網(wǎng)格式泥水平衡頂管機在復雜地質環(huán)境下的應用

桑澤晶

【摘要】目前，頂管常用的施工方法一般有人工頂管、機械頂管兩種，其中機械頂管又分為土壓平衡、泥水平衡和氣壓平衡頂進工藝。人工頂管適用范圍小，地質要求高施工領域;土壓平衡適用于無地下水位施工領域;氣壓平衡適用于相對密實、可形成氣囊的土質施工領域;普通泥水平衡施工適用于地下水位高和長距離頂管施工;但普通泥水平衡在頂進過程中如遇到砂礫或其他特殊雜填地質，在障礙物處理能力上相對欠缺，需要采用特殊泥水平衡機，但造價特別高，不適合于市政配套管網(wǎng)工程。本文依托太原市新店街建設工程三標段頂管施工中，已經(jīng)明確該施工區(qū)域存在特殊、復雜、有水等條件環(huán)境，為達到能夠有效施工的目的，通過集思廣益，確定對現(xiàn)狀普通泥水平衡頂管機刀盤進行改造方案，將原有刀盤替換為“網(wǎng)格刀式”刀盤，網(wǎng)格刀盤在前進過程中處于吃土頂進狀態(tài)，切下的土方進入到工作艙的前艙，采用水沖法（水沖法即用高壓水沖擊切下土方，從而形成泥水混合物）將泥水混合物排出，配備大功率泥漿泵將工作艙中的泥水混合物輸出。此工藝制作成本低，操作簡單，適用于中小工程，尤其是在保證進度、安全、質量的情況下，有效解決了機械頂管施工中遇障礙物處理難的問題。

【關鍵詞】普通泥水平衡;網(wǎng)格式刀盤;障礙物處理

1、引言

近年來，隨著太原市北部片區(qū)的發(fā)展建設，城市地下管網(wǎng)建設也在不斷完善，面臨地上結構物眾多的實際情況，非開挖技術得到廣泛的應用。但是針對太原市北部片區(qū)，尤其是新城大坡片區(qū)，是幾十年不斷由建筑垃圾、生活垃圾填筑，將新城“大坑”填筑成為新城“大坡”，具有回填層厚、地下水位高、地質復雜的實際情況，經(jīng)常出現(xiàn)大塊孤石、大塊混凝土、樹根等現(xiàn)象，對頂管施工工期、安全、質量、成本造成極其嚴重的影響。由于地下水位高、水量豐富、滲水系數(shù)大、成本高等因素，人工頂管、土壓平衡頂管、氣壓平衡頂管在此受到極大的制約，泥水平衡是最合適的選擇，但是針對孤石、大塊混凝土、樹根、建筑棄料等，又超出泥水平衡遇到障礙物的處理能力。

基于此實際而又棘手的問題，通過對現(xiàn)場實際情況的提前詳細調(diào)查，并且通過對泥水平衡頂管機進行局部結構改造，形成人工與機械結合的頂進方案，遇障礙物采取作業(yè)人員直接進入操作倉進行清除方式，既有效解決了頂前方障礙物清除的問題，同時又節(jié)約成本、保證工期、確保安全，經(jīng)濟和社會效益顯著。

2、工程簡介

2.1 工程概況

太原市新店街建設工程三標段，西起新城南大街、東至石太客專鐵路橋、北起恒山路口、南至恒山路小學，占地面積約2.5平方公里。主要施工內(nèi)容包含市政道路、管線、橋梁三部分，其中道路工程包含新店街道路、新店街地下通道、恒山路道路;管線包含市政雨污水、電力及太鋼北防洪涵;橋梁包含新店街主線橋、恒山路主線橋、四條轉向匝道、兩條太鋼專用匝道等。

2.2 周邊環(huán)境情況

該工程位于太原市城市北部片區(qū)，太鋼、六十一中學、恒山路小學等多家企事業(yè)單位分布于此，同時區(qū)域內(nèi)縱橫分布著17條既有鐵路，多年來受鐵路阻隔，交通和經(jīng)濟發(fā)展受到極大限制。所以，為保證交通的正常運行和鐵路運行設備的安全，雨污水、防洪等管線施工多采取圓管頂進設計方案。

2.3 水文地質情況

擬建區(qū)域由多年前的新城“大坑”，采用建筑垃圾、生活垃圾等堆積回填成為新城“大坡”，原地面至以下15-20m范圍內(nèi)無序分布著塊徑1-3m孤石、大混凝土塊、磚砌塊、甚至舊村落的青磚城墻等，而且地下水位極高，原地面以下2-4米即為地下水，水量豐富，地質滲水量大，對頂管施工造成及其嚴重的影響。

3、頂進方案的選擇

目前常規(guī)的頂管技術分為人工頂管和機械頂管兩種。機械頂管常用的有土壓平衡、泥水平衡和氣壓平衡。鑒于本工程地下水位高、水量豐富、滲水系數(shù)大、特殊地質層厚等實際情況，人工頂管、土壓平衡頂管、氣壓平衡頂管適用于無地下水位施工領域，在此受到極大的制約，普通泥水平衡適用于地下水位高和長距離頂管施工，但是針對孤石、大塊混凝土、樹根、建筑棄料等特殊復雜地質，又超出普通泥水平衡機的使用范圍，極易造成遇特殊地質而中斷頂進作業(yè)，增加工期和加大成本、影響鐵路運行安全。通過以上情況的綜合比選，本工程采用普通泥水平衡頂管機進行頂進作業(yè)，對泥水平衡頂管機進行局部改造，形成網(wǎng)格式泥水平衡頂管機，以適應不可預知的特殊復雜地質環(huán)境。

4、總體方案的制定

對常規(guī)泥水平衡頂管機進行局部改造，用自制網(wǎng)格刀式刀盤代替原刀盤，使泥水平衡頂管機頭形成敞開式，頂進過程中，網(wǎng)格刀全部呈吃土狀態(tài)，保證機頭前方土體穩(wěn)定。進入土壓艙后，配備大功率泥漿泵，采用水沖法排出。如遇孤石、混凝土塊、建筑垃圾等大塊徑障礙物，現(xiàn)場工作人員可直接打開操作倉進入，人工進行破除后搬運至地面，有效解決了頂進過程中遇障礙物無法清除的問題。

5、“網(wǎng)格刀式”泥水平衡頂管機介紹

5.1設備改造

圖中：1-工作艙;2-操作艙;3-網(wǎng)格刀盤;4-隔斷支撐墻;5-隔離門;6-隔離擋板;7-液壓缸組件;8-支撐液壓缸;9-第一搭接部;10-第二搭接部;11-方向調(diào)節(jié)控制閥;12-外圈;13-隔板;14-加固肋板。

5.2工作原理

網(wǎng)格刀式頂管機頭，包括工作艙和操作艙，所述工作艙的前端設置有用于切土的網(wǎng)格刀盤，工作艙后半部內(nèi)設置有隔斷支撐墻，所述隔斷支撐墻的下部設置有隔離門，隔斷支撐墻之后的工作艙內(nèi)底部設置有防止水或泥沙進入所述操作艙的隔離擋板，隔離擋板與隔斷支撐墻之間的軸向距離以及相對高度保證人跨越隔離擋板后能穿過隔離門;工作艙與操作艙通過用于糾偏頂進偏差的液壓缸組件相連接。

在機頭頂進過程中網(wǎng)格刀盤吃土頂進，能保證前方地質穩(wěn)定，土方通過網(wǎng)格刀盤進入工作倉;隔斷支撐墻不僅起到支撐工作艙的作用，而且還能將操作艙和工作艙隔離開，增加了作業(yè)人員的安全指數(shù);隔斷支撐墻將工作艙隔斷為前艙和后艙，在隔斷支撐墻下部開設隔離門，是為了在頂管機前進過程中，能順利清出砂礫等泥沙混合物，而且當頂進過程中如遇到大直徑砂礫或其他特殊雜填地質，工作人員能夠從隔離門進入到工作艙前艙，隔離門的大小保證能通過工作人員，隔離擋板與隔斷支撐墻之間的軸向距離以及二者相對高度保證工作人員跨越隔離擋板后能穿過隔離門進入到工作艙的前艙中;工作人員進入工作艙的前艙后能掏出網(wǎng)格刀盤中的大直徑砂礫等，此時網(wǎng)格刀盤能起到支撐保護作用，防止機頭前方塌陷等造成人員傷亡;當不工作時，關閉隔離門，能增強隔斷支撐墻的支撐作用，通過液壓缸組件能對機頭方向進行微調(diào)，實現(xiàn)糾偏頂進偏差。

具體操作時，網(wǎng)格刀盤在前進過程中處于吃土頂進狀態(tài)，切下的土方進入到工作艙的前艙，采用水沖法（水沖法即用高壓水沖擊切下土方，從而形成泥水混合物）將泥水混合物排出，配備大功率泥漿泵將工作艙中的泥水混合物輸出，或者切下的土方含水量較大時，泥漿泵也能直接將泥水混合物抽出，當頂進前方土質較軟時，就加快頂進速度，反之則減慢，這樣就能保證在頂進過程中泥水平衡;隔離擋板能防止泥水混合物進入到操作艙，在保證操作人員安全的前提下，還保證了操作艙工作面的整潔。

5.3改造流程

組織技術人員、施工負責人進行研討，成立創(chuàng)作小組，形成改造方案，經(jīng)行業(yè)專家確認后，進行“網(wǎng)格刀式”泥水平衡頂管機刀盤制作，并現(xiàn)場試頂試驗，并通過設備功能驗收、頂進質量驗收后，應用于施工生產(chǎn)。

施工工藝流程：施工準備→圖紙繪制→機頭制作→現(xiàn)場試驗→圓管頂進→驗收

（1）施工準備：成立創(chuàng)作小組，責任明確，分工負責。

（2）圖紙繪制：根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及施工要求，會同專家意見，繪制頂管機詳細圖，經(jīng)多方審核完成，與山西華晟重工有限公司技術對接，細化施工圖，具備制作條件。

（3）機頭制作：委托山西華晟重工有限公司按圖1：1完成該機頭制作。

（4）設備驗收：機頭制作完成后組織專家及現(xiàn)場負責人完成驗收。

5.4現(xiàn)場試驗

（1）場地模擬：機頭制作完成后，運至現(xiàn)場;提前完成工作井及其他頂管相關配套設施;提前準備場地，該場地區(qū)段為回填建筑垃圾及混凝土塊區(qū)段;

（2）實施頂進：各準備工作完成后，開始頂進，頂進2m后，建筑垃圾等其他已經(jīng)堵死機頭，無法繼續(xù)頂進，現(xiàn)場工作人員打開操作倉，人工鑿除建筑垃圾，清理完成后，重新開始頂進，圓滿完成該特殊地段頂管。

（3）現(xiàn)場驗收：試驗段頂進完成后，組織專家現(xiàn)場驗收，頂管區(qū)段下沉在控制范圍內(nèi)，遇特殊地質在保證安全前提下，可以開艙鑿除影響物，使用達到預想效果，可投入現(xiàn)場進行使用。

6、網(wǎng)格式泥水平衡機較其他頂管機的優(yōu)勢

（1）頂進土加少量大直徑砂礫、雜填地質含磚塊混凝土塊等特殊地質施工。

（2）頂進前不須做井點降水處理，頂進時能對抗地下水保持平衡沉降。

（3）掘削土排出方法為水沖式，大直徑砂礫及其他雜填塊，現(xiàn)場能夠人工搬運。

（4）使用性廣，各種不確定地質都能頂進。

（5）維修方便，檢修人員能夠直接進入操作區(qū)間，在鐵路頂管施工過程中，極大的保證了鐵路安全。

（6）采用隔離控制艙，設置4套油缸，糾偏頂進偏差。

（7）操作區(qū)間與土壓艙隔離，增加了作業(yè)人員的安全指數(shù)。

（8）網(wǎng)格式頂管機較泥水平衡機，內(nèi)部結構簡單，操作方便，造價低等特點。

結語：

本實用新型的有益效果是構思巧妙，制作成本低，操作簡單，適用于中小工程，適用于在頂進土含少量大直徑砂礫、雜填地質含磚塊混凝土塊等特殊地質施工，當機頭卡在大直徑砂礫、雜填地質含磚塊混凝土塊等特殊地質施工時，能實現(xiàn)人工開挖并搬運，不需要在障礙物的上方地面再開挖第三基坑，省時省力，提高了工作效率，頂進前不須做井點降水處理，頂進時能對抗地下水保持平衡沉降，適用性廣，各種不確定地質都能頂進，設置隔離門使得維修方便，檢修人員能夠直接進入操作艙，而且隔離門使操作艙與工作艙隔離，增加了作業(yè)人員的安全指數(shù)。