泥水平衡頂管施工技術和質量控制

楊 晉 魁

(太原市市政公用工程質量監督站，山西 太原 030012)

0 引言

在城市快速發展過程中，地下隧道工程建設也大幅增加。由于頂管施工法可以極大降低工程對周圍環境的影響，因此頂管施工法在城市地下工程建設中廣泛應用。在地下隧道工程建設中，由于頂管開挖面會卸載周圍巖體的壓力，因此會對周圍的建筑造成破壞，這就需要保證掘進面的強度和穩定性。在地下掘進過程中進行相應的支撐，如果支撐力大于最大壓力就會造成地表隆起；如果支撐力小于最小壓力就會造成地表塌陷，因此要保證支撐力介于最大壓力和最小壓力之間。

本文針對清徐對太原煤層氣輸氣管道施工工程第三標段進行研究，管線全長約5 722 m，管徑為φ820×15.3 mm和φ820×20.5 mm。管線設計壓力5.0 MPa，輸氣管材料為螺旋縫埋弧焊鋼管和直縫埋弧焊鋼管，材質為L415。該項目施工場地的復雜等級為二級，工程地基的復雜等級為三級，管道線路的勘察等級為丙級，該段的土質主要為填土層，粘土層，砂土層及強風化花崗巖。本文就泥水平衡頂管施工技術和質量防治進行分析探討。

1 泥水平衡頂管施工原理

泥水平衡頂管施工是頂管施工的一種常用方式。泥水平衡頂管施工是通過流入的泥水壓力來平衡掘進過程中的巖體和地下水的外部壓力，泥水主要是通過泥漿泵來控制泥漿的輸出量。泥水平衡頂管施工的工作原理是在掘進機頂管機頭后方預制密閉隔段，掘進機的刀盤與密閉隔段之間的空間形成泥水艙。泥水通過相應管道高速輸送到泥水艙，泥水在掘進面上形成一道不透水的泥水薄膜，薄膜壓力會阻止泥水向掘進面滲透。高壓泥水所產生的壓力會平衡掘進過程中的巖體和地下水的外部壓力。掘進機在施工過程中，刀頭切削的巖土會直接送入泥水艙，泥水艙內的攪拌機將巖土與水攪拌均勻，攪拌后的高濃度泥漿通過輸出管流入泥水分離系統，刀頭切削的巖土通過分離系統排出泥水艙，經過分離處理后的泥水再次被壓入泥水艙使用。

2 泥水平衡頂管施工技術

2.1 泥水的配制

泥水一般是在頂進施工前配制好，其一般由水、黏土及添加劑按照一定比例配制而成，配制比例一般會根據地質條件來做出相應的調整。因此針對不同地質條件下的泥水配制比例是不同的，包括泥水壓力的及時調控是泥水平衡頂管施工的關鍵措施。如果泥水配制沒有達到預定要求容易引起地表塌陷或隆起、泥漿突涌等安全事故。可調控的泥水一般具有流動性好，物化性能優良，泥水膜性能優良，泥漿的黏度適中等優點。泥水在掘進過程中主要起到平衡巖土壓力、輸送切割巖土等功能。本工程第三標段的土質主要為填土層，粘土層，砂土層及強風化花崗巖。在掘進過程中通過對不同的巖層結構的泥水相對密度配制比例進行相應的調整，可以保證掘進工作線上方路面的安全性和強度，通過控制路面的上下位移來提高路面的剛度。該標段內巖土的性能參數如表1所示。

表1 清徐對太原煤層氣輸氣管道施工工程第三標段的巖土性能參數

掘進面安全性和穩定性通過穩定安全系數來確定的。頂管施工掘進面的穩定安全系數與泥水相對密度的關系如下：

(1)

其中，β為掘進面穩定安全系數;ρ為巖土密度;ρm為泥水的相對密度;φ為巖土的內摩擦角。

結合表1的參數可計算得到各巖土段的掘進面穩定安全系數，或者通過穩定安全系數反推出相應的泥水的相對密度，然后根據泥水的相對密度來隨時調整泥水的配比。根據計算，對于本工程填土層的內摩擦角較小，泥水的相對密度約為0.325～0.568。對于粘土層的內摩擦角大于填土層，泥水的相對密度約為1.122～1.356。對于砂土層的內摩擦角接近于填土層，泥水的相對密度采用1.122～1.356。對于風化花崗巖的內摩擦角遠大于填土層，但是該層厚度遠低于其他層，因此泥水的相對密度采用1.558。

2.2 泥漿分離技術

泥水的再次利用是工程作業的關鍵，因此泥漿的分離技術就顯得很重要。泥漿的分離技術采用泥漿凈化處理設備，該設備的工作原理為：輸出管排出的混合泥漿通過泥漿分流器進入泥漿處理系統，泥漿處理系統設置篩分器，篩分器可以將粒徑在一定范圍內的渣料振動篩選出來。篩渣通過管道進入泥漿凈化裝置，通過振動、沉淀、脫水等工序反復處理。

2.3 頂管的測量和糾偏

頂管在掘進過程中，掘進路線測量和糾偏是非常重要的一環，如何高效且安全的施工就必須隨時配合頂管的精確測量和正確糾偏。頂管在掘進過程中的進度測量和方向控制，主要是通過激光經緯儀和水準儀來實現的，糾偏過程是通過液壓千斤頂實現的，測站的分布數量與頂管掘進誤差關系如下：

(2)

其中，L為一次最大測量距離；D為頂管直徑；R為掘進曲線段半徑；l=60 m為頂管曲線段弦長。

通過計算誤差后，需要對頂管進行曲線誤差糾偏，糾偏工作主要側重幾點：1)認真核算，做好記錄。2)布設在頂管內部測量儀器需要避免掘進位移，數據要進行重復3次測量。3)糾偏角度應該保持10°～20°。4)糾偏過程，液壓千斤頂要時刻注意頂進角度和頂進位移。

3 泥水平衡頂管施工的質量防治

3.1 泥水控制

在頂管施工過程時，應嚴格控制頂管機壓泥水和補泥水的工序。頂管施工的壓泥水要及時補充，隨時填充掘進機頭與隔板之間的距離以及糾偏產生的空隙。補泥水根據地質情況隨時配制和補充，該工程主要使用動壓粘性系數較小、流動性好的泥水，以便在已有泥漿環的基礎上迅速填補缺失的泥漿。

3.2 掘進過程旋轉過大

掘進機在掘進過程中，由于刀頭不斷旋轉極容易產生掘進機頭以及頂管旋轉的現象。掘進過程旋轉過大的原因主要是因為頂管無法克服刀頭旋轉所帶來的反向力矩。如果掘進機旋轉角度過大將導致糾正失敗，同時掘進距離會隨著旋轉角度的增大而增大，整體的掘進誤差會隨著掘進距離的增大而增大。這給頂管的測量和糾偏帶來不良的影響，因此項目部在頂管掘進前要采取以下工作方法：

1)在頂管掘進過程中，工程技術人員要隨時觀測預支偏轉儀的即時數據，如果旋轉角度超過允許的范圍內時，可采用控制刀頭的旋轉方向來進行糾偏。如果旋轉角度恢復到允許的范圍內時，就恢復刀頭原來的旋轉方向。

2)為了防止刀頭旋轉所帶來的反向力矩，可在頂管掘進機內需要糾偏的一側增加一定的配重，來平衡刀頭所產生的反向力矩。

3)如果刀頭出現較小的旋轉，判斷旋轉方向后，需要準確計算刀頭的掘進距離，并且要立即關閉泥水輸送管的作業，然后將刀頭反方向慢慢向前掘進，通過此法來提高刀頭的正向力矩來平衡旋轉角度，如果旋轉糾正后，再將刀頭的旋轉方向改成正常掘進形式。

4 結語

清徐對太原煤層氣輸氣管道施工工程段的泥水平衡頂管施工技術和已完成的成功實踐，證明了泥水平衡頂管施工技術是適用的，且應用該頂進技術的曲線軌跡誤差能控制在±5 cm以內，頂管施工對周邊環境的影響小，為泥水平衡頂管施工技術的應用提供參考。