升、破壞管接口，甚至導(dǎo)致管道無法頂進(jìn)，進(jìn)而在一定程度上引發(fā)嚴(yán)重的安全、質(zhì)量事故和經(jīng)濟(jì)損失，在砂層中頂進(jìn)尤為突出，在泥水過度沖刷的影響下，管道極易導(dǎo)致頂管機(jī)機(jī)頭下沉，因此，糾偏對于頂進(jìn)來說顯得尤為重要。②在機(jī)頭和機(jī)頭連接工具管出洞前，即使發(fā)生中線和高層偏差，也盡可能不要糾偏，因此此時糾偏，機(jī)頭連接管尚位于導(dǎo)軌上，起不到糾偏效果。③在監(jiān)視器中，當(dāng)光點(diǎn)發(fā)生的變化非常顯著時，必須中斷頂進(jìn)，這時測量人員需要下坑重新校正復(fù)核經(jīng)緯儀，查找是否屬儀器被觸碰或震動所致；如果不是，需要對原因進(jìn)行認(rèn)真分析，并且組織人員開會，進(jìn)行協(xié)商。④在頂進(jìn)工程中，作為操作人員需要對監(jiān)視器各項數(shù)據(jù)的變化進(jìn)行隨時的監(jiān)測，并且進(jìn)行及時的記錄，進(jìn)而在對記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的糾偏處理。⑤頂管過程中，頂管各項數(shù)據(jù)值需要由操作人員進(jìn)行記錄，應(yīng)該準(zhǔn)確、清楚、完整、及時地記錄頂進(jìn)數(shù)據(jù)，頂進(jìn)記錄每頂進(jìn)一根管子記錄數(shù)據(jù)不得少于一次，每班次不少于6次。

3.11 觸變泥漿與填充注漿

3.11.1 加注觸變泥漿

①與頂進(jìn)管子外徑相比，通常情況下頂管機(jī)外徑要大2～6cm，注漿后，使土體與管子間在一定程度上形成10～30mm的泥漿環(huán)。②每個注漿面上注漿孔的數(shù)量通常情況下需要根據(jù)管道的直徑、土質(zhì)條件、計算注漿量等進(jìn)行相應(yīng)的確定。③從頂管機(jī)后的第1、2節(jié)管開始進(jìn)行注漿，并且在一定程度上通過控制注漿分閘門，在頂進(jìn)過程中使管道的前端始終得到注漿的補(bǔ)充。④通過后續(xù)管子在頂進(jìn)過程中對補(bǔ)漿孔進(jìn)行補(bǔ)漿，土質(zhì)、頂速等在一定程度上影響和制約補(bǔ)漿孔的間距和數(shù)量，通常情況下相隔2～5節(jié)管子布置補(bǔ)漿孔。⑤受管道上方土體的塌落程度、土體的滲透系數(shù)以及注漿管路沿程壓力損失等因素的影響和制約，在一定程度上使得注漿壓力存在差異。⑥以平穩(wěn)的工作壓力連續(xù)注入漿液。⑦防止?jié){液竄入管道內(nèi)。⑧在管道上方覆土的承壓能力控制注漿壓力的上限。endprint

3.11.2 填充注漿

頂管終止頂進(jìn)后，應(yīng)向管外壁與土層間形成的空隙，或減阻觸變泥漿層進(jìn)行填充、置換，保障被穿越的地面構(gòu)筑物安全。注漿應(yīng)符合下列要求：

①應(yīng)由管內(nèi)均勻分布的注漿孔向外側(cè)空隙壓注漿液；注漿應(yīng)與地面監(jiān)控相配合，應(yīng)采用多點(diǎn)注漿將管道與土層的間隙充分填滿，注漿量宜按計算空隙體積的150%控制。②注漿壓力應(yīng)根據(jù)管頂覆蓋土層的厚度計算或試驗確定，宜為0.1～0.3MPa，砂卵石層宜控制在0.1～0.2MPa。③注漿結(jié)束后，應(yīng)在規(guī)定時間內(nèi)將注漿孔封閉。

3.12 中繼間頂進(jìn)

使用中繼間接力頂進(jìn)是長距離頂管的重要技術(shù)措施，隨著頂進(jìn)距離的增加，管壁與土體的摩阻力隨之加大，雖然利用觸變泥漿可以減阻，但其作用畢竟有限。長距離頂管應(yīng)設(shè)置中繼間，采用中繼間接力頂進(jìn)技術(shù)，可提高一次頂進(jìn)的距離，并減少工作井，降低施工成本。

①中繼間應(yīng)符合下列要求：a具有足夠剛度、卸裝方便，在使用中具有良好的連接性和密封性；b中繼間的設(shè)計最大頂力不宜超過管子承壓面抗壓能力的70%。②中繼間應(yīng)在主頂設(shè)備頂力達(dá)到中繼間設(shè)計頂力的3/4前使用。③中繼間的液壓設(shè)備與工作井頂進(jìn)設(shè)備宜集中控制。頂進(jìn)時，距離頂管機(jī)最近的中繼間先頂，其他的中繼間保持不動，在所有中繼間依次完成頂伸后，工作井內(nèi)主頂千斤完成最后的頂進(jìn)作業(yè)。

3.13 頂管機(jī)接收

①接收井一般設(shè)在管線的檢查井位置。接收井的開挖、支撐方式與工作井類似。在有地下水段應(yīng)進(jìn)行降水處理。②接收井的尺寸應(yīng)滿足頂管機(jī)與首節(jié)管子脫離后進(jìn)行設(shè)備檢查、維護(hù)及吊運(yùn)所需空間要求。③接收井應(yīng)預(yù)留頂管機(jī)出洞口，洞口直徑大于頂管機(jī)直徑10～20cm。④頂管機(jī)臨近接收坑井壁1～2m時，應(yīng)調(diào)整、控制頂管機(jī)頂進(jìn)速度，加密對頂管機(jī)軸線的測控。

3.14 工作管穿越

①頂管施工完成后，將預(yù)制完成、試壓合格、防腐合格的管段安裝絕緣支架，并將管口用6mm厚鋼板焊接密封。②工作井破碎：為了防止工作井整體破壞導(dǎo)致周圍土壤坍塌，回淤套管，所以采用局部破井的方法。用無齒鋸將靠背墻與井壁割開，再用油錘把井壁與靠背墻搗碎，使用氣焊將混凝土內(nèi)鋼筋切割掉，然后用挖掘機(jī)將廢料取出。在工作井破碎過程中，需使用兩臺挖掘機(jī)配合油錘破碎作業(yè)。③引溝開挖：沿著管道中心線開挖穿管引溝，引溝長度120m，深度4m。通過現(xiàn)場踏勘情況、在作業(yè)帶附近管溝開挖現(xiàn)場的實際情況以及起重設(shè)備的吊距，先降低地面標(biāo)高1.5m，然后開挖引溝。④芯管預(yù)制11根，總長約132km，穿管設(shè)備采用4臺70t吊管機(jī)、2臺40t吊管機(jī)和2臺240挖掘機(jī)。

3.15 地貌恢復(fù)

①對由于施工所造成的地形、地貌將有所改變的地段，首先進(jìn)行拍攝、建檔，作為以后恢復(fù)的依據(jù)。②在管溝開挖時將地表耕土與生土分開堆放。在管溝回填時，按照設(shè)計的要求，逐層、逐步進(jìn)行回填。③沿線施工時破壞的擋水墻、田埂、排水溝、便道等地面設(shè)施回填后要按原貌恢復(fù)。④工作井及接收井恢復(fù)時要逐層回填，分層夯實，盡量加大土壤密實度。

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