泥水平衡機械頂管技術在燃氣工程項目中的應用

閆喜彬

（北京市燃氣集團有限責任公司工程建設管理分公司，北京 100083）

1 概述

隨著城市建設步伐的不斷加快，大量地下燃氣管道的敷設與管網改造工程也隨之產生。傳統的開槽管道施工方法存在破壞已有路面和基礎設施、影響交通、擾亂居民生活等缺點，而非開挖施工技術可以通過不開挖（或少開挖）地表的情況下完成管線的敷設、維修和更新，有效地減少開槽管道施工的影響，在大城市被廣泛采用。作為非開挖施工技術的一個主要分支，機械頂管施工技術日趨成熟，在穿越建（構）筑物、河流、道路、管道施工中發揮了越來越重要的作用。

目前常用的機械頂管施工法有土壓平衡和泥水平衡兩種方式，土壓平衡頂管施工法采用螺旋輸送機排土，主要適用于大口徑頂管施工，而泥水平衡機械頂管施工法適用性相對較廣，該項技術近幾年在北京的燃氣工程施工中得到了廣泛的應用。

2 泥水平衡機械頂管原理及特點

2.1 原理

泥水平衡頂管掘進施工法是通過輸送泥水管道將配置好的泥水送至掘進機泥水倉，并通過建立一定的壓力來平衡切削刀盤前部的地下水壓和切削面的泥土壓，保證切削面穩定；而被切掘出的泥土或經過碾碎的石塊與泥水混合后，通過流體輸送系統將混合泥水排送到地面，進行泥水分離處理，經沉淀后的泥水再循環利用，土渣運走。在整個施工過程中，操作人員通過操作臺上的監視屏必須隨時觀察頂進土壓、泥水壓力、切削力矩、調節頂進速度，保證施工地表隆起或沉降控制在最小的范圍內。泥水加壓頂管掘進系統是由頂管掘進機、主頂裝置、泥水循環輸送系統、測量系統、注漿裝置、地面起重設備以及泥水處理裝置等組成。

2.2 頂管特點

（1）適用的土質范圍廣。可根據土質條件的不同，選擇安裝與之相適應的刀盤。安裝在切削刀盤上的滾刀可對礫石等進行一次破碎，圓錐破碎機對進入破碎室的石塊進行二次破碎，使石塊被破碎成能進入排泥管的尺寸，即在壓縮強度高的砂礫、巖石層和地下水壓力很高以及變化范圍較大的地質條件下，都能進行高效率的施工。

（2）地表沉降小。通過泥水加壓，可有效地保持切削面的穩定，對頂管周圍的土體影響較小，引起地表面的隆起或沉降也比較小，可以有效地控制地表沉降小于10mm。

（3）頂進速度快且能夠長距離一次頂進距離。使用泥水輸送方式排土，可連續進行掘進施工，提高了頂進速度。與其他類型的頂管施工比較，泥水加壓頂管所需要的總推進力相對比較小，尤其在黏土層中施工更為突出，特別適用于長距離頂進施工。

（4）工作環境優越。通過中央控制盤進行遠程遙控操作，實現了機內無人化，工作井內作業環境較好，安全性高，不存在吊運棄土、搬運土方等容易發生危險和危及工作人員安全的問題。

3 不同土質下泥水平衡機械頂管設備及施工方法的選擇

為了使泥水壓力能在頂管機刀盤前部形成一層泥膜，保證挖掘面土層的穩定，根據土質不同，一般要求泥水的比重在1.05~1.25kg/m3 ，動黏度在15~60Pa.s，另外在較軟的黏土層中，需要適當提高泥水壓力。在滲透系數較小或比較適中的砂土層或砂性土層中，由于切削斷面容易失穩，應相應增加泥水的相對密度，必要時在泥水中除加入一定的黏土外，還須加入一定比例的膨潤土或其他添加劑，以保持泥水性質的穩定。在砂礫層中施工，泥水管理尤為重要，必須保持泥水有較高的黏度和較大的相對密度，施工時需要在反復循環的泥水中不斷地加入一些黏土，才能使切削斷面不會因為泥水的不穩而產生變化。

3.1 設備的選擇

在施工準備前，頂管的設備選型尤為重要。施工人員可根據土質條件的不同，選擇安裝與之相適應的刀盤，這也是泥水平衡適用的土質范圍廣泛的原因之一。由于土質情況非常復雜，在實際應用中，刀盤的形狀、刀頭的數量等都會有變化。其中，采用砂礫型刀盤，可破碎的最大礫石直徑一般為管徑的1/3；當礫石的大小超過這一范圍時，應選用巨礫型刀盤。根據礫石性質、巨礫的含有率、強度等指標的變化，設計更適用的刀盤形狀，可破碎礫石的大小可達到管徑的2/3。在巨礫石地質情況下需仔細分析后再選擇刀盤形式。

3.2 施工方法的選擇

3.2.1 砂性土層

對于泥水平衡機械頂管施工來講，砂性土比較密實，是一種良好的土質。在頂進過程中，砂礫被水流沖散帶出不易堵塞管道，切削阻力小，無需刀盤破碎，頂進速度較快。根據流體力學，通過一定通流截面的含砂水流流量（流速）越大，水流中所能飽和的含砂量也越大，故可以通過較大的流量來完成快速掘進。

3.2.2 淤泥質土層

淤泥質土很軟且粒度小，在該層中掘進的切削阻力比在砂性土中的還要小，也不會堵塞管道。由于無論頂進速度如何，頂管的切削阻力幾乎不變，因此管道可以在流量較小的狀態下被快速頂進。在頂進過程中，機頭前方的土層容易被沖空，導致機頭下沉，故要控制流量、注意下沉糾偏，并且避免在停止頂進時開閥沖刷機頭。

3.2.3 黏土層

在該土層頂進時會存在一個明顯的特征，當水中含泥濃度較高時，管道易被堵塞，頂進速度變慢，而當水中含泥濃度較低時則情況相反。

因為在沖刷進水口時，清水可以有效地把黏土溶解帶出，而含泥濃度較高時就很難把堵塞點沖開。所以，頂進時有條件的頻繁換水可以有效解決管道堵塞問題，加快頂進速度。

3.2.4 巖石土層

一般來講，選擇具有切削和破碎能力的刀盤便能在巖石土層中掘進，但還要控制頂進速度，盡量放慢。慢速頂進可以減少刀盤上的切削量從而降低切削阻力；同時調低刀盤轉速，以減少刀盤被巖層卡住時發生的瞬間沖擊力。

3.2.5 雜填土層

地下工程施工經常會遇見木樁土層或者回填土地質，這種土質往往還會伴隨著柳釘、鐵塊等，它們在彎曲的泥水管線中不易被水帶出，會滯留在管道轉折較大的變截面處，此后不斷地堆積會造成管道堵塞。碰到此類情況時，可以放棄排泥泵，將泥水直接排放到工作井中，這樣做就會直接去除最易堵塞的部位，同時要盡量加大進水流量，沖洗掉滯留在管道中的雜物。由上述可知，通過設備選擇和施工方法的變化便可以發揮泥水平衡機械頂管在各種土層中的適用性。在施工前還需要注意的是，施工過程中泥水平衡機械頂管覆蓋的土層厚度應大于管外徑的1.5倍，覆蓋土層最小值應為2.5m，最大礫石直徑應在適應范圍內；在不能更換刀盤和刀頭的情況時，刀頭的磨損度應在所規定范圍內。

4 泥水平衡機械頂管在燃氣施工案例應用

在近年來北京市燃氣集團的管線建設中，非開挖技術的利用主要集中在穿越道路、河流等地段，其中泥水平衡機械頂管技術的使用較為頻繁。下面就簡要介紹分析懷密天然氣供氣工程以及燃氣地下管線隱患消除工程（和平里05中壓線）這兩個工程中泥水平衡機械頂管技術的應用。

4.1 卵、礫地層頂管工程

該工程為懷密燃氣一期工程（穿越京密路段），施工長度約為140m。京密路為交通樞紐、交通流量大，道路管理方對于工程的沉降控制、工期均有嚴格要求，且施工段以卵石層為主，部分卵石粒徑400~500mm，礫石含量60%~70%，含砂率為20%~30%，軸線段無地下水。通過綜合考慮工程地質勘察結果、項目工期要求、穿越段京密路的現況等諸多因素，決定采用破碎式泥水平衡頂管施工工藝代替原有的明開挖方案。

在設備選型方面，與設計單位、施工單位討論研究后選取了DH-1350型號頂管機。作為大功率且具有二次破碎能力的頂管機，該設備可以能通過各類切削刀盤的更換來滿足不同地質條件下的項目施工，當然也適用于本工程。由于卵石會對刀盤產生較大的磨損，從而影響頂進速度，為降低這種影響，采用耐磨焊條堆積對刀盤進行強化。

在實驗段施工期間，發現被破碎排出的礫石粒徑均小于20mm，低于正常值。排泥管道經常被泥水倉內的渣土堵塞，渣土排出變得不連貫，以致于頂進過程被中斷，同時掘進面上方地表有泥漿冒出，造成嚴重的泥漿損失，泥漿循環無法正常進行，渣土便無法順利排出。針對該問題，經多方討論后提出以下解決方法：

穿越段的土層礫石含量大，土壤滲透性強，為解決泥水倉礫石未能及時運出導致排泥管被堵塞這一問題，采取增大泥水比重來配合開挖面的泥水平衡，而且通過增加管道內液體流速來提高泥漿的攜渣效率；采用注漿加固的措施來對穿越段影響范圍內的地表薄弱處進行填補，可以在一定程度上穩定開挖面的泥漿壓力。這些方案的實施保證了工程質量和工期，這也是破碎式泥水平衡頂管技術和設備在北京地區燃氣工程施工中的首次應用。

4.2 砂層頂管工程

該工程為燃氣地下管線隱患消除工程（和平里05中壓線）穿越北護城河段，穿越長度為71 m，穿越的土層主要粉細砂層，有地下水。施工中的難點是頂進坑靠近現況居民樓，水平距離9.2 m，坑深12.7 m，開挖工作坑時不能對居民樓造成任何傷害且不能采取降水施工；粉細砂層在地下管道污水、河水共同作用下形成流沙，影響了頂進坑的開挖施工。

經過多方討論后，對原方案進行調整：由土壓平衡機械頂管改為泥水平衡機械頂管，采用NP-1050泥水平衡頂管機，管徑也由DN1550調整為DN1050，從而減少了頂進坑的深度；迅速封底，采取措施盡快使底板強度達到要求，待底板強度達到要求后，在井內采用小導管方式，從底部向上注漿填充井壁后空隙，此后直到重新開挖之前可停止抽排水；采取地面注漿方式加強帷幕注漿效果；加強對周邊構筑物的監測。

頂進過程中為防止管道與土體摩擦造成的土層結構破壞，同步注入潤滑泥漿，并保持泥漿壓力，泥漿壓力在0.08~0.12MPa。經過調整后，泥水平衡頂管工藝保證工程順利完工，也確保了工程安全和質量。

5 結束語

通過以上兩個案例可以了解到，泥水平衡頂管施工技術在燃氣工程項目中的作用。總結來說，泥水平衡頂管施工管理的重點是保證挖掘面穩定的同時，維持線形、構筑管線結構、盡早填充土體空隙。由此在施工前必須根據環境情況、地質及水文條件、設計文件要求等，在實驗段的基礎上，確定具體施工參數及管理重點；施工過程中要根據監控量測的數據結果不斷優化參數控制，最終確保施工安全、質量、進度、成本預期目標的實現。