清水河流域城鄉(xiāng)供水工程中泥水平衡頂管技術(shù)分析

路 平

（寧夏水利水電工程局有限公司，寧夏 銀川 750000）

清水河流域城鄉(xiāng)供水工程屬于寧夏的重點工程，被國家列為2020～2022 年重點推進(jìn)的150 項重大水利工程之一，是寧夏目前總揚程最高、輸水距離最長的揚水工程。輸水主管道長196km ，輸水管線下穿344 國道，經(jīng)過現(xiàn)場踏查及技術(shù)經(jīng)濟方案比選，泥水平衡頂管具有施工速度快、沉降量小等優(yōu)點，最終采用頂管穿越344 國道，3#公路路涵（344 國道）管線樁號E2+900，344 國道樁號K2053+100，頂管長度78m，輸水管線管內(nèi)徑1.2m，頂管采用內(nèi)徑1.6m 鋼筋混凝土圓管涵，頂管管道坡度為0%。

泥水平衡頂管是一種先進(jìn)的非開挖技術(shù)，廣泛應(yīng)用于穿越鐵路、公路、河流等，其施工占地小，不影響交通及周邊環(huán)境，具有精度高、速度快、安全性好等優(yōu)點，其軸線控制系統(tǒng)全部由電腦系統(tǒng)控制激光定位，基本排除軸線移位現(xiàn)象，在水、電及出泥系統(tǒng)得到保證后，每天掘進(jìn)25m，邊出泥邊頂進(jìn)，不會出現(xiàn)塌方現(xiàn)象。

1 泥水平衡頂管施工優(yōu)勢

泥水平衡頂管機的基本工作原理是利用主軸偏心回轉(zhuǎn)的運動進(jìn)行破碎，頂管機刀盤的正面有上下兩個進(jìn)口，分別是石塊和泥土的進(jìn)口，正面的開口較大，能夠方便大塊卵石進(jìn)入頂管機內(nèi)，開口面積大約占頂管機全斷面的1/6～1/5。

主軸兩側(cè)為電動機驅(qū)動刀盤，電動機中行星減速器帶動小齒輪，再帶動中心的大齒輪。主軸、大齒輪與軋輥連接構(gòu)成一個整體。刀盤安裝在主軸左側(cè)，電機驅(qū)動刀盤轉(zhuǎn)動時，軋輥也隨之轉(zhuǎn)動。掘進(jìn)機工作時，利用刀盤旋轉(zhuǎn)切削土體，同時作偏心運動粉碎石塊。刀盤旋轉(zhuǎn)的過程中，泥水倉和泥土倉中的間隙會逐漸變大，并往復(fù)循環(huán)變化，因此，其能夠粉碎石塊，還能保證進(jìn)入水泵的泥水隨著間隙的大小變化到達(dá)泥土倉中，從而保證掘進(jìn)機不僅能在砂土中工作，還能在粘土中正常工作。

2 清水河流域城鄉(xiāng)供水工程中泥水平衡頂管施工技術(shù)分析

泥水平衡頂管主要由機頭、液壓頂進(jìn)系統(tǒng)、泥漿循環(huán)系統(tǒng)和控制室組成。采用激光系統(tǒng)控制高程和軸線，機頭刀盤掘進(jìn)，土料進(jìn)入出土倉通過送水泵進(jìn)水，以泥漿泵吸泥漿出土的方式出土，邊出土邊頂進(jìn)。施工工藝如圖1 所示。

圖1 施工工藝

2.1 頂管機的選型

清水河流域城鄉(xiāng)供水工程中采用NPD-B600、NPD-B1000 型泥水平衡頂管掘進(jìn)機，其具有破碎功能，由揚州廣鑫機械有限公司生產(chǎn)，主千斤頂、頂管機、泥水分離裝置和泥水循環(huán)系統(tǒng)成套化。此頂管機具有如下優(yōu)點：

（1）刀盤帶錐形破碎機，能破碎小于外徑0.3的礫石，適用于砂土、粘質(zhì)土、砂礫混合卵石土、軟巖等各種土質(zhì)。

（2）在軌道中安裝主頂油缸，一次頂進(jìn)長度為100m 或100m 以上；

（3）可用遠(yuǎn)程系統(tǒng)操縱頂管機，在控制系統(tǒng)中電視監(jiān)測并合理控制方向變化，具有較高的準(zhǔn)確度。

（4）應(yīng)用已經(jīng)完成專利申請流程的RSG 雙光靶方向控制系統(tǒng)，選用工作經(jīng)驗豐富且專業(yè)水平較高的工作人員，有效控制方向誤差，將誤差值降低在10mm 以下。

（5）在應(yīng)用過程中，泥水分離裝置具有較好的靈活性和密封性能，所占空間較小。

現(xiàn)階段，上述型號的設(shè)備裝置應(yīng)用率較高，應(yīng)用范圍較廣，相關(guān)施工經(jīng)驗較為豐富，可作參考。運用成熟且可靠性較高的技術(shù)手段，在作業(yè)過程中對土層的影響較小。

2.2 基坑開挖及支護

（1）依據(jù)設(shè)計圖紙，工作井、接收井深基坑開挖深度4.5m，坡比為1∶1。

（2）在基坑開挖工作中需綜合應(yīng)用機械開挖與人工開挖兩種模式。正式開挖前需在最上方設(shè)置截水溝，以避免低洼部位積水影響基坑。

（3）基坑開挖時每層厚度不得大于2m，并按照層次與階段逐個挖掘，當(dāng)開挖標(biāo)高達(dá)到30cm時，需轉(zhuǎn)換為人工開挖至基底處。在開挖作業(yè)中可有效發(fā)揮時控效應(yīng)的重要作用，提高支撐系統(tǒng)施工的安全性，避免出現(xiàn)基坑變形等現(xiàn)象。若在作業(yè)過程中出現(xiàn)滲漏等現(xiàn)象，必須應(yīng)用有效的封堵舉措。當(dāng)開挖深度達(dá)到基坑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)高度后，應(yīng)在4h 內(nèi)完成混凝土墊層澆筑工作，并在48h 內(nèi)完成頂管工作坑和接收坑底板澆筑，當(dāng)?shù)装寤炷翉姸冗_(dá)到100%后，進(jìn)行鋼筋混凝土導(dǎo)墻澆筑。

（4）采用注漿加固+噴錨支護加固工作井邊坡路基側(cè)，噴射混凝土厚度10cm，Φ10 鋼筋網(wǎng)，注漿導(dǎo)管長2.5m，應(yīng)用Φ50×5mm 的無縫鋼管作為導(dǎo)管，布置鋼管時，需將距離設(shè)置為1.5m，并按梅花狀安放。

（5）應(yīng)用噴錨支護接收井邊坡路基側(cè)，噴射混凝土厚度10cm，Φ10 鋼筋網(wǎng)，距離設(shè)置為20cm×20cm，注漿導(dǎo)管長2.5m，應(yīng)用Φ50×5mm的無縫鋼管作為導(dǎo)管，布置鋼管時，需將距離設(shè)置為1.5m，并按梅花狀安放。

（6）頂進(jìn)后，靠背設(shè)1.0m 厚后背樁和1.5m厚M10 漿砌片石后背墻。工作井和接收井的井底均設(shè)20cm 厚C20 鋼筋墊層和50cm 厚砂礫墊層。

2.3 出土方案

出土方案應(yīng)用全自動化泥水輸送方式，將土方放置在機艙內(nèi)，經(jīng)泥水?dāng)嚢韬笮纬赡酀{，再應(yīng)用泥水泵將其抽離，以實現(xiàn)高效率排土。根據(jù)實際需求，在沉井上方設(shè)置沉淀池，以完成泥漿沉淀工作，并根據(jù)文明施工基本要求及渣土處理辦法外運泥漿沉淀后的剩余物質(zhì)，以降低對周圍環(huán)境的污染。

2.4 后靠背導(dǎo)軌及后頂?shù)陌惭b

（1）在明確軸線位置的前提下，在與井壁距離100～200mm 的位置放置后靠背，放置時，需根據(jù)實際情況進(jìn)行上下左右的調(diào)節(jié)，使得中心與軸線完全重合，調(diào)整方法如圖2 所示。

圖2 后靠背導(dǎo)軌調(diào)整圖

（2）完成導(dǎo)軌安裝后，需在洞口處預(yù)留副導(dǎo)軌安裝區(qū)域，預(yù)留位置需與部分主導(dǎo)軌高度相同且為平行狀態(tài)，以避免出現(xiàn)機頭低頭現(xiàn)象，如圖3 所示。

圖3 副導(dǎo)軌安裝圖

（3）枕木、鋼支架或混凝土墊層，需根據(jù)增高裝置控制機頭重量和選擇增高量。

2.5 泥水系統(tǒng)的安裝

泥水系統(tǒng)包含泥漿池、沉石箱、排泥泵等。

（1）設(shè)置泥漿池位置時，可以并聯(lián)法作為基礎(chǔ)原則，縮短工作井與泥漿池的距離，如圖4 所示?？s短工作井與泥漿池的距離，可有效降低因排泥管路較長而形成的管路摩阻力。

圖4 泥漿池并聯(lián)圖

（2）設(shè)置沉石箱的主要目的是促進(jìn)塊狀物沉淀，避免排泥塊狀物進(jìn)入排泥泵而出現(xiàn)堵塞或質(zhì)量問題。

（3）排漿系統(tǒng)應(yīng)配置減壓系統(tǒng)，在排泥泵出口1m 處和機頭注漿處安裝壓力表，保證漿液攪拌均勻。

3 清水河流域城鄉(xiāng)供水工程泥水平衡頂管施工技術(shù)注意事項

清水河流域城鄉(xiāng)供水工程地質(zhì)具有濕陷性，保證開挖直徑1 920mm，混凝土管外徑為1 920mm，施工過程由液壓千斤頂頂進(jìn)，采用泥水平衡出土方案，應(yīng)用泥水平衡頂管施工技術(shù)需要注意以下幾方面：

（1）導(dǎo)軌安裝過程中，必須復(fù)核管道的中心位置，兩根導(dǎo)軌必須高度一致且平行，導(dǎo)軌面中心標(biāo)高必須在設(shè)計管底標(biāo)高拋高的允許范圍（一般為0.5～1cm），安裝導(dǎo)軌的坡度必須與設(shè)計管道的坡度一致。

（2）工作坑混凝土基礎(chǔ)面標(biāo)高等于管底標(biāo)高減去導(dǎo)軌的總高度。

（3）后墻面應(yīng)與管道頂進(jìn)軸線相垂直，必須有足夠的強度和剛度，承受和傳遞全部頂力，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土作為后座墻，頂管施工時應(yīng)保證后座墻全截面均勻受力。

（4）頂進(jìn)施工時，應(yīng)將前2m 作為頂進(jìn)試驗段，通過前2m 的試驗熟練掌握頂管機在該地層中的操作方法、推進(jìn)各項參數(shù)的調(diào)節(jié)控制方案，掌握觸變泥漿注漿工藝，并通過試驗段及時、有效地分析、調(diào)整施工參數(shù)，保證全段頂管施工安全、順利進(jìn)行。

（5）應(yīng)用4 臺千斤頂協(xié)同工作，千斤頂?shù)囊?guī)格需完全一致，每臺千斤頂?shù)捻斄π璐笥?00t，壓力需小于額定工作壓力的70%。

（6）4 臺千斤頂?shù)淖饔煤狭c與管道中心相垂直，且位于后座中間位置，以減少后座傾覆、偏斜。

（7）安裝油泵裝置的過程中，必須檢查各項保護措施是否完備，反復(fù)核對壓力表等裝置的運行情況，在保證所有裝置正常的情況下進(jìn)行試車。

（8）啟動千斤頂時，頂進(jìn)速度應(yīng)緩慢，通過控制閥門逐步增大油路壓力和油量，在管道頂動時方可加快頂伸速度，操作人員必須集中注意力，正確啟閉閥門，控制油路壓力。

（9）工具管的長度一般為1.0～1.6m，尺寸、剛度和強度必須符合要求。工具管、法蘭圈、溝管依次相連，必須牢固穩(wěn)定，拆裝方便，頂進(jìn)過程中，法蘭圈與溝管不能脫節(jié)。

（10）對于土質(zhì)情況不良的地區(qū)，應(yīng)做好沉降觀測，必要時采用注漿方式加固地基。

（11）頂管工作完成且驗收合格后，拆除導(dǎo)軌、后背和頂進(jìn)設(shè)備，之后土方回填基坑，并進(jìn)行夯實處理，確保不發(fā)生沉陷。

4 結(jié)語

泥水平衡頂管技術(shù)相較于人工頂管適用范圍更廣，該技術(shù)適用于黃土、砂礫、卵礫石等地質(zhì)情況，每天頂進(jìn)速度約25m，是人頂管速度的5倍左右，速度快、安全性高，尤其適用于穿高速、高鐵、國道等車流量大的道路，邊掘進(jìn)邊頂進(jìn)，不需人工進(jìn)洞操作，安全性高。