網(wǎng)格式泥水平衡頂管機(jī)在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的應(yīng)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(jī)械頂管兩種，其中機(jī)械頂管又分為土壓平衡、泥水平衡和氣壓平衡頂進(jìn)工藝。人工頂管適用范圍小，地質(zhì)要求高施工領(lǐng)域;土壓平衡適用于無(wú)地下水位施工領(lǐng)域;氣壓平衡適用于相對(duì)密實(shí)、可形成氣囊的土質(zhì)施工領(lǐng)域;普通泥水平衡施工適用于地下水位高和長(zhǎng)距離頂管施工;但普通泥水平衡在頂進(jìn)過(guò)程中如遇到砂礫或其他特殊雜填地質(zhì)，在障礙物處理能力上相對(duì)欠缺，需要采用特殊泥水平衡機(jī)，但造價(jià)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(shè)工程三標(biāo)段頂管施工中，已經(jīng)明確該施工區(qū)域存在特殊、復(fù)雜、有水等條件環(huán)境，為達(dá)到能夠有效施工的目的，通過(guò)集思廣益，確定對(duì)現(xiàn)狀普通泥水平衡頂管機(jī)刀盤進(jìn)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(jìn)過(guò)程中處于吃土頂進(jìn)狀態(tài)，切下的土方進(jìn)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(jiǎn)單，適用于中小工程，尤其是在保證進(jìn)度、安全、質(zhì)量的情況下，有效解決了機(jī)械頂管施工中遇障礙物處理難的問(wèn)題。

【關(guān)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(lái)，隨著太原市北部片區(qū)的發(fā)展建設(shè)，城市地下管網(wǎng)建設(shè)也在不斷完善，面臨地上結(jié)構(gòu)物眾多的實(shí)際情況，非開(kāi)挖技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。但是針對(duì)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(zhì)復(fù)雜的實(shí)際情況，經(jīng)常出現(xiàn)大塊孤石、大塊混凝土、樹(shù)根等現(xiàn)象，對(duì)頂管施工工期、安全、質(zhì)量、成本造成極其嚴(yán)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(duì)孤石、大塊混凝土、樹(shù)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(shí)際而又棘手的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的提前詳細(xì)調(diào)查，并且通過(guò)對(duì)泥水平衡頂管機(jī)進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)改造，形成人工與機(jī)械結(jié)合的頂進(jìn)方案，遇障礙物采取作業(yè)人員直接進(jìn)入操作倉(cāng)進(jìn)行清除方式，既有效解決了頂前方障礙物清除的問(wèn)題，同時(shí)又節(jié)約成本、保證工期、確保安全，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。

2、工程簡(jiǎn)介

2.1 工程概況

太原市新店街建設(shè)工程三標(biāo)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(xué)，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(zhuǎn)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(xué)、恒山路小學(xué)等多家企事業(yè)單位分布于此，同時(shí)區(qū)域內(nèi)縱橫分布著17條既有鐵路，多年來(lái)受鐵路阻隔，交通和經(jīng)濟(jì)發(fā)展受到極大限制。所以，為保證交通的正常運(yùn)行和鐵路運(yùn)行設(shè)備的安全，雨污水、防洪等管線施工多采取圓管頂進(jìn)設(shè)計(jì)方案。

2.3 水文地質(zhì)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(wú)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(zhì)滲水量大，對(duì)頂管施工造成及其嚴(yán)重的影響。

3、頂進(jìn)方案的選擇

目前常規(guī)的頂管技術(shù)分為人工頂管和機(jī)械頂管兩種。機(jī)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(zhì)層厚等實(shí)際情況，人工頂管、土壓平衡頂管、氣壓平衡頂管適用于無(wú)地下水位施工領(lǐng)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(zhǎng)距離頂管施工，但是針對(duì)孤石、大塊混凝土、樹(shù)根、建筑棄料等特殊復(fù)雜地質(zhì)，又超出普通泥水平衡機(jī)的使用范圍，極易造成遇特殊地質(zhì)而中斷頂進(jìn)作業(yè)，增加工期和加大成本、影響鐵路運(yùn)行安全。通過(guò)以上情況的綜合比選，本工程采用普通泥水平衡頂管機(jī)進(jìn)行頂進(jìn)作業(yè)，對(duì)泥水平衡頂管機(jī)進(jìn)行局部改造，形成網(wǎng)格式泥水平衡頂管機(jī)，以適應(yīng)不可預(yù)知的特殊復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境。

4、總體方案的制定

對(duì)常規(guī)泥水平衡頂管機(jī)進(jìn)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(jī)頭形成敞開(kāi)式，頂進(jìn)過(guò)程中，網(wǎng)格刀全部呈吃土狀態(tài)，保證機(jī)頭前方土體穩(wěn)定。進(jìn)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(chǎng)工作人員可直接打開(kāi)操作倉(cāng)進(jìn)入，人工進(jìn)行破除后搬運(yùn)至地面，有效解決了頂進(jìn)過(guò)程中遇障礙物無(wú)法清除的問(wèn)題。

5、“網(wǎng)格刀式”泥水平衡頂管機(jī)介紹

5.1設(shè)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(jī)頭，包括工作艙和操作艙，所述工作艙的前端設(shè)置有用于切土的網(wǎng)格刀盤，工作艙后半部?jī)?nèi)設(shè)置有隔斷支撐墻，所述隔斷支撐墻的下部設(shè)置有隔離門，隔斷支撐墻之后的工作艙內(nèi)底部設(shè)置有防止水或泥沙進(jìn)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(duì)高度保證人跨越隔離擋板后能穿過(guò)隔離門;工作艙與操作艙通過(guò)用于糾偏頂進(jìn)偏差的液壓缸組件相連接。

在機(jī)頭頂進(jìn)過(guò)程中網(wǎng)格刀盤吃土頂進(jìn)，能保證前方地質(zhì)穩(wěn)定，土方通過(guò)網(wǎng)格刀盤進(jìn)入工作倉(cāng);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(kāi)，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(kāi)設(shè)隔離門，是為了在頂管機(jī)前進(jìn)過(guò)程中，能順利清出砂礫等泥沙混合物，而且當(dāng)頂進(jìn)過(guò)程中如遇到大直徑砂礫或其他特殊雜填地質(zhì)，工作人員能夠從隔離門進(jìn)入到工作艙前艙，隔離門的大小保證能通過(guò)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(duì)高度保證工作人員跨越隔離擋板后能穿過(guò)隔離門進(jìn)入到工作艙的前艙中;工作人員進(jìn)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(shí)網(wǎng)格刀盤能起到支撐保護(hù)作用，防止機(jī)頭前方塌陷等造成人員傷亡;當(dāng)不工作時(shí)，關(guān)閉隔離門，能增強(qiáng)隔斷支撐墻的支撐作用，通過(guò)液壓缸組件能對(duì)機(jī)頭方向進(jìn)行微調(diào)，實(shí)現(xiàn)糾偏頂進(jìn)偏差。

具體操作時(shí)，網(wǎng)格刀盤在前進(jìn)過(guò)程中處于吃土頂進(jìn)狀態(tài)，切下的土方進(jìn)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(shí)，泥漿泵也能直接將泥水混合物抽出，當(dāng)頂進(jìn)前方土質(zhì)較軟時(shí)，就加快頂進(jìn)速度，反之則減慢，這樣就能保證在頂進(jìn)過(guò)程中泥水平衡;隔離擋板能防止泥水混合物進(jìn)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(shù)人員、施工負(fù)責(zé)人進(jìn)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(rèn)后，進(jìn)行“網(wǎng)格刀式”泥水平衡頂管機(jī)刀盤制作，并現(xiàn)場(chǎng)試頂試驗(yàn)，并通過(guò)設(shè)備功能驗(yàn)收、頂進(jìn)質(zhì)量驗(yàn)收后，應(yīng)用于施工生產(chǎn)。

施工工藝流程：施工準(zhǔn)備→圖紙繪制→機(jī)頭制作→現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)→圓管頂進(jìn)→驗(yàn)收

（1）施工準(zhǔn)備：成立創(chuàng)作小組，責(zé)任明確，分工負(fù)責(zé)。

（2）圖紙繪制：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及施工要求，會(huì)同專家意見(jiàn)，繪制頂管機(jī)詳細(xì)圖，經(jīng)多方審核完成，與山西華晟重工有限公司技術(shù)對(duì)接，細(xì)化施工圖，具備制作條件。

（3）機(jī)頭制作：委托山西華晟重工有限公司按圖1：1完成該機(jī)頭制作。

（4）設(shè)備驗(yàn)收：機(jī)頭制作完成后組織專家及現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)人完成驗(yàn)收。

5.4現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

（1）場(chǎng)地模擬：機(jī)頭制作完成后，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng);提前完成工作井及其他頂管相關(guān)配套設(shè)施;提前準(zhǔn)備場(chǎng)地，該場(chǎng)地區(qū)段為回填建筑垃圾及混凝土塊區(qū)段;

（2）實(shí)施頂進(jìn)：各準(zhǔn)備工作完成后，開(kāi)始頂進(jìn)，頂進(jìn)2m后，建筑垃圾等其他已經(jīng)堵死機(jī)頭，無(wú)法繼續(xù)頂進(jìn)，現(xiàn)場(chǎng)工作人員打開(kāi)操作倉(cāng)，人工鑿除建筑垃圾，清理完成后，重新開(kāi)始頂進(jìn)，圓滿完成該特殊地段頂管。

（3）現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收：試驗(yàn)段頂進(jìn)完成后，組織專家現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收，頂管區(qū)段下沉在控制范圍內(nèi)，遇特殊地質(zhì)在保證安全前提下，可以開(kāi)艙鑿除影響物，使用達(dá)到預(yù)想效果，可投入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行使用。

6、網(wǎng)格式泥水平衡機(jī)較其他頂管機(jī)的優(yōu)勢(shì)

（1）頂進(jìn)土加少量大直徑砂礫、雜填地質(zhì)含磚塊混凝土塊等特殊地質(zhì)施工。

（2）頂進(jìn)前不須做井點(diǎn)降水處理，頂進(jìn)時(shí)能對(duì)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(chǎng)能夠人工搬運(yùn)。

（4）使用性廣，各種不確定地質(zhì)都能頂進(jìn)。

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

（6）采用隔離控制艙，設(shè)置4套油缸，糾偏頂進(jìn)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(jī)較泥水平衡機(jī)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，造價(jià)低等特點(diǎn)。

結(jié)語(yǔ)：

本實(shí)用新型的有益效果是構(gòu)思巧妙，制作成本低，操作簡(jiǎn)單，適用于中小工程，適用于在頂進(jìn)土含少量大直徑砂礫、雜填地質(zhì)含磚塊混凝土塊等特殊地質(zhì)施工，當(dāng)機(jī)頭卡在大直徑砂礫、雜填地質(zhì)含磚塊混凝土塊等特殊地質(zhì)施工時(shí)，能實(shí)現(xiàn)人工開(kāi)挖并搬運(yùn)，不需要在障礙物的上方地面再開(kāi)挖第三基坑，省時(shí)省力，提高了工作效率，頂進(jìn)前不須做井點(diǎn)降水處理，頂進(jìn)時(shí)能對(duì)抗地下水保持平衡沉降，適用性廣，各種不確定地質(zhì)都能頂進(jìn)，設(shè)置隔離門使得維修方便，檢修人員能夠直接進(jìn)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)。