泥水平衡頂管技術(shù)在南水北調(diào)穿越高速公路工程中的應(yīng)用

□白建峰 □曹 宇

（1河南省水利水電工程建設(shè)質(zhì)量監(jiān)測監(jiān)督站；2中國葛洲壩集團(tuán)基礎(chǔ)工程有限公司）

0 前言

河南省安陽市南水北調(diào)配套工程37號線穿越京珠高速工程頂管長度165m，38號線穿越京珠高速工程頂管長度125m，施工均采用泥水平衡頂管施工技術(shù)，順利完成穿越任務(wù)。

1 施工難點(diǎn)及關(guān)鍵點(diǎn)

1.1 難點(diǎn)

1.1.1 施工質(zhì)量與安全

京珠高速為南北大動脈，交通繁忙，頂進(jìn)施工時必須保證施工質(zhì)量，控制地表沉降，確保車輛正常通行。同時應(yīng)加快施工，減少高速公路保通工作量，因此選擇頂進(jìn)作業(yè)方式滿足進(jìn)度和質(zhì)量要求是本工程關(guān)鍵。

1.1.2 適應(yīng)不同地質(zhì)特點(diǎn)

37號線穿越京珠高速段原為魚塘，高速施工時采取拋石處理地基，為避免穿越施工遭遇大塊拋石，設(shè)計(jì)管頂埋深距離地面14m。根據(jù)地勘報(bào)告，頂管水平管身主要位于第②層粘土和第③層低液限粉土，層內(nèi)可見1～3cm鈣質(zhì)結(jié)核，含量一般約占2%～5%。地下水位比管線高，對頂管施工方式選擇影響較大。

38號線穿越京珠高速段管身段巖性主要為中、重粉質(zhì)壤土，局部夾輕質(zhì)壤土、砂壤土。沿線廣泛分布，部分出露于地表。另外，在管線穿越高速公路及公路處，表層為路基人工填土，土質(zhì)較雜。

四是提升國有農(nóng)場統(tǒng)一經(jīng)營管理及服務(wù)職能。加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)集團(tuán)對農(nóng)場經(jīng)濟(jì)發(fā)展的帶動作用，完善產(chǎn)業(yè)集團(tuán)與國有農(nóng)場的利益聯(lián)結(jié)機(jī)制，把農(nóng)場培育為產(chǎn)業(yè)集團(tuán)的生產(chǎn)基地。加快培育農(nóng)場特色種養(yǎng)業(yè)，重點(diǎn)發(fā)展紅江橙、茶葉、菠蘿、蔬菜等特色產(chǎn)業(yè)，設(shè)立特色產(chǎn)業(yè)專業(yè)化公司，以市場為導(dǎo)向，增強(qiáng)企業(yè)盈利能力。建立完善以效益為核心的經(jīng)營考核制度,強(qiáng)化農(nóng)場企業(yè)定位，制定農(nóng)場三年扭虧增盈方案，將三年扭虧增盈指標(biāo)納入考核。

1.2 關(guān)鍵點(diǎn)

1.2.1 設(shè)備選型

不同地質(zhì)需要選用不同的頂管設(shè)備，既不能因設(shè)備性能達(dá)不到地質(zhì)要求造成質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，進(jìn)度滯后，甚至出現(xiàn)機(jī)械抱死，影響施工的現(xiàn)象，也不能過分追求頂管設(shè)備性能，出現(xiàn)經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。

1.2.2 頂進(jìn)觸變泥漿減阻

現(xiàn)代頂管施工中,漿液的作用越來越重要，必須在泥漿的配置、注漿控制上下功夫，充分發(fā)揮減阻、填補(bǔ)及支撐的作用。

2 設(shè)備選型與對比分析

不同的土質(zhì)需要選用不同的頂管機(jī)，這樣才能充分利用資源，避免浪費(fèi)現(xiàn)象，尤其是在使用液壓頂管機(jī)時更是需要提前考察好土質(zhì)和地形，才能確保順利施工過程。

根據(jù)37號線工程特點(diǎn)，選NPD型多邊形偏心破碎泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行施工。該款機(jī)器具有以下特點(diǎn)：

結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、精度高、便于操作和維修；具有破碎含量不超過12%卵石的能力；適用土質(zhì)廣，是一種全土質(zhì)泥水平衡頂管機(jī)，獲得2002年日內(nèi)瓦國際發(fā)明金獎；頂進(jìn)速度快，可靠性高，設(shè)置有觀察倉，機(jī)頭前端有異常情況可以觀察排除。

根據(jù)38號線工程特點(diǎn)，選GDDT普通型泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行施工。該款機(jī)器具有以下特點(diǎn)：

結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、技術(shù)成熟，是泥水平衡頂管機(jī)的最早期產(chǎn)品；適合粘土、沙土等，頂進(jìn)速度快。

3 在頂進(jìn)施工中觸變泥漿減阻技術(shù)注意點(diǎn)

3.1 觸變泥漿的作用

觸變泥漿的作用主要包括:減阻，漿液可將頂進(jìn)管道與土體之間的干摩擦轉(zhuǎn)換為液體摩擦,從而減少頂進(jìn)摩阻力;填補(bǔ)，漿液可填補(bǔ)施工時管道與土體之間產(chǎn)生的空隙;支撐，在注漿的壓力下,可減少土體變形,使管洞變得穩(wěn)定。

3.2 注漿控制措施

3.2.1 37號線注漿控制及施工異常情況處理

在長距離頂管施工時，應(yīng)重視頂管機(jī)壓漿和沿線補(bǔ)漿。因?yàn)轫敼軝C(jī)后的同步壓漿是為了及時填充機(jī)頭與管節(jié)之間的空隙以及糾偏產(chǎn)生的空隙，在泥土接觸管節(jié)之前先一步填滿空隙，建立泥漿套。沿線的補(bǔ)漿可以采用粘度小、流動性好的泥漿，以便在已有泥漿環(huán)的基礎(chǔ)上迅速填補(bǔ)缺失的泥漿。兩者對泥漿的要求存在差別。

37號線工程結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，采取以下措施，保證注漿效果。

3.2.1.1 注漿分三條線，以便形成完整的泥漿潤滑套。

第一條線：機(jī)尾同步壓漿

同步壓漿的目的是為了及時填充機(jī)頭與管節(jié)之間的空隙以及糾偏產(chǎn)生的空隙，在泥土接觸管節(jié)之前先一步填滿空隙，建立泥漿套。粘土或糾偏動作小時少些，動作大時就多些。在每節(jié)管材開頂時打開機(jī)尾控制閥之前先確定機(jī)尾的泥漿壓力表是否已建立起壓力，以確保漿液通達(dá)。

第二條線：沿線補(bǔ)漿

沿線補(bǔ)漿的目的是對管外壁滲透到土層中造成的泥漿套缺損進(jìn)行修補(bǔ)。具體操作是在頂進(jìn)過程中逐一開啟，逐一關(guān)閉。切忌漿液單側(cè)大量分布，這些有壓力的漿液把管節(jié)壓到對面的土體中，常常會造成頂力的劇烈上升。沿線補(bǔ)漿一般是2～3節(jié)管材設(shè)置一個端面，并與同步壓漿分開來，分別計(jì)量。

第三條線：洞口注漿

管節(jié)剛進(jìn)入洞口如果沒漿填充，土體就會塌落而裹住管節(jié)。洞口是泥漿套破壞源，在洞口要進(jìn)行專門針對性的不斷填充，可在洞口止水圈內(nèi)安裝專門的控制閥。

3.2.1.2 注漿質(zhì)量控制（見表1）

3.2.1.3 減阻效果

該頂管工程在頂進(jìn)施工前90m時施工順利，頂管機(jī)排泥及壓力表讀數(shù)均正常，平均每天可頂進(jìn)30m。千斤頂壓力表在8～10MPa之間（頂力約為2030kN）,頂進(jìn)90m時，排泥管排泥異常，電機(jī)電流增大并發(fā)熱，頂進(jìn)壓力表驟然上升至25MPa(頂力約為6400kN）。根據(jù)觀察分析，并不是觸變泥漿套減阻出現(xiàn)問題，應(yīng)是地質(zhì)條件發(fā)生變化，出現(xiàn)大量卵石富集，由此造成機(jī)頭迎面阻力過大，頂管機(jī)無法正常排泥。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，決定通過機(jī)頭觀察艙口人工清倉，清倉后頂進(jìn)50～100cm后機(jī)頭刀盤再次卡死。繼續(xù)采取人工清倉方式，每次清倉大約4h，平均頂進(jìn)距離約0.50～1m，繼續(xù)頂進(jìn)20m后恢復(fù)正常。千斤頂壓力再次恢復(fù)到10～15MPa(頂力約為3800kN),實(shí)際頂力僅為規(guī)范計(jì)算頂力的40%，管道摩阻力僅為計(jì)算摩阻力的33%，觸變泥漿減阻取得良好的效果，見圖1。

表1 注漿質(zhì)量控制表

圖1 減組效果圖

3.2.2 38號線施工異常情況處理

該頂管工程在頂進(jìn)施工前70m時施工順利，頂管機(jī)排泥及壓力表讀數(shù)均正常，平均每天可頂進(jìn)20m。千斤頂壓力表在12～15MPa之間（頂力約為5800kN）,在頂進(jìn)70m時，頂進(jìn)壓力表驟然上升至28MPa(頂力約為11000kN），且泥漿管不再排泥，初步分析是地質(zhì)條件發(fā)生變化，由粘土變?yōu)樯惩炼鴽]及時更換觸變泥漿配合比（砂土中應(yīng)增加泥漿粘度），引起管道上部塌方造成管道阻力增大，管道抱死。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，考慮本工程還內(nèi)套鋼管，同時機(jī)頭在高速路面無法開天窗挖除，決定更換泥漿配合比，全線補(bǔ)漿，增加頂力。在全線補(bǔ)漿后第3天管道啟動，頂力很快下降到8000kN，隨著管道移動頂力又繼續(xù)下降，最終順利完成穿越任務(wù)。管壁摩阻力可以逆轉(zhuǎn)這一規(guī)律在這一工程中得到驗(yàn)證。

4 結(jié)語

通過南水北調(diào)配套供水管線工程穿越高速公路的工程實(shí)踐，泥水平衡頂管機(jī)能夠安全、優(yōu)質(zhì)、高效的完成頂進(jìn)施工任務(wù)。要結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，選擇合適的頂管機(jī)，才能做到經(jīng)濟(jì)合理、優(yōu)質(zhì)高效，同時在施工過程中嚴(yán)格控制施工工藝，把不利因素降到最低，遇見異常情況不能盲目頂進(jìn)施工，以免造成質(zhì)量事故。

泥水平衡頂管施工時觸變泥漿潤滑套的質(zhì)量直接影響頂進(jìn)過程中的頂力，可以直觀的從頂進(jìn)系統(tǒng)的壓力表上反應(yīng)。完整的觸變泥漿潤滑套的建立是與管道密封、中繼間密封和洞口止水裝置密封直接有關(guān)的。當(dāng)然,泥漿材料的質(zhì)量及配比、注漿工藝的管理和施工過程的停頓時間過長,都可能對頂力產(chǎn)生很大的影響。注漿效果好壞，關(guān)系到能否有效減少頂進(jìn)阻力，進(jìn)而影響工程造價(jià)甚至工程成敗。由于注漿減摩施工屬隱蔽性工程，對其進(jìn)行定量分析難度較大，故注漿工藝各參數(shù)的選取一定要根據(jù)具體的施工情況、地質(zhì)條件及現(xiàn)有條件，并參照國內(nèi)外已有的施工先例進(jìn)行。在本次工程37號線施工時采用三條線分別注漿，同時對不同注漿線采取不同漿液配合比，實(shí)際施工中形成了完整的泥漿潤滑套，減阻效果明顯，通過本工程的施工，為更長距離或更大口徑的頂管施工積累了經(jīng)驗(yàn)。

[1]馬軍峰.南水北調(diào)城市供水管道頂管施工技術(shù)及應(yīng)用[J].河南水利與南水北調(diào),2014(21).

[2]王明玉.頂管施工技術(shù)及常見問題分析[J].廣東建材,2015(10).

[3]成曉君.泥水平衡式機(jī)械頂管施工抱管成因分析[J].山西建筑，2012(7).