冰川沉積物特性復合地質中的泥水平衡頂管施工

王天功

上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002

隨著加拿大建設工程的展開，實施施工中的土質復雜性等對泥水平衡頂管機設備性能及頂管施工技術提出了更高要求[1-4]。

本文結合加拿大埃德蒙頓市南部排污管道SA1a段工程頂管面臨的冰川沉積物特性復合地質條件，通過對頂管設備改良及頂管施工技術改進，進一步完善泥水平衡頂管的施工工藝，并為后續加拿大地區復雜地質條件施工提供了實用經驗。

1 概述

1.1 工程概況

背景工程為加拿大阿爾伯特省的埃德蒙頓市南部排污管道SA1a段，工程范圍為第91大街和第九大道的排污管道（管道內徑2 200 mm）將向西南方向延伸約1 200 m。需要穿越安東尼亨迪公路，以及φ508 mm的HP燃氣管。該段頂管范圍劃分為5個區間段，設置工作井2個、接收井2個。工程采用頂管施工，頂管機為1臺泥水平衡頂管機。

1.2 地質條件

頂管施工涉及地質情況除了表層土之外主要還涉及②湖底性質黏土、③黏性冰磧土、④砂巖和黏土頁巖基巖等。特別是頂管需穿越的③黏性冰磧土，在國內基本沒有分布，施工人員對其參數、特性的認識相對不足。該層土含鵝卵石、微量細礫石、煤片和隨機分散且不連續砂子區域，具有冰川沉積物特性。

2 風險分析

2.1 土體復雜，施工風險大

工藝選擇及設備選型、設計等，應充分考慮土層適應性問題，并滿足工程進度需要。機頭選型采用適應性更強的泥水平衡式頂管機，頭部增加高壓水泵，增加水力切削效果。以此應對當地土質變化較快，且地質條件不熟悉的問題[5-9]。

2.2 施工復雜，需穿越構筑物和管線

頂管工程需要穿越安東尼亨迪公路（為當地一條重要的道路），及工作井附近的燃氣管、油管等構筑物和管線。本工程除通過公路區域的覆土厚度為5.7 m左右外，大部分區間覆土為3.1～3.3 m，小于1.5倍的管徑，屬于淺覆土頂進。

同時地下水位除公路兩側處在管頂高程以上，其余位置都在管底標高以下，在地下水位較低的土層中頂管由于地下水壓力作用效果較小，工具頭到達前所產生的沉降較為明顯，容易對現有構筑物和管線產生破壞。

3 可調節式泥水平衡頂管機

3.1 頂管機主要參數

工具頭外徑為2 640 mm，長4.0 m，質量為32 t，刀盤結構為圓盤式，開口率75%，糾偏方向千斤頂頂力1 500 kN，糾偏角度±2°，變頻電機功率37 kW，刀盤旋轉力矩414.9 kN·m，刀盤旋轉速度2.2 r/min，旁通油缸關門推力31 kN、開門拉力16 kN，姿態儀雙向±15°，行程儀糾偏距離0～100 mm，泥漿泵壓力2.5 MPa，流量9 m3/h。

3.2 頂管機改良技術

根據本工程特點、地質情況及以往類似頂管經驗，選用泥水平衡頂管機進行本次頂管施工（圖1）。泥水平衡頂管工法具有工藝成熟且頂距長、能很好地控制地面隆沉、施工安全等特點，可適用于各類復雜地質條件，因此非常適合本工程穿越重要道路、建（構）筑物及特殊管線的施工特點，該工具管自主設計，刀頭采用最新技術的截齒刀，同時超挖刀超出頂管機外徑不大于1 cm，以減少超挖量，防止對土體產生過量擾動。

圖1 可調節式泥水平衡頂管機

在刀盤上分布有5個加水口，4個布置于輻條式刀盤上，1個布置于刀盤中心，口徑為6 mm。對開挖面土體進行水力切削，以提高切削速度，減小土體過硬而造成頂進速度慢的問題。頭部加水高壓泵使用BW150臥式泥漿泵，該水泵有多擋位可以進行調節，經過試驗確定在使用快速3擋和慢速4擋時，單個出水孔可以達到4 MPa壓力，該條件下單臺水泵每小時需要用水7.5 m3，頭部共配置3臺水泵。將水泵啟動與頂進進行聯動，每次開頂時通過自動化控制系統對工具頭操作順序進行鎖定，先開啟水泵加水才能進行頂進。該工具頭適用范圍大，故障率低，生產效率高，通過多年來的施工設計改進，其設備性能質量能滿足本項目的施工需要。

4 關鍵施工技術

4.1 泥漿減阻

頂管工具管穿越土體后被擾動的松動區域需要觸變泥漿來填充彌補，需要在其間保持一個相當于土壓力的觸變泥漿壓力，觸變泥漿能夠承受全部的土壓力，隔離開土層與頂管管壁的直接摩擦。

壓漿壓力由主動土壓力±120 kPa來計算，具體施工中根據覆土深度建立表格，分區段控制壓力，再結合施工現場實際情況進行調節。本次工程工具管的外徑2 650 mm，由于管節外徑2 640 mm，同步注漿必須足以填充這一空隙，注漿量為Δv＝π×2.65×0.01＝0.083 m3。考慮到該部分建筑空隙為永久空隙，必須在工具管通過后迅速填充，將Δv乘以一個6～8倍的系數，則在頂進一節管子（2 m）時需要填充的建筑空隙為0.996 m3。

為滿足本工程泥漿減阻的需求，工作井配置1套壓漿設備，泥漿系統設備配置如下：

1）工具管后設置連續2道同步注漿環，其后的跟蹤注漿環每隔4管節（4節×1.82 m）設置一環。注漿環每環設置4個壓漿孔，呈90°環向布置。

2）壓漿供給管路為2英寸管（外徑約60 mm）1路，分別與各壓漿環連接，為保證頭部同步注漿壓力，本次壓漿泵采用活塞式壓漿泵，保證壓漿套的形成，減少摩阻力。

3）工作井地面上設置2臺壓漿泵（1臺備用）。

4）本壓漿系統與頂進系統信號聯合控制。

泥漿配制時，最佳支承作用的觸變泥漿應根據頂管穿越土層篩分曲線詳盡地掌握土層的顆粒分布，并選擇適當的膨潤土微細顆粒所占的比例及膨潤土的種類，從而保證配制出的支承泥漿能夠具有一定的黏滯度和形成足夠的注漿厚度。

潤滑泥漿材料主要采用鈉基膨潤土，純堿、CMC。物理性能指標：密度1.05～1.08 g/cm3，黏度30～40 s，泥皮厚3～5 mm。

拌漿時使用剪切泵，以縮短拌漿時間，減少拌漿人數。本次壓漿采用人工進行，在每次起頂前先進行補漿，完成補漿后再開始頂進，以避免起頂頂力過大，減少管節出現失穩的可能。同時在每節壓漿環分路器上安裝膜片壓力表，每次壓漿過程中觀察分路出口處的壓漿壓力，調節壓漿壓力，防止壓力過大、流量過多。

頂管頂進結束后，對已形成的泥漿套的漿液進行置換，防止后期由于泥漿內水分流失造成的管節上方土體沉降而導致的上方構筑物被破壞。置換漿液為水泥砂漿并摻入適量的粉煤灰，由工作井上用壓漿泵壓注。壓漿體凝結后（一般為24 h）拆除管路封閉注漿孔，將孔口用環氧水泥堵抹平。

4.2 中繼環

4.2.1 中繼環形式

每個中繼環安裝30個350 kN的油缸，額定頂力8 400 kN，最大頂力10 500 kN，正常情況許用油壓范圍為0.25 MPa。中繼間止水橡膠可通過徑向調節螺絲自由調節，在圓角方向可以根據需要局部或整體調節，具有良好的止水性能，并且可更換密封橡膠圈。每道中繼環安裝1 只行程距離傳感器及油壓壓力傳感器并安裝限位開關。傳感器模擬信號進入自動化控制系統。

4.2.2 中繼環布置

為保證糾偏設計，第一個中繼環設置在工具頭后50 m位置，考慮到頂進長度640 m區間內土質主要為冰磧黏土層，國內類似施工經驗較少，為減少由于頂力過大而產生軸線方向的失穩，所以在該區段增加中繼環配置數目，第二個中繼環設置在200 m處，第三個中繼環布置在350 m處，共布置3個中繼環。頂進長度303 m的區段則需要設置2個中繼環，第一個中繼環位于50 m處，第二個中繼環位于200 m。其余幾個頂管區段均只在工具頭后50 m處設置1個中繼環。

4.3 頂管施工自動化控制系統

1）自動化控制概況：頂管工程管內設備眾多，若采用人工控制，不但需要大量操作人員，而且受頂管內信號屏蔽影響，操作人員聯系困難，很難實現設備聯動。

我公司自主研發的頂管計算機控制系統（圖2）已順利解決這一難題，并在多個國內大型頂管施工項目中實踐運用過。本工程擬運用頂管PLC施工自動控制系統，該系統不僅可以控制后座主推千斤頂、中繼間、變頻泵、壓漿泵、排泥泵等管內設備，而且對工具管及管內所有設備傳感器數據進行采集、顯示、保存，并對設備故障進行報警，實現了頂管自動化遠程控制。

圖2 頂管計算機控制系統

2）系統介紹：本系統通過CC-Link現場總線，將工具頭、中繼環、后座主頂等設備連接起來，最后連到地面中控室操作臺，對管線所有設備進行集中監控，即構成上位機系統；再通過有線或無線方式組建局域網，將施工現場信息傳送到項目部，形成遠程客戶端。本系統網絡結構具有可靠性高、穩定性好、擴展性強、實時性快等優點；現場總線更是可以保證10 km的超長通信距離，能滿足長距離頂管施工的需要。

4.3.1 穿越公路、構筑物及現存管線的措施及保護方法

頂管所穿越的公路包括2條東線、1條西線。從路基開始計算穿越距離為220 m。在穿越范圍內覆土最大為5.9 m，最小為3.4 m。由于當地公路兩側沒有積水渠道，所以積水會滲入公路兩側地勢較低的位置。

穿越公路的區間長度為640 m，由于公路兩側覆土3.4 m左右，相對高速公路段較淺，出洞口距離高速公路只有20 m，且公路兩側地下水位在管頂標高上方，該段在不啟動中繼環的情況下后座頂力最大可達到14 000 kN。出洞口至高速公路范圍覆土較淺的地方采用壓密注漿的方式進行加固，以增加土質承載力，減少在穿越公路時由于頂力過大且覆土較淺導致洞口處發生隆起，影響后期頂進。壓密注漿深度為3 m，間隔1.5 m設置1處壓漿點，長度范圍20 m。為保證壓漿效果，采用跳孔壓漿的方式進行壓漿，水灰比1∶0.5。由于該處土質滲透性較差，壓密注漿過程中采用低壓進行逐步滲透，每次提升50 cm，保持固定壓力一定時間后繼續提升，直至提升至地表高程，出現冒漿現象后停止壓漿。壓漿管長度為1.5 m，接口采用耐壓膠管連接。

在頂進過程中如果頂力大于設計頂力的60%則立即啟用中繼環，降低每個區間范圍內的頂力，防止由于頂力過大而出現徑向分力，導致管節出現隆起的現象。頂進過程中，由于只有一班組工人進行作業，與下次起頂間隔10 h左右，起頂過程中為防止起頂頂力過大，在每次起頂的時必須先進行全線補漿，然后使用中繼環進行起頂。

4.3.2 穿越管線

穿越管線的過程中通過第三方的監測單位對管線沉降變化量進行監測。在工具頭通過前和通過后監測頻率為1次/d，通過過程中監測頻率為2次/d。針對每日的監測數據調整進水壓力和泥漿壓力，如果數據顯示管節有隆起現象，則在頂進過程中減小進水壓力，反之則增大進水壓力。

1）穿越φ508 mm燃氣管區間。本段頂管采用人工開挖的形式掘進，其中工具管由普通管節制作：在雄頭側預埋厚10 mm鋼板，再將與管節外徑相同的鋼環與雄頭焊接，鋼環寬度200 mm，同時鋼環內側均布20個肋板進行支撐。

頂進作業過程中開挖面不超過鋼環長度，即每次人工作業向前開挖200 mm，掘進過程中先對作業面中心土體進行開挖，然后視土質情況決定其余區域的作業順序。如果土質較軟，則在中心土體開挖完成后通過后座頂進將周邊土體擠入管內；如果土質較硬，則通過對周邊土體進行松動后再用后座進行頂進，以減少作業量。由作業面挖出的土體通過2輛小車分別從管內運出后平鋪在場地堆場處。該區間內的糾偏主要通過人工開挖及后座主頂油缸完成。在工具管兩側各安裝一個相互水平的槽鋼，每次測量時可以將測量板放置在上方，測量完成后將測量板取出，不影響人工開挖作業。同時在洞口安裝4處限位板，可以輔助觀測管節的頂進偏差。接近穿越φ508 mm燃氣管時，計算好每日工作效率，保證在一個工作日內完成開挖面通過燃氣管，確保燃氣管2 m范圍內不停止頂進，防止由于土體松動后影響上方現存管節。

2）穿越9條管線區間。在由工作井向接收坑頂進區間長度156 m內，其中長度46 m范圍內共有9條燃氣及輸油管，對于該段現存管線也采取完全暴露監測的方式進行保護，該段計劃在最后一段進行頂進。該區間頂進之前，確定在當地的土質下頂進的最優長度，并且對每日監測數據進行分析，及時確定第二日的控制參數，由于現存管線已經暴露，所以穿越區間覆土較淺，通過貝雷梁懸吊保護好現存管線，而后對工具頭進行開挖，后續管節通過埋管施工工藝繼續完成。

4.4 施工測量

4.4.1 施工過程中測量

由于本區段頂管為直線頂管，測量儀器采用激光經緯儀，由于出國人員數量有限，所以測量工作由施工人員自行完成。主要包括前期準備工作時的高程測量及頂管過程中軸線測量，所需要的儀器包括水準儀、經緯儀。

頂進過程中，在工具頭中心位置安裝1塊測量板，將經緯儀設置在后座處，直接與沉井底板相連，不與油缸架等設備接觸，減少由于機械振動引起的偏差，在短距離頂進過程中，通過人工觀測和激光定位2種方式確定測量結果，偏差測量每頂進1 m進行1次。

控制點放樣和軸線復核可以通過當地專業測量公司完成。

4.4.2 管節標高測量

按照當地工作要求，一周最多允許工作6 d，有1 d的休息時間，可以利用規定休息日對管節的管底標高進行測量，監測管節是否出現軸線上的失穩情況。同時對于重點位置（覆土較淺及出洞口附近的位置）采用儀器監測和平時施工過程中日常巡視相結合的方式進行監控，以便及時發現問題，采取措施。

同時在重點區域的管節內設置透明管，管內用水填充滿，在管外側設置刻度，頂進過程中觀測該管內液位變化，從而能更快捷地觀察出該位置的管節是否出現上下方向的失穩現象。

5 結語

本文結合背景工程的復雜地質條件、復雜施工條件的特點，對頂管機設備及頂管施工技術開展研究，得到以下成果：

1）自主研發、設計、制造了適應于冰川沉積物特性復雜地質條件的可調節式泥水平衡頂管機，可適用于不同性質土層、軟硬不均地質條件下的頂管施工，并為頂管施工使用于各類復雜地質條件提供了設備支持。

2）進一步完善頂管施工工藝及施工技術，為今后解決不良性質土質、復雜地質條件頂管工程提供技術支撐。

本文的研究成果將實現泥水平衡頂管機適用于加拿大地區各類復雜地質條件的頂管工程，在加拿大工程建設中廣泛應用，其社會效益和經濟效益十分明顯。