簡述管道鋪設(shè)中的泥水平衡式頂管施工技術(shù)

王 斌

(中國葛洲壩集團(tuán)第二工程有限公司,四川 成都 610091)

1 工程概況

深圳市橫崗污水處理廠廠外配套污水進(jìn)水總管工程，起點(diǎn)為一期工程進(jìn)水泵房前進(jìn)水檢查井，沿龍崗河河邊平土區(qū)敷設(shè)DN1800F型鋼筋混凝土管道，至橫崗污水處理廠二期工程進(jìn)水泵房前進(jìn)水總井。該工程需頂管施工約600 m，管道采用鋼筋混凝土膠頂管(內(nèi)襯PVC)，鋼筋混凝土膠頂管采用套環(huán)接口。頂管工作井、接收井分別為φ7500、φ4000圓形鋼筋混凝土井，采用沉井法施工。

該施工段地基底巖石以侏羅系砂頁巖為主，地表廣為較厚的第四系沉積物覆蓋。地下水量、水位隨季節(jié)變化明顯，水量較豐富，地下水穩(wěn)定水位均高于頂管頂面。根據(jù)鉆探資料，管底所在的土層主要以粘性土或全風(fēng)化砂頁巖為主，局部為礫砂和粉細(xì)砂。粘性土與全風(fēng)化砂頁巖滲透性較弱，均為相對隔水層。

2 頂管施工機(jī)械選型

根據(jù)地質(zhì)資料，全風(fēng)化砂頁巖和礫砂中含有較大卵石，為確保進(jìn)度及質(zhì)量萬無一失，故選用帶有二次破碎功能且地面沉降小的NPD1800泥水平衡式頂管機(jī)。該機(jī)裝有偏心回轉(zhuǎn)破碎機(jī)頭，且具有可分割性，除具有刀盤旋轉(zhuǎn)對土層進(jìn)行剪切破碎能力外，還具有刀盤偏心回轉(zhuǎn)破碎礫石的能力，還可防止黏土堵塞進(jìn)泥口，在頂進(jìn)中不必更換刀盤即能在黏土、沙礫直至軟巖地層中頂進(jìn)。另外因該機(jī)頭裝有RGS方向修正誘導(dǎo)裝置，通過觀察操作上激光投影板上的激光光點(diǎn)的移動情況，即可判斷出產(chǎn)生偏差的方向和大小，并通過操縱糾偏系統(tǒng)方便的進(jìn)行全方位的糾偏，頂進(jìn)精度高，偏差可控制在±5～10 mm以內(nèi)。

該機(jī)頭采用切削法頂進(jìn)、棄土排放用泥水為載體的方法，不會使周圍土體被擠壓至密，造成土壓增高而引起的表面隆起。在施工中，當(dāng)頂力過大或過小時(shí)，該機(jī)可通過調(diào)節(jié)排泥量和頂進(jìn)速度來調(diào)節(jié)頂力平衡土壓力，達(dá)到控制因此而產(chǎn)生的地面沉降。該機(jī)在施工中不用降水，并且由泥水壓力來平衡地下水壓力，使地下土層體保持相對穩(wěn)定，從而控制了因地下水流失而引起的地面沉降。

3 泥水平衡式頂管工作原理

在工作井完成后，頂管掘進(jìn)機(jī)安裝就位至導(dǎo)軌上，微型掘進(jìn)機(jī)被主頂油缸向前推進(jìn)，掘進(jìn)機(jī)頭進(jìn)入止水圈，穿過土層到達(dá)接收井，電動機(jī)提供能量，轉(zhuǎn)動切削刀盤，通過切削刀盤進(jìn)入土層。挖掘的土質(zhì)，石塊等在轉(zhuǎn)動的切削刀盤內(nèi)被粉碎，然后進(jìn)入泥水艙，在那里與泥漿混合，最后通過泥漿系統(tǒng)的排泥管由排泥泵輸送至地面上。在挖掘過程中，采用土壓平衡裝置來維持水土平衡，始終處于主動與被動土壓之間，達(dá)到消除地面的沉降和隆起的效果。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)完全進(jìn)入土層以后，吊下第一節(jié)頂進(jìn)管，它被推到掘進(jìn)機(jī)的尾套處，與掘進(jìn)頭連接管頂進(jìn)以后，挖掘終止、液壓慢慢收回，另一節(jié)管道又吊入井內(nèi)，套在第一節(jié)管道后方，連接在一起，重新頂進(jìn)，這個(gè)過程不斷重復(fù)，直到所有管道被頂入土層完畢，完成一條永久性的地下管道。

掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過程中，采用了激光導(dǎo)向控制系統(tǒng)。位于工作后方的激光經(jīng)緯儀發(fā)出激光束，調(diào)整好所需的標(biāo)高及方向位置后，對準(zhǔn)掘進(jìn)機(jī)內(nèi)的定位光靶上，激光靶的影像被捕捉到機(jī)內(nèi)攝像機(jī)的影像內(nèi)，并輸送到挖掘系統(tǒng)的電腦顯示屏內(nèi)。操作者可以根據(jù)需要開啟位于掘進(jìn)機(jī)內(nèi)置式油缸進(jìn)行伸縮，為達(dá)到糾偏的目的，調(diào)整切削部分頭部上下左右高度。

4 頂管施工程序

施工順序?yàn)椋簻y量引點(diǎn)→工作井施工→測量放樣→井下導(dǎo)軌機(jī)架、液壓系統(tǒng)、止水圈等設(shè)備安裝→地面輔助設(shè)施安裝→頂管掘進(jìn)機(jī)吊裝就位→激光經(jīng)緯儀安裝→掘進(jìn)機(jī)出工作坑→正常頂進(jìn)→頂管機(jī)進(jìn)接收坑。

5 現(xiàn)場頂管設(shè)備安裝及泥水系統(tǒng)的布置

5.1 后靠背

為使分散的主頂千斤頂各油缸推力反力均勻的作用在工作井的井壁上，先在工作井內(nèi)千斤頂后方位置澆筑一堵弧形后座墻，再在后座墻與主頂油缸尾部墊上一塊70 mm厚鋼制后靠背，鋼板平面尺寸為2.2 m×2.4 m。后靠背壁面應(yīng)平整，并與管道頂進(jìn)方向垂直，盡量保證后靠背的中心與頂管軸線相重合。

5.2 導(dǎo)軌及后頂?shù)仍O(shè)備的安裝

導(dǎo)軌采用38 kg/m的鋼軌制作，固定在沉井底板預(yù)埋鋼板上，其要求確保導(dǎo)軌中心線和頂管走向軸線在一條直線上，等高或略高于該處管道的設(shè)計(jì)高程，其縱坡應(yīng)于管道的設(shè)計(jì)一致。導(dǎo)軌是支托未入土的管段和頂鐵，起導(dǎo)向作用，故導(dǎo)軌的安裝精度要求高。導(dǎo)軌安裝時(shí)要反復(fù)校核，使中線、高程、坡度務(wù)必符合設(shè)計(jì)要求。安裝時(shí)導(dǎo)軌在豎直方向和導(dǎo)軌軸線方向調(diào)整好后再精調(diào)導(dǎo)軌的高程，最后支撐導(dǎo)軌至井壁上。根據(jù)實(shí)際情況填塞C15-C30混凝土至井壁到后靠背的間隙，后方頂?shù)陌惭b在后靠背的安裝完畢后進(jìn)行，抄平后頂后只要保證所有千斤頂后平面貼實(shí)后靠背既可固定。導(dǎo)軌安裝完畢后需在預(yù)留洞口內(nèi)安裝副導(dǎo)軌，副導(dǎo)軌的軸線以及高程均與主導(dǎo)軌保持一至，此副導(dǎo)軌用于防止機(jī)頭進(jìn)洞后低頭，見圖1(導(dǎo)軌、副導(dǎo)軌安裝示意圖)：

增高裝置可根據(jù)機(jī)頭重量以及增高量選擇枕木，鋼支架或混凝土墊層。

洞口止水裝置的安裝，應(yīng)保證除止水圈外最小直徑大于進(jìn)洞物最大直徑的8 cm，防止受到進(jìn)洞物的剪切而失去止水效果，位置確定后可用水泥砂漿封堵與井壁形成的間隙，防止從間隙處漏水、漏漿。

圖1 導(dǎo)軌、副導(dǎo)軌安裝示意圖

5.3 主頂系統(tǒng)

后座主推油缸4只200T千斤頂，均安裝在牢固型鋼支架上。4只千斤頂合力中心應(yīng)在混凝土管中心偏下一點(diǎn)，約低管道半徑的1/5～1/4，確保頂進(jìn)受力時(shí)處于良好狀態(tài),千斤頂?shù)挠吐凡⒙?lián)，每臺千斤頂均有進(jìn)油、退油的控制系統(tǒng)。

5.4 泥水系統(tǒng)的布置

泥水系統(tǒng)包括泥水輸送(平衡)系統(tǒng)和泥水處理兩大部分。泥水輸送(平衡)系統(tǒng)具有兩大功能：一是通過加壓的泥水來平衡開挖面的土體，二是將刀盤切削下來的土體在泥水倉中混合后通過泵送經(jīng)泥水管路輸送到地面。泥水處理系統(tǒng)的主要功能是通過泥水處理設(shè)備的處理后，將泥水的比重和粘度等指標(biāo)調(diào)整到比較合適的值，通過泵將其送到頂管機(jī)中使用，同時(shí)將排泥管排放的泥水進(jìn)行分離，將可重復(fù)利用的粘性顆粒送入調(diào)整槽中處理后加以利用，其余部分作棄土處理。

泥漿池應(yīng)盡量靠近工作井邊，可以減少排泥管路過長而且產(chǎn)生的管路摩阻力，泥漿池可用并聯(lián)法，見圖2。

沉石箱的配置可沉淀塊狀物，防止塊狀物直接進(jìn)入排泥泵引起排泥泵堵塞和損壞。注漿系統(tǒng)應(yīng)盡量使用螺桿泵以減少脈動現(xiàn)象，漿液應(yīng)保證攪拌均勻，系統(tǒng)應(yīng)配置減壓系統(tǒng)，在泵出口處1 m外以及機(jī)頭注漿處各安裝一只隔膜式壓力表。

圖2 泥水系統(tǒng)示意圖

6 頂進(jìn)工藝

6.1 頂力計(jì)算及中繼間設(shè)置

F=F1十F2

式中F為總推力；Fl為迎面阻力；F2為頂進(jìn)阻力。

F1=π/4×D2×P

式中D為管外徑2.18 m；P為控制土壓力。

P=Ko×γ×Ho

式中Ko為靜止土壓力系數(shù)，一般取0.55；Ho為地面至掘進(jìn)機(jī)中心的厚度，取最大值11 m；γ為土的濕重量，取1.9 t/m3

P=0.55×1.9×11×9.8=112.7 kN/m2

F1=π/4×2.182×112.7=420.7 kN

F2=πD×f×L

式中f為管外表面平均(根據(jù)頂進(jìn)距離平均沙礫土)綜合摩阻力，根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)和有關(guān)規(guī)范所示數(shù)據(jù)，混凝土管節(jié)在使用觸變泥漿減阻措施頂進(jìn)時(shí)的管壁側(cè)面摩阻力為0.3～0.5 t/m2。本處取0.5 t/m2；D為管外徑2.18 m；L為頂距。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，頂管段容許頂進(jìn)力5 000 kN

F2最大值為5 000-420.7=4 579.3 kN

則允許最大頂進(jìn)長度L=F2/(π×2.18×0.5×9.8)=136 m 。

本工程最長管段G1-S2段也只有108 m，故本工程頂管無需設(shè)置中繼間。

6.2 穿墻及出洞方案

穿墻即打開穿墻悶板將工具管頂出井外，并安裝穿墻止水裝置。具體為在一切設(shè)備調(diào)試正常后將工具管推至距悶板10 cm處并將臨時(shí)止水裝置安裝在工具管前方，悶板開啟后，將工具管快速頂進(jìn)穿墻管，即緊固臨時(shí)止水裝置，待頂至泥漿環(huán)時(shí)撤除臨時(shí)止水安裝永久止水裝置。同時(shí)應(yīng)配備足夠農(nóng)用泵和潛水泵以備井內(nèi)抽水。

沉井制作下沉?xí)r，預(yù)先在洞口內(nèi)用黃泥和石灰均勻拌和，填充在穿墻孔內(nèi)，井內(nèi)用鋼封門堵住，強(qiáng)度控制在刀盤容易切削，又不產(chǎn)生塌方。

為防止出洞口及頂進(jìn)過程中泥水壓力過大涌入工作井內(nèi)，在洞口內(nèi)預(yù)先安裝一個(gè)單法蘭穿墻鋼套管，用于安裝橡膠止水圈及止水封板。由于頂進(jìn)距離長，造成管材表面及F型鋼套環(huán)、砂等對橡膠止水圈不可避免的磨損，需經(jīng)常更換橡膠止水圈。因此，我們在洞口里側(cè)增加一道橡膠止水圈，當(dāng)需更換外部橡膠止水法蘭時(shí)，洞口內(nèi)部的橡膠止水圈可防止地下水進(jìn)入井內(nèi)。

6.3 頂進(jìn)調(diào)試及土體取樣

頂管下井前應(yīng)作一次安裝調(diào)試，油管安裝先應(yīng)清洗，防止灰塵等污物進(jìn)入油管，電路系統(tǒng)應(yīng)保持干燥，機(jī)頭運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)試各部分動作正常，液壓系統(tǒng)無泄漏。

機(jī)頭下井后刀盤應(yīng)離開封門1 m左右，放置平穩(wěn)后重測導(dǎo)軌標(biāo)高，高程誤差不超過5 mm，即可開始鑿除磚封門，磚封門應(yīng)盡量鑿除干凈，不要遺留塊狀物，同時(shí)可進(jìn)行土體取樣工作，使用φ100，L=500 mm的兩根鋼管在洞口上下部各取長400 mm的土樣，取樣工作完成后隨即頂機(jī)頭，使機(jī)頭刀盤貼住前方土體。

本機(jī)頭屬于刀盤不可伸縮型，機(jī)頭的土壓控制主要通過頂速來調(diào)節(jié)，每次初頂時(shí)先調(diào)節(jié)好送水壓力，然后打開機(jī)內(nèi)止水閥，轉(zhuǎn)動刀盤，關(guān)閉機(jī)內(nèi)旁道，待流量達(dá)到額定值的80%時(shí)既可開始頂進(jìn)，送水壓力可通過機(jī)內(nèi)壓力調(diào)節(jié)既可完成。

6.4 頂進(jìn)過程中的方向控制

頂進(jìn)的過程實(shí)際上也是不斷糾偏的過程，由于機(jī)頭本身所具有的方向誘導(dǎo)裝置，操作員只要通過糾偏動作，始終保證激光點(diǎn)在二號光靶的中心即可。初始推進(jìn)階段，方向主要是主頂油缸控制，因此，一方面要減慢主頂推進(jìn)速度，另一方面要不斷調(diào)整油缸編組和機(jī)頭糾偏；布設(shè)在工作井后方的儀座必須避免頂進(jìn)時(shí)移位和變形，必須定時(shí)復(fù)測并及時(shí)調(diào)整；頂進(jìn)糾偏角度應(yīng)保持在10’～20’不得大于0.5°，并設(shè)置偏差警戒線。

在頂進(jìn)過程中，由于機(jī)頭重量較大，長時(shí)間的滯留會造成機(jī)頭沉降，軸線發(fā)生偏差；或已頂好的管子周圍土體固結(jié)，使得摩阻力增大。因此，在開始頂進(jìn)前，需確保管材等在現(xiàn)場應(yīng)備有足夠余量。

6.5 注漿減阻

長距離頂管施工中，頂力控制的關(guān)鍵是最大限度地降低頂進(jìn)阻力，而降低頂進(jìn)阻力最有效的方法是進(jìn)行注漿。注漿使管周外壁形成泥漿潤滑套，從而降低了頂進(jìn)時(shí)的摩阻力。在管道上預(yù)埋壓漿孔的設(shè)置要有利于漿套的形成。壓漿方式要以同步注漿為主，補(bǔ)漿為輔。注漿通過注漿泵進(jìn)行，管道分總管和支管，總管安裝在管道內(nèi)一側(cè)，支管則把總管內(nèi)壓送過來的漿液輸送到每個(gè)注漿孔上，在注漿孔中設(shè)置一個(gè)單向閥，使?jié){液管外的土不能倒灌而堵塞注漿孔，從而影響這漿效果。注漿流程為造漿靜置(24h)→注漿→頂管推進(jìn)(注漿)→ 頂管停頂→停止注漿。

7 結(jié) 語

(1)本工程施工中，管道需穿越各類障礙物，如道路、建筑物和構(gòu)筑物等，對此，我們采用地下頂管的方式以避免大開挖，泥水平衡頂管施工對管體周圍的土體擾動也小，較適宜于長距離的管道施工，相對于開槽埋管從社會效益與經(jīng)濟(jì)效益上來講更具優(yōu)越性。只要在施工前要進(jìn)行充分的準(zhǔn)備,先進(jìn)行地下管線的探測、地層土質(zhì)情況的調(diào)查、頂進(jìn)軸線的設(shè)定以及減阻泥漿的配置,泥水平衡頂管技術(shù)在各種管道鋪設(shè)中的應(yīng)用將更加廣泛。

(2)頂管適用的土層很廣，特別適用于粘土和粉土，也適用于砂石、卵石、碎石、風(fēng)化殘積土等土質(zhì)。頂管施工跟地質(zhì)情況密切相關(guān)，正確地選用施工機(jī)械和進(jìn)行施工過程控制是整個(gè)工程成功的關(guān)鍵。在施工過程中要考慮施工的安全性和施工的連續(xù)性，加強(qiáng)對施工過程中的監(jiān)督管理,抓住關(guān)鍵問題和重要工序,嚴(yán)格遵守設(shè)計(jì)及施工規(guī)范技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)杜絕質(zhì)量、安全問題。