泥水平衡頂管技術在粉砂巖及細砂地層中的應用

李 有 發(fā)，楊 瑞 英，徐 應 中，鄭 道 明

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 都江堰 611830)

1 工程概況

樂山市新一中片區(qū)道路工程黑橋至王河園竹公溪道路位于樂山市王河村與盤龍村之間。道路污水管干線為DN1000承插型二級鋼筋混凝土管，埋深5.5～10 m，縱坡0.08%，管道全長1.66 km。其中WS1～9段及WS35～38段沿線地層分別為中等風化泥質粉砂巖、細砂層，管中線距路旁民房約10 m，距竹公溪河約3 m，且管底高程低于河內枯期水位，原規(guī)劃采用挖明溝法埋管。

如果采用明挖施工，污水管不但嚴重影響市區(qū)交通，而且拆遷范圍大，成本高，破壞竹公溪河河堤，污染大，降排水費用高，經方案對比后最終決定采用泥水平衡頂管法施工。選用NPD1000泥水平衡頂管 機，外 徑122 cm，總 長360 cm，重6.5 t，切削刀盤驅動電機功率為2×15 kW，4個糾偏油缸推力為42 t，糾偏角度為2.5°，糾偏泵功率為1.5 kW，進排漿管徑為100 mm。

2 施工工藝流程

施工工藝流程見圖1。

3 施工方法

3.1 施工準備

3.1.1 管 材

采用F式承插型二級鋼筋混凝土管(圖2)。管道允許頂力計算公式為：

[Fr]=A×бc/S

式中 [Fr]為許用頂力，kN;бc為管體抗壓強度，kN/m2；A為加壓面積，m2；S為安全系數。

采用25 t汽車吊裝、卸車。管材供應及時并滿足施工強度。

圖1 泥水平衡頂管施工流程圖

圖2 管道承插口銜接圖

3.1.2 減阻泥漿的配比與拌制

設置尺寸為(長)2.5 m×(寬)2.5 m×(深)1 m半埋式循漿池、沉淀池各一個。

因減阻泥漿中的膨潤土膠質價一般要求在80以上，故進場后先檢測膠質價，根據檢測結果確定配合比。配制時先在攪拌器內放入適量水，開動攪拌器并緩慢投入膨潤土，拌和≥30 min形成泥漿，然后在貯漿池內發(fā)酵約10 h。期間間歇性攪拌防止其離析。泥漿性能指標為：比 重 為1.1～1.16；用漏斗粘度計測量的粘度>30 s；失水量 ≤25 mL/30 min；穩(wěn)定性為無離析水，pH值<10。

3.1.3 工作井及后背墻

該工程所設鋼筋混凝土工作井之長、寬均為5 m，邊墻、底板均厚50 cm，混凝土為C35W6，沉井法施工。采用分層臺階形挖土自重破土方式沉井，每層挖深40～50 cm。墻上預留頂管孔，M5水泥砂漿砌磚封閉。工作井后靠背采用鋼扳，用膨脹螺栓連接井壁且其表面平順并垂直于管道軸線，不允許后背墻產生相對位移和彈性變形。頂管的頂力計算公式如下：

F=F0+f0×L1

式中F為總推力，kN；F0為初始推力，kN；L1為頂管單次頂進長度，m；f0為每m管子與土層之間的綜合摩擦阻力，kN/m。

F0=(Pe+△P)×π/4×Bc2

式中Bc為管外徑；Pe為挖掘面前的土壓力；△P為附加壓力。

f0=R×S+W×f

式中R為綜合摩擦阻力，kPa；S為管外周長，m；W為每m管子的重力，kN/m；f為管子重力在土中的摩擦系數。

后座的反力或土抗力為總推力F的1.2～1.6倍，該工程取1.5倍，采用下式計算。

R=a×B×{r×H2×(Kp/2)+2c×H×

式中R為總推力之反力，kN；a為系數，取2.5；B為后座墻的寬度，m；r為土的容重，kN/m3；H為后座墻的高度，m；c為土的內聚力，kPa；Kp為被動土壓系數；h=工作井深度-后背墻高度；φ為填土內摩擦角，查表取值。

3.2 頂管施工

3.2.1 測量放樣

專業(yè)測量人員按圖3所示布置設備安裝及頂進過程測量控制點。施工中嚴格執(zhí)行三級復測制度，即施工組測量員→項目管理部→監(jiān)理工程師。

圖3 測量點位示意圖

3.2.2 安裝及調試

(1)安 裝。

安裝順序為：后靠背→導軌及后方頂→預留洞口內副導軌→洞口止水裝置→泥漿系統(tǒng)→電路系統(tǒng)→后方頂液壓系統(tǒng)。

后靠背中心與軸線重合，距井壁10～20 cm，該空隙采用C30混凝土回填。機頭增高裝置采用鋼支架。機頭下井后刀盤距磚封門約1 m，放置平穩(wěn)后校核導軌標高，誤差≤5 mm方可鑿除磚封門。頂進前，在洞口處安裝一道環(huán)形橡膠止水圈。

(2)調 試。

頂管機下井前進行一次安裝調試。機頭的土壓控制主要通過頂速進行調節(jié)，每次初頂時先調節(jié)好送水壓力，然后打開機內止水閥、轉動刀盤、關閉機內旁道，待流量達到80%額定值時方可頂進，送水壓力通過機內壓力調節(jié)完成。

3.2.3 掘進機頭入土

頂管機調試正常后開始頂進施工。先破除預留洞口封門，然后開動頂管機刀盤，用主頂油缸緩慢將頂管機推入土中。在該過程中，應控制頂進速度并在頂管機左右兩側加設腳撐，防止刀盤嵌入砂土中不轉而頂管機殼體旋轉。

3.2.4 下管、頂進

掘進機頭入土深度達安裝一節(jié)管子長度后暫停頂進。在機尾部焊限位塊，縮回主頂千斤頂，拆除機頭后方管路，下管。管子采用25 t汽車吊吊運至井下導軌上，人工就位。拼裝完畢,在工具管后管節(jié)內安裝工具管輔助設備。

管節(jié)就位恢復頂進機管路后，千斤頂就位后割除限位塊，先開動頂管機刀盤，然后開動主頂油缸繼續(xù)頂進。如此反復,直至接收井。

3.2.5 減阻泥漿及置換封孔

泥水平衡頂管施工中的觸變泥漿減摩管理是重點。采用多點對稱方式，通過頂管機頭尾部的同步注漿與頂管管節(jié)上預留的孔向管節(jié)外壁和周圍的土體空隙中注漿。

(1)壓漿設備。

注漿管路共兩道。主注漿管為φ50鋼管，從泥漿站直通機頭，主管每間隔10 m設一個三通連接注漿支管；支管為φ25高壓橡膠管，支管上設3～4個三通，連接管壁上預留的注漿孔。注漿泵、螺桿泵主、支管各一個。在每個注漿斷面上均加設一組控制閥。在泥漿出口處設隔膜式壓力表。承插口注漿情況見圖4。

圖4 注漿示意圖

從機尾開始，每隔2 m設1道、共3道注漿環(huán)，以后每隔6 m設1道注漿環(huán)，每個中繼站的后2節(jié)管均須設補漿環(huán)。由注漿總管至每道注漿環(huán)的支管須設1道球閥，每個注漿孔須加設1道球閥；機具尾部的注漿總管前須加設1只壓力表。

在正常頂進施工時，只對第一注漿環(huán)的3個注漿孔注漿，其余注漿閥門關閉。注漿時，從工作井開始向機具方向進行，逐道對注漿環(huán)進行補漿。距離在100 m范圍內，每頂進2 m補漿一次，距離在100 m以后，每頂進8 m補一次漿。中繼站及管道彎折處加強補漿，補漿必須在頂進的同時進行。

(2)泥漿置換。

在單段頂管完成后，及時采用水硬性材料置換管道外壁原注入的膨潤土泥漿，使管道外壁形成強度較大的漿壁，以承受上覆土壓力。必要時，采用摻入膨脹劑的水泥漿以減少沉降。本工程置換的泥漿為0.6∶1純水泥漿，注漿量按計算孔隙體積的150%控制，單位長度注漿量計算如下：

V=πDwtL×150%

式中V為單位長度注漿量；Dw為管道外徑；t為管道與地層間隙理論厚度，取0.03 m；L為管道單位長度，1 m。

注漿壓力根據管道深度H和土的天然重度γ而定，經驗為2～3γH，土層的注漿壓力宜為0.1～0.3 MPa，砂卵石層的注漿壓力宜為0.1～0.2 MPa。

(3)封 孔。

泥漿置換完畢，封堵注漿孔，采用與預留注漿孔配套的封堵。

3.2.6 渣土排運

泥水平衡式頂管出土采用全自動泥水輸送方式，棄土經機艙內的攪拌與泥水形成泥漿，由泥漿泵抽出排至泥漿池內，經沉淀后采用防漏自卸汽車出渣。

3.2.7 出洞措施

接收井完工后，實測預留洞門坐標，根據實測標高安裝頂管機接收基座。當機頭靠近接收井時，加強測量的頻率和精度。當頂管到達距接收井約6 m時，開始停止第一節(jié)管節(jié)的壓漿，并在后續(xù)頂進中逐漸后移壓漿位置，以保證頂管出洞前形成約6 m厚的完好土塞。

當頂管機切口進入接收井洞口加固區(qū)域時，適當減慢頂進速度，調整出土量，逐漸減小機頭正面的土壓力，確保頂管機完好和洞口結構穩(wěn)定。

3.2.8 施工要點

(1)一般采用拉桿將機頭與其后5節(jié)管固定成整體，防止機頭因自重下沉。本工程為巖石地層，故僅固定3節(jié)。

(2)頂進前必須事先計算每節(jié)管每m的位置、標高，以便于施工中進行控制。

在初始頂進3節(jié)管后停機進行正常糾偏。糾偏原則為“先糾高程、后糾中線、小角度連續(xù)糾偏”。必須勤測量、多微調且應有一定的提前量。糾偏角度應保持在10′～20′，不得大于0.5°。當機頭傾角偏離設計要求±5%之內且激光點偏離靶心≤1 cm，或高程中線誤差在±2 cm以內時，可不作調整。

(3)應連續(xù)頂進，暫停時間應小于12 h，若停頂超過12 h，須每隔4 h至少向工作面注漿一次。重新開頂前，應注漿液量≥0.2 m3/m2。

(4)當監(jiān)視器中光點發(fā)生顯著變化時，測量人員應到坑下對經緯儀重新復核校正并認真查找原因。測量人員校核激光經緯儀頻次≥2次/班次，并保留校核記錄。

(5)頂進中，土質愈硬，糾偏時頂進速度宜慢。向下糾偏(機頭位置偏高)時，頂進速度宜慢不宜快；向上糾偏(機頭位置偏低)時頂進速度宜快不宜慢。因土質疏松引起機頭下沉產生偏離時，宜采用悶頂糾偏，其糾偏距離視糾偏效果和頂力上升量而定。

(6)頂進施工過程中，操作人員必須準確、清楚、完整、及時、詳細記錄頂管的各項數值。記錄數據≥1次/根，≥6次/班次。在交接班時，無論該管是否完全頂進均應記錄，必須履行交接班手續(xù)。

4 結 語

泥水平衡頂管技術是一種替代城市內開槽挖埋式鋪管的先進技術。據樂山黑橋至王河園竹公溪道路(污水干管)工程頂管施工效果看，該技術施工占地面積小，征遷少，避免了阻斷交通影響；可用于地下水壓力高及變化范圍較大的地段，且減小了基坑降排水及相應的環(huán)境污染；挖掘面穩(wěn)定，對頂管周邊的土體擾動小，頂管引起的地表(路面)沉降亦比較小，而且避免了深基坑高危施工；采用泥水管道輸送棄土，連續(xù)作業(yè)，日進尺約15 m，工作效率高；主控制在地面進行操作，操作人員的環(huán)境得到了改善，值得類似工程借鑒。