泥水平衡法頂管施工關(guān)鍵技術(shù)研究

羅天貴

摘 要：在廣州市車陂涌治理二期工程截污管道施工中，采用了泥水平衡法頂管施工，其施工安全可靠性強(qiáng)，速度快、占地少、成本低和利于環(huán)境保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。本文根據(jù)泥水平衡法頂管工作原理，結(jié)合現(xiàn)場施工實例，詳細(xì)分析了泥水平衡法頂管施工關(guān)鍵技術(shù)，為類似工程提供了借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：泥水平衡法；頂管施工；關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號：U455.47 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）22-0122-02

1 工程概況

廣州市車陂涌治理二期工程包括：車陂涌和楊梅河截污工程、大觀凈水廠進(jìn)廠主干管道工程、支涌近期污水收集工程、區(qū)域污水干管完善工程，建設(shè)管道總長約26.8km，頂進(jìn)管道管徑為DN1000～DN3000，管道材質(zhì)為Ⅲ鋼筋混凝土管和部分鋼管。本工程截污管道走向大部分沿交通道路布置并穿越部分道路，若采用傳統(tǒng)施工方法，對道路交通通行影響極大，周邊構(gòu)筑物及管線安全無法保證，并且施工成本極高，結(jié)合現(xiàn)場實際情況及頂管沿線地勘報告綜合考慮，采用泥水平衡法頂管進(jìn)行施工。

2 施工工藝流程

泥水平衡法頂管技術(shù)主要是頂管機(jī)頭通過主頂油缸向前推進(jìn)，機(jī)頭推進(jìn)至止水圈，轉(zhuǎn)動機(jī)頭切削刀盤，通過切削刀盤進(jìn)入土層，在頂進(jìn)中進(jìn)行切削并支撐土體，刀盤的頂推力與正面土壓力保持平衡，同時將泥水通過送泥水系統(tǒng)送至頂管機(jī)頭挖掘面上，泥水在挖掘面上形成一層不透水的泥膜，可阻止泥水向挖掘面里滲透，通過調(diào)整泥水壓力來平衡地下水壓力和土壓力，達(dá)到穩(wěn)定地面沉降和隆起的目的。頂管頂進(jìn)被刀盤切削的土體進(jìn)入泥水艙與泥水混合，最后通過泥漿系統(tǒng)排至地面泥漿箱，分離出來的殘土被運(yùn)走，泥水在送入泥水系統(tǒng)循環(huán)使用。其施工工藝流程如圖1所示。

3 關(guān)鍵技術(shù)控制要點(diǎn)

3.1 洞口的加固技術(shù)

針對本工程的土質(zhì)實際情況，為防止頂管機(jī)施工在進(jìn)入洞口時出現(xiàn)涌水、流沙等情況，在頂進(jìn)前要對工作井和接收井的洞口進(jìn)行加固處理，現(xiàn)場主要使用了攪拌樁、高壓旋噴樁、雙液注漿相結(jié)合的加固方式對土體進(jìn)行有效地改良，提高洞口周圍土體的整體穩(wěn)定性與強(qiáng)度，防止洞口的土體出現(xiàn)塌方、涌泥沙等現(xiàn)象。

3.2 頂管機(jī)在使用中的處理技術(shù)

在使用頂管機(jī)的時候，要防止頂管機(jī)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，這就需要使用正反轉(zhuǎn)的頂管機(jī)刀盤和緩慢頂進(jìn)的頂管機(jī)刀盤，并在頂管機(jī)外殼導(dǎo)軌的兩側(cè)或頂管機(jī)內(nèi)部配重與沙袋兩側(cè)焊上兩塊用于限定位置的鋼板，具體數(shù)據(jù)為：300×400mm，δ=30mm。還要防止頂管機(jī)出現(xiàn)后退問題，要使用合適的鋼板使導(dǎo)軌和頂管機(jī)的外殼兩側(cè)牢固焊接，并在洞口的兩側(cè)安裝一定尺寸的手拉葫蘆，保證頂管機(jī)的正常使用，或者應(yīng)用型鋼支撐的技術(shù)起到同樣的效果。為保證頂管機(jī)正常的頂進(jìn)過程，要防止頂管機(jī)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，也可以用牢固的連接件把前部三到四節(jié)的管子與頂管機(jī)相連，使之成為一個整體的頂管機(jī)刀盤。此外，頂管機(jī)在使用過程中也要避免發(fā)生碰頭、磕頭現(xiàn)象，防止頂管機(jī)出現(xiàn)下跌問題。對此，不僅需要進(jìn)一步加固洞口的土體，更要盡可能延伸導(dǎo)軌在預(yù)留的洞口處添抹適當(dāng)?shù)乃嗌皾{，并保證頂力的合力中心略低于管中心，通過足夠支撐頂管機(jī)的千斤頂進(jìn)行緩慢移動，將頂管機(jī)的機(jī)頭抬高一些，在頂管機(jī)即將出洞時使用頂管機(jī)后節(jié)壓的配重保持前端機(jī)頭不會因為下跌趨勢而發(fā)生頂管機(jī)的磕頭問題，從而保證頂管機(jī)操作與使用的高效性和便捷性。

3.3 洞口的止水技術(shù)

在頂管的推進(jìn)過程中，無論頂管是從工作坑里出洞還是在接收坑里進(jìn)洞都會導(dǎo)致管子和洞口之間存在不同程度的縫隙。如果這些縫隙沒有被封住和處理，就可能會導(dǎo)致地下水、泥沙等從間歇流進(jìn)坑中從而引發(fā)危險性較高的工程事故，也會殃及到周邊的建筑物與地下管線使用上的安全。對本項工程而言，首先可以在管子頂進(jìn)的前方坑內(nèi)澆筑起一道防水止水墻，墻體寬度為2米至5米，高度為1.5米至4.5米，厚度為0.3米至0.5米，管徑不同則墻體尺寸不同，墻體可以使用級配比較高的混凝土。當(dāng)遇到土質(zhì)條件比較差的情況時，鋼板樁中間的的咬口就會封不住泥水，這就需要將防水止水墻的寬度與工作坑的內(nèi)徑尺寸保持一致，并在防水止水墻預(yù)留的孔內(nèi)裝配橡膠止水圈，從而保證洞口止水的效果和整個頂進(jìn)過程的順利進(jìn)行。

3.4 膨潤土懸浮液應(yīng)用技術(shù)

一般而言，泥水平衡法的頂管掘進(jìn)機(jī)會有兩種存在形式：其一是單一形式的泥水平衡式，即通過泥水的壓力平衡地下水的壓力，與此同時平衡掘進(jìn)機(jī)周圍的土層壓力。其二是泥水僅僅平衡地下水的壓力，對土層壓力沒有直接影響，而是通過機(jī)械化的平衡方法來平衡土層壓力。無論哪一種形式的掘進(jìn)機(jī)，泥水平衡的頂進(jìn)管工程作業(yè)始終離不開泥漿。通常情況下頂管推力是頂進(jìn)過程中管道所受到的各種阻力，包括了頂管機(jī)迎面阻力、管壁的摩擦阻力、工具管切土的正壓力以及工具的水壓力。要提高頂進(jìn)過程的工作效率就需要縮減頂壓的進(jìn)阻力，盡可能提高頂進(jìn)力。此外，要防止出現(xiàn)洞口塌方就需要在頂進(jìn)過程中在土壁和管壁之間的縫隙處注入一定量的觸變泥漿，使之形成一種泥漿護(hù)套，是管道的外壁與砂土層的中間形成一個環(huán)狀的潤滑帶，從而實現(xiàn)減少土壁和管壁之間摩擦力、減少頂進(jìn)阻力的功效。通常而言，泥水平衡的頂管施工會使用膨潤土的懸浮液，其對粘性較小的土壤和不具備粘性的部分疏松土層支撐作用較為明顯。需要注意的是在使用膨潤土的懸浮液時要清楚掌握在砂礫上懸浮液的基本特性才能更好地發(fā)揮出懸浮液的支撐作用?？紫兜臋M斷面、壓漿壓力和懸浮液流動的基本特征是決定懸浮液流動速率的主要因素，因此在壓漿壓力保持一致的前提下，土層中如果有較小的顆粒物，那就需要使用低流速的懸浮液，反之則要使用高流速的懸浮液。在保證克服懸浮液自身流動阻力同時，要清楚認(rèn)識到懸浮液滲入的深度越深，其壓漿的壓力就會成正比而減小。對于一部分泥水平衡頂管施工工程來說，使用分段壓漿才能更好地實現(xiàn)施工效果。具體而言，要把管子的下半部分預(yù)留的注漿孔與上半部分緊密結(jié)合起來。這種半側(cè)壓方法的優(yōu)勢在于當(dāng)管道整體處于靜止?fàn)顟B(tài)時，所有重量都會被壓在底部，這樣一來便會使頂部的壓力變小，甚至于出現(xiàn)一些小空隙，而膨潤土也就相對更容易流出。反之，當(dāng)頂部的壓力和浮力同時存在并共同作用時，管道就會呈現(xiàn)出向上拱起的狀態(tài)，這時候管底下方壓力就會變小，從而導(dǎo)致膨潤土容易滲入且不利于流出。通過相關(guān)技術(shù)人員對本項工程反復(fù)進(jìn)行研究和實地考察，最終確定了膨潤土泥漿最佳的配比即膨潤土和水的質(zhì)量比應(yīng)為1：5。在配置泥漿時要注意調(diào)整和控制泥漿的粘稠度，并均勻攪拌泥漿，把調(diào)制好的泥漿集中存放在專用的泥漿池中進(jìn)行放置處理，放置的時間要不小于10個小時，保證泥漿中的各種成分被完全置換，從而最終獲得粘稠度適宜、穩(wěn)定性較高的泥漿。此外，在管節(jié)的頂進(jìn)過程中要不時地對泥漿池中的的泥漿進(jìn)行攪拌，防止泥漿出現(xiàn)離析現(xiàn)象。在具體的施工過程中要使用多點(diǎn)對稱的壓漿法，借助于壓漿設(shè)備把減摩擦泥漿注入到壓漿孔中使管節(jié)插口端和承口端的中間的環(huán)形間隙能夠注滿泥漿，并使之逐漸擴(kuò)散到整個管節(jié)周圍的土體，使外壁也能形成一個完整科學(xué)的泥漿護(hù)套。

3.5 頂進(jìn)方向的控制技術(shù)

對本工程而言，由于管體自身的柔性不高，一旦發(fā)生偏差就很難及時糾正，這就需要緊接著掘進(jìn)機(jī)之后設(shè)置三根承插的連接鋼管，每根鋼管長為2.3米，管節(jié)之間設(shè)置有安裝了密封圈的承接口，且每兩節(jié)根管中間的最大夾角為20度，從而有效解決頂進(jìn)的方向不易受到有效控制的主要缺點(diǎn)。本次工程使用了長距離的頂管自動導(dǎo)向系統(tǒng)作為頂管測量施工的主要導(dǎo)向，并通過操作臺上實時獲取的姿態(tài)數(shù)據(jù)與頂管機(jī)的偏差程度提高了泥水平衡法的頂管施工的工程可控性與準(zhǔn)確性。在實際的頂進(jìn)過程中，要時刻注意偏差的發(fā)展和變化趨勢，盡可能使數(shù)據(jù)的偏差在比較微小的波動變化范圍之內(nèi)，對糾偏工作要做到多測多糾，有測必糾，糾偏時要保持看趨勢糾偏和小幅度糾偏的原則，嚴(yán)格控制實際糾偏工作中的糾偏角度，避免進(jìn)行大幅度、大角度的糾偏。還要實時監(jiān)測與分析管道的頂進(jìn)過程中發(fā)生的偏移變化及軌跡，確定科學(xué)恰當(dāng)?shù)募m偏幅度。一般而言，導(dǎo)向系統(tǒng)可以提供實施軌跡的曲線顯示與歷史軌跡的曲線查詢，方便技術(shù)人員直觀、高效地讀取與分析頂管機(jī)實際的偏差趨勢。相關(guān)工作人員要實時監(jiān)視高精度頂管機(jī)傾斜儀的數(shù)據(jù)變化，分析與探究機(jī)頭的軌跡發(fā)展與變化。傾斜儀的讀數(shù)作為高程糾偏工作的重要依據(jù)，其也是評價糾偏實際效果的重要依據(jù)。頂管機(jī)的糾偏油路上設(shè)置有監(jiān)控壓力的裝置，技術(shù)人員可以通過分析壓力監(jiān)控相關(guān)設(shè)備的數(shù)據(jù)變化進(jìn)而分析頂進(jìn)過程中外力的實際情況和平衡狀況，還能預(yù)測頂管機(jī)前進(jìn)的可能軌跡，為采取有針對性的糾偏措施提供有效的信息資料和輔助參考。在頂管機(jī)剛剛產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)時就需要通過改變刀盤轉(zhuǎn)向的方式來進(jìn)行校正，具體的校正方法是保證刀盤的轉(zhuǎn)動方向與頂管機(jī)發(fā)生偏轉(zhuǎn)的方向保持一致。如果頂管機(jī)配備了較高精度的傾斜儀，就能把頂管機(jī)微小到0.01度的偏轉(zhuǎn)角度也準(zhǔn)確顯示出來，這就使技術(shù)人員可以及時發(fā)現(xiàn)頂管機(jī)微小的偏轉(zhuǎn)，并及時進(jìn)行校對糾正。如果刀盤轉(zhuǎn)向校對起不到明顯效果時，則可以采用加快頂管機(jī)的推進(jìn)速度、適當(dāng)提高與控制土壓、降低螺旋式輸土機(jī)的轉(zhuǎn)速等方法，以保持頂管機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。此外，還要減少糾偏角度和糾偏的頻率，設(shè)有遠(yuǎn)程實時監(jiān)控裝置的導(dǎo)向系統(tǒng)，可以在地面監(jiān)控頂管機(jī)實時獲取的各種導(dǎo)向數(shù)據(jù)與信息，導(dǎo)向系統(tǒng)因為整合了頂管機(jī)控制儀表的各種信息，不僅可以顯示頂管機(jī)實際的使用姿態(tài)，也可以顯示糾正角度以及偏油缸的行程等各種信息，現(xiàn)場的技術(shù)操作人員需要實時掌握和了解頂管機(jī)實際的反饋信息，當(dāng)發(fā)現(xiàn)存在異常情況和問題時就要及時暫停頂進(jìn)工作。而如果發(fā)現(xiàn)頂管機(jī)的糾偏效果沒有達(dá)到預(yù)期效果時，或者糾偏的偏差值極速增大難以控制時，就需要在頂管機(jī)和第一節(jié)的承插管中間增添一個150噸的液壓千斤頂，以此來輔助糾偏工作。

3.6 中繼間的密封技術(shù)

廣州市車陂涌治理二期工程的截污管道施工需要進(jìn)行長距離的頂管施工，這就要求設(shè)立中繼間，從而縮減管節(jié)的長度，減少千斤頂?shù)臄?shù)量。一般來說，頂進(jìn)的總距離越長，中繼間進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動的次數(shù)也就會越多，這樣就對中繼間的密封件的質(zhì)量提出了更高的要求。如果中繼間的密封件出現(xiàn)問題導(dǎo)致失效，將可能對整個頂管工程造成嚴(yán)重的破壞?？赡軐?dǎo)致地下水與泥沙進(jìn)入到管道中，導(dǎo)致地面發(fā)生明顯沉降，嚴(yán)重時將可能導(dǎo)致地面建筑物和管線的災(zāi)難性損害，不僅會影響整個頂管施工的進(jìn)度，還會帶來許多的安全隱患。此外，進(jìn)入管道的泥沙也會對密封件造成磨損，降低整個中繼間的密封效果，一旦中繼間發(fā)生滲漏，就會損傷減阻泥漿套的整體性，進(jìn)而導(dǎo)致施工事故的發(fā)生。針對本工程的實際情況，要提高中繼間的密封性可以設(shè)置兩組密封件。頂進(jìn)過程中僅有一組進(jìn)行密封充氣，當(dāng)出現(xiàn)密封件受到磨損需要更換時，在更換另一組進(jìn)行環(huán)內(nèi)充氣，把第一組的充氣環(huán)進(jìn)行泄氣放壓處理，使其縮回到中繼間的油缸內(nèi)，再拆除第一組的法蘭就能更換密封件了。在管道頂進(jìn)全部結(jié)束后，要先拆除掉中繼間的油缸設(shè)備，再運(yùn)用切割技術(shù)拆除各個承力構(gòu)件以及各種筋板，然后把中繼間進(jìn)行頂推，使其前后段合攏，之后再將后段環(huán)形的內(nèi)襯板與前段的殼體進(jìn)行充分焊接，徹底封閉整個中繼間可以活動的部分。

4 結(jié)語

綜上所述，在廣州市車陂涌治理二期的工程截污管道施工中，采用了泥水平衡法頂管施工技術(shù)，徹底解決了管道埋設(shè)施工中對城市建筑物的破壞和道路交通的堵塞等難題，在穩(wěn)定土層和環(huán)境保護(hù)方面凸顯其優(yōu)勢。同時，其施工安全可靠性強(qiáng)，速度快、占地少、成本低等優(yōu)點(diǎn)，對類似工程施工具有借鑒意義。

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