泥水平衡法頂管施工工藝關(guān)鍵技術(shù)解析

□張金剛

（汝陽縣水利局虎盤水庫管理所）

1 引言

頂管法施工工藝是一種歷史悠久的地下管道施工方法，它最早于1896 年起源于美國，中國至1984 年才開始引進(jìn)在一些大城市市政工程領(lǐng)域應(yīng)用，并由此使中國的頂管技術(shù)上了一個(gè)新臺(tái)階。頂管施工除了傳統(tǒng)的人工開挖法、擠壓法、水沖法之外，目前比較流行的有氣壓平衡、土壓平衡和泥水平衡三種理論。文章以南水北調(diào)中線工程平頂山供水11-1號(hào)管線第Ⅴ標(biāo)段為實(shí)測(cè)，對(duì)這種理論的實(shí)踐過程進(jìn)行初步解析，以供同行應(yīng)用時(shí)借鑒參考。

2 項(xiàng)目概況

標(biāo)段的代表性穿越項(xiàng)目是大浪河頂管工程，該工程從樁號(hào)B2+996.46 開始至B2+874.46 止，頂管長度122 m，混凝土套管DN1400，內(nèi)穿SP 管DN800。該段地層主要為第四系上更新統(tǒng)沖積成因的重粉質(zhì)壤土、中更新統(tǒng)坡洪積成因的重粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)粘土、碎石，其下為上第三系中新統(tǒng)洛陽組的粘土巖、砂礫巖和泥灰?guī)r等，共分為5 層。根據(jù)有關(guān)規(guī)程推薦，泥水平衡式頂管機(jī)適用于地下水位以下的粘性土、砂性土，因此設(shè)計(jì)部門選擇泥水平衡式頂管施工工藝作為技術(shù)成果。

該標(biāo)段類似穿越項(xiàng)目還有穿越河、渠2 處，長度分別為61.20、59.12 m；穿越等級(jí)公路和城市道路5處，長度分別為86、66、56、56、46 m。

3 施工工藝流程與主要頂進(jìn)方法

完整的泥水平衡式頂管系統(tǒng)包括以下8個(gè)部分，其主要施工工藝流程圖見圖1。

3.1 掘土頂進(jìn)

掘土頂進(jìn)的順利與否，關(guān)鍵是選擇合適的頂進(jìn)機(jī)頭。根據(jù)地質(zhì)勘探情況，穿越大浪河頂管層含有較大粒徑的礫石，采取泥水平衡作業(yè)需要將其破碎。根據(jù)這一要求，施工單位選擇了淮南唐興產(chǎn)的TPN1500 型頂進(jìn)機(jī)頭，這種機(jī)頭的刀盤開口較大，開口面積約占全斷面的15%，有利于較大粒徑的卵石順利進(jìn)入頂管機(jī)內(nèi)。刀盤在一邊旋轉(zhuǎn)切削土砂的同時(shí)，一邊作偏心運(yùn)動(dòng)把石塊軋碎（破碎的最大粒徑可達(dá)掘進(jìn)機(jī)口徑的40%～45%，破碎的卵石強(qiáng)度可達(dá)200 MPa），然后使軋碎的碎石進(jìn)入泥水倉而從排水管道排出。

圖1 主要施工工藝流程圖

3.2 注漿排泥

3.2.1 優(yōu)選注漿材料

目前，在頂管工程中應(yīng)用最廣泛的是膨潤土泥漿。這種泥漿通常是由膨潤土、CMC（粉末化學(xué)漿糊）、純堿和水按一定比例配方組成，通常水：土=（4～5）∶1、土：摻合劑=（20～30）∶1、膨潤土濃度約為5%，可廣泛適用于粘性土、粉質(zhì)土及滲透系數(shù)較小的砂性土地區(qū)；滲透系數(shù)較大的粒砂反砂礫層可采取化學(xué)灌漿。

3.2.2 控制注漿壓力

注漿壓力宜通過試驗(yàn)選取也可根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)公式推求，公式可參考《給排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB50268-2008）和《給排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》（CECS246∶2008）有關(guān)內(nèi)容，常用注漿設(shè)備是液壓泵、活塞泵或螺桿泵。

3.2.3 掌握注漿時(shí)間和注漿數(shù)量

一般補(bǔ)漿孔的間距通常以每隔3～5 節(jié)管段或9～15 m 距離設(shè)置一組為宜，每個(gè)斷面可布孔3～4個(gè)，注漿量一般達(dá)4～5倍理論計(jì)算量（根據(jù)管道外壁與土體之間的空隙范圍計(jì)算而得）。

3.3 設(shè)備糾偏

在頂管施工頂進(jìn)中，管道是在地下土層中頂推前進(jìn)，由于不均一和機(jī)頭姿態(tài)不穩(wěn)定等原因，機(jī)頭軌跡（標(biāo)高和軸線）會(huì)與設(shè)計(jì)軌跡發(fā)生偏差。為了糾正這種軌跡偏差，目前國內(nèi)外都是依靠頂管機(jī)自帶的液壓糾偏系統(tǒng)而進(jìn)行糾偏的。

相對(duì)于進(jìn)口機(jī)（如海瑞克、伊勢(shì)機(jī)）的先進(jìn)糾偏功能，國產(chǎn)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頂進(jìn)前幾乎不需要進(jìn)行任何的調(diào)整和調(diào)零工作，但缺點(diǎn)卻十分突出，主要是多沒配備與進(jìn)口機(jī)反射誘導(dǎo)同等功能的糾偏反饋系統(tǒng)，只能依靠?jī)A斜儀和糾偏油缸的伸出量來進(jìn)行間接的判斷。雖然從理論上講，只要通過控制幾個(gè)糾偏油缸的伸縮量，就能夠使頂管機(jī)逐步恢復(fù)到正確的軸線位置，但實(shí)際工作中往往由于操作人員的經(jīng)驗(yàn)不足、以及土質(zhì)變化和不同頂管機(jī)的結(jié)構(gòu)性能差異等，經(jīng)常會(huì)使控制系統(tǒng)不能直觀、及時(shí)、準(zhǔn)確地反饋機(jī)頭姿態(tài)，從而導(dǎo)致糾偏出現(xiàn)偏差。

面對(duì)國產(chǎn)機(jī)的上述現(xiàn)實(shí)情況，施工操作人員制定了具體應(yīng)對(duì)措施：一是“勤”。包括勤觀察與勤動(dòng)作，即操作手不間斷的觀察顯示屏、指示燈和掌握了解井內(nèi)情況；二是“微”。指每次糾偏的幅度不能太大，因?yàn)橥蝗坏拇蠓燃m偏，往往會(huì)造成管接頭開口，甚至導(dǎo)致漏水，或者矯枉過正，導(dǎo)致向另一側(cè)偏差，形成“S”型管道，使頂力增大，引發(fā)其它問題；三是“標(biāo)不離靶”?！皹?biāo)”是指激光束，“靶”就是光靶。簡(jiǎn)單說，就是在任何時(shí)候激光束都不能離開光靶。在頂進(jìn)過程中，由于各種原因，造成機(jī)頭偏差較大時(shí)（尤其是水平方向），使得光束離開了光靶，導(dǎo)致控制臺(tái)上看不到激光點(diǎn)，遇見這種情況，應(yīng)該特別的小心處理。一般分兩步糾偏：①調(diào)整激光發(fā)射器位置，并記錄X和Y方向的偏移值（X，Y）；②糾偏回來后再把激光發(fā)射器移動(dòng)（-X，-Y）即可。

3.4 中繼間接力

中繼間也可稱作中繼站或中繼環(huán)。中繼間的結(jié)構(gòu)主要由殼體、油缸、密封件等部件組成。在頂進(jìn)過程中，中繼間安裝在管道中的某個(gè)部位，把管道分成若干個(gè)頂進(jìn)區(qū)間。頂進(jìn)時(shí)，先由若干個(gè)中繼間按先后順序把管道頂進(jìn)一段距離，然后由主頂裝置頂進(jìn)最后一個(gè)區(qū)間的管道，這樣不斷重復(fù)，直到整條管道貫通。中繼間的設(shè)置一般根據(jù)頂力的變化而確定。通常情況下，第一只中繼間應(yīng)放在比較靠前的位置，當(dāng)總的推力達(dá)到中繼間總推力的40%～60%時(shí)，就應(yīng)安放第一只中繼間，這主要是考慮在頂進(jìn)過程中，工具管正面的阻力會(huì)因土質(zhì)條件的變化而發(fā)生較大的變化。第一只中繼間以后，每當(dāng)推力達(dá)到中繼間總推力的70%～80%時(shí)，可考慮安放下一個(gè)中繼間。

4 結(jié)語

長距離頂管施工具有許多的不可預(yù)見性，影響頂力變化的隨機(jī)因素隨時(shí)可現(xiàn)，如沿途地質(zhì)條件的變化等等。因此，很難做好準(zhǔn)確的施工設(shè)計(jì)工作，為不致施工過程中出現(xiàn)較大的偏差，建議設(shè)計(jì)時(shí)多做幾套方案，以隨時(shí)應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的各種問題。比如中繼間設(shè)置是否合理，不僅關(guān)系到管道頂進(jìn)能否正常進(jìn)行，而且關(guān)系到工程造價(jià)等問題，少了不安全、多了是浪費(fèi)。文中提到的該標(biāo)段施工設(shè)計(jì)具有中繼間內(nèi)容，但實(shí)際上幾處頂管工地上真正按設(shè)計(jì)要求操作使用的卻很少。因此應(yīng)重視方案的多樣化比選與論證工作，唯如此，才能保障長距離頂管施工的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)和實(shí)用。