泥水平衡法頂管在管道施工中的應(yīng)用

摘要：隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保的要求越來(lái)越嚴(yán)格，各級(jí)地方政府也越來(lái)越重視環(huán)境污染問(wèn)題。以在建項(xiàng)目毛莊污水處理廠配套污水管網(wǎng)的鋪設(shè)為例，詳細(xì)地闡述了泥水平衡法頂管技術(shù)及工藝在污水管網(wǎng)建設(shè)中的應(yīng)用，希望能夠?yàn)槿蘸箜敼苁┕ぬ峁┮恍┯袃r(jià)值的參考，提高頂管施工技術(shù)水平。

關(guān)鍵詞：泥水平衡；頂管施工；施工技術(shù)；注意事項(xiàng)

0" "引言

頂管施工是一種不需要機(jī)械進(jìn)行開挖溝槽或少開挖土方鋪設(shè)管道的施工方法，通常用于穿越鐵路既有線、公路、房屋建筑，或開挖較深、不具備開挖條件的管道鋪設(shè)施工。具體工藝原理為：在計(jì)劃鋪設(shè)管道的兩端提前預(yù)制好工作井、接收井，然后將頂管機(jī)及其他設(shè)備安裝在工作井內(nèi)，借助工作井和后背墻作為后座，通過(guò)地面控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)液壓泵、千斤頂?shù)耐屏?，使頂管機(jī)全斷面地進(jìn)行切削土體，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)。頂管機(jī)和管道在推力的作用下，逐步穿越地下土體。當(dāng)一節(jié)管道頂進(jìn)完成，主千斤頂回縮，安裝下節(jié)管道后，繼續(xù)向前頂進(jìn)施工。不斷地重復(fù)此道工序，直到頂管機(jī)進(jìn)入接收井，并將頂管機(jī)拆除，管道的鋪設(shè)就此完成。

按照平衡原理理論，頂管方式可分為土壓平衡法、泥水平衡法、氣壓平衡法等，其中以泥水平衡法頂管在施工現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)用最為普遍。泥水平衡法頂管是將由膨潤(rùn)土、純堿和水等按相應(yīng)比例混合而成的泥漿，充滿掘進(jìn)機(jī)的泥水艙，讓泥水艙內(nèi)的泥漿壓力與地下水、土體的壓力保持平衡，從而使開挖斷面保持穩(wěn)定。頂管機(jī)切削刀盤切削下來(lái)的土壤經(jīng)過(guò)攪拌，成為泥水狀，通過(guò)泥漿泵輸送至地面的泥水分離箱，待泥漿中的水土分離后，再把分離后的泥水壓送進(jìn)泥水艙，如此往復(fù)，最終完成管道的頂進(jìn)鋪設(shè)。本文以在建項(xiàng)目毛莊污水處理廠配套污水管網(wǎng)的鋪設(shè)為例，詳細(xì)地闡述了泥水平衡法頂管技術(shù)及工藝在污水管網(wǎng)建設(shè)中的應(yīng)用。

1" "工程概況

本次工程建設(shè)的毛莊污水處理廠配套管網(wǎng)共計(jì)10.8km，毛莊污水處理廠至S344省道段、房亭河南岸段采用d1000鋼筋混凝土管，毛莊污水處理廠至下毛莊段采用d1200鋼筋混凝土管。污水管道管徑較大，管道埋深較深（約7m）。由于設(shè)計(jì)管道一側(cè)臨近紫房線公路，另一側(cè)臨近蔬菜大棚和苗圃，可利用的施工作業(yè)空間不足，為降低開挖深基坑帶來(lái)的安全隱患和減少臨時(shí)占地補(bǔ)償費(fèi)用，此部分管道采用泥水平衡頂管施工的方法。

部分管道共計(jì)2.2km，其余8.6km污水管道均采用常規(guī)開挖鋪設(shè)DN400污水管道。配套管網(wǎng)建成后，將承接S344省道已建設(shè)污水管網(wǎng)、房亭河以南各村莊已建設(shè)污水管網(wǎng)、X307縣道南側(cè)沿線主要企事業(yè)單位的污水，最終接入毛莊污水處理廠，經(jīng)處理達(dá)標(biāo)后排放。

2" "工程地質(zhì)

根據(jù)勘察資料顯示，頂管施工范圍內(nèi)工程地質(zhì)分為8層：1-1層素填土、1-2層雜填土、2層黏土、3層黏土、3-1層黏土、3-2層粉土、4層黏土、4-1層粉質(zhì)黏土。本工程頂管段主要穿越4層黏土，該地層為硬塑，中等壓縮性，土體強(qiáng)度較好，極微透水，工程性質(zhì)較好；采用觸變泥漿的管道外壁與土體間平均摩阻力為0.5t/m2，地下水位埋深約3m?；谝陨系刭|(zhì)條件，以配套管網(wǎng)WA6-WA7頂管長(zhǎng)度為100m的施工段為例，頂管施工采用NPD1000型泥水平衡頂管機(jī)進(jìn)行施工作業(yè)。

3" "主要施工工藝

泥水平衡法頂管的主要施工流程為：工作井后背墻施工→頂管設(shè)備安裝、調(diào)試→洞口環(huán)形橡膠止水圈安裝→地面設(shè)備安裝→沉井預(yù)留洞口鑿除→第一節(jié)管節(jié)吊裝→頂進(jìn)→第一節(jié)管節(jié)頂進(jìn)結(jié)束→縮回主頂千斤頂→吊放第二節(jié)管節(jié)→頂進(jìn)→依此循環(huán)至接收井→頂管設(shè)備拆除→管道鋪設(shè)完成。泥水平衡頂管施工原理如圖1所示。

3.1" " 頂力計(jì)算及設(shè)備選用

根據(jù)相關(guān)要求，頂管施工中主頂液壓缸的最大頂力應(yīng)大于頂進(jìn)過(guò)程中的各項(xiàng)阻力之和，但不得超過(guò)混凝土管材和后背墻的最大允許頂力，以防管材和后背墻被頂壞。以d1000鋼筋混凝土管為例，管材內(nèi)徑為1.0m，外徑為1.2m，頂力的理論計(jì)算如下：

F=F1+F2" " " " " " " " " " " " " " " （1）

式中：F為總推力，F(xiàn)1為迎面阻力，F(xiàn)2 為頂進(jìn)阻力[1]。

F1=π×（D/2）2·K0·γ·H0 = 8.269t" " " "（2）

式中：π為圓周率，取3.14；D為管材外徑1.2m；K0為靜止土壓力系數(shù)，一般取0.55；γ為土的濕重量，取1.9t/m3；H0 為地面至掘進(jìn)機(jī)中心的厚度，取最大值7m。

F2=π·D·f·L = 188.4t" " " " " " " " " "（3）

式中：π為圓周率，取3.14；D為管材外徑1.2m；f為管材外表面平均綜合摩阻力，采用觸變泥漿減阻，取0.5t/m2；L為頂距，取值100m。

F=F1+F2=196.669t" " " " " " " " " " " "（4）

經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到工作井設(shè)計(jì)允許的最大頂力為533t，d1000的鋼筋混凝土管材最大允許推力為312t，均大于總推力196.669t。施工現(xiàn)場(chǎng)的主頂液壓缸選用2臺(tái)200t級(jí)雙行程液壓缸。通過(guò)液壓泵進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，將每只液壓缸的頂力控制在150t左右[2]，則千斤頂?shù)目偼屏?00t，便可保證頂進(jìn)動(dòng)力的正常供應(yīng)?，F(xiàn)場(chǎng)最長(zhǎng)頂進(jìn)距離為100m，故本工程不需要設(shè)置中繼環(huán)。

3.2" " 后背墻

后背墻是頂管時(shí)為主頂液壓缸提供支撐力的剛性結(jié)構(gòu)，也被稱為后座墻。通過(guò)后背墻，能夠較為均勻地把主頂液壓缸的反力傳遞到工作井整體結(jié)構(gòu)上，因此井壁就不易損壞?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)根據(jù)頂力的大小，選用合理的后背墻結(jié)構(gòu)尺寸，以滿足施工的需求。

本工程頂管后背采用C25現(xiàn)澆鋼筋混凝土后背墻，和高1.5m、寬1.5m，厚度為40mm的鋼墊板。施工時(shí)，先將鋼墊板的安裝位置畫好線，在工作井井壁表面把后座墻的位置用紅油漆做好標(biāo)記，然后綁扎后背墻鋼筋。鋼筋采用直徑20mm的螺紋鋼筋，雙層雙向布置，間距150mm。安裝好側(cè)面模板，將鋼墊板吊到安裝位置，距離工作井井壁200mm，調(diào)整鋼板的縱、橫兩個(gè)方向，使鋼墊板的平面垂直于頂管的頂進(jìn)方向。將定位安裝尺寸誤差須控制在2mm以內(nèi)，避免出現(xiàn)受力方向偏斜，產(chǎn)生頂力損失和發(fā)生事故。將鋼墊板的位置和尺寸調(diào)整好后，在鋼板與井壁間澆筑C25混凝土并填充密實(shí)。

3.3" " 頂管機(jī)出洞

在頂管施工中，頂管機(jī)從工作井的預(yù)留洞逐漸頂進(jìn)到土體中，這一過(guò)程被稱為出洞。出洞作為整個(gè)頂管作業(yè)中重要環(huán)節(jié)之一，決定了頂管是否能夠順利進(jìn)行，在頂管作業(yè)時(shí)必須充分重視頂管機(jī)的出洞。如果出洞安全，止水效果很好，就能順利地進(jìn)行下一步頂進(jìn)工作。

頂管的施工設(shè)備安裝、調(diào)試完成后，開始進(jìn)行頂管作業(yè)。頂管施工的工作井和接收井以沉井方式下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高。預(yù)制沉井時(shí)，在設(shè)計(jì)管道的位置預(yù)留洞口。預(yù)留洞口與管道之間存在間隙，為此需在工作井內(nèi)壁預(yù)留洞口處安裝環(huán)形橡膠板止水圈，以防頂管施工過(guò)程中，地下水和觸變泥漿通過(guò)預(yù)留洞口與管道的間隙進(jìn)入工作井。這不僅能減小頂進(jìn)的阻力，提高頂管工作效率的效果，同時(shí)也能夠避免開挖面坍塌，發(fā)生事故。預(yù)留洞口環(huán)形橡膠止水圈如圖2所示。

準(zhǔn)備工作完成后，鑿除預(yù)留孔洞內(nèi)的臨時(shí)封堵，立即將頂管機(jī)推進(jìn)預(yù)留孔，使橡膠止水圈抱緊頂管機(jī)，發(fā)揮止水作用。由于出洞初期頂管機(jī)進(jìn)入土體的距離較短，頂管機(jī)的機(jī)頭質(zhì)量?jī)H由導(dǎo)軌和入土較淺的土體支撐，土體支撐力不足，容易造成機(jī)頭向下“叩頭”現(xiàn)象。為防止此現(xiàn)象發(fā)生，可將機(jī)頭與第一節(jié)混凝土管之間采用剛性聯(lián)接，使頂管機(jī)保持向上5°的初始角度；或采取提前對(duì)工作井外部管道四周的土體進(jìn)行注漿加固的措施，增強(qiáng)土體的支撐力。

同時(shí)由于初始階段頂進(jìn)深度較淺，頂管機(jī)頭與土體間摩擦力較小，不足以抵擋機(jī)頭前方的正面水土壓力，常導(dǎo)致千斤頂縮回時(shí)頂管機(jī)反彈，機(jī)頭前方的土體坍塌，再次頂進(jìn)時(shí)機(jī)頭向阻力小的一側(cè)偏斜。為此當(dāng)千斤頂縮回時(shí)，采用2根φ110的鋼管頂住混凝土管，防止頂管機(jī)反彈，直至頂進(jìn)距離達(dá)到一定深度，混凝土管外壁與土體的摩阻力足以抵擋頂管機(jī)開挖面的水土壓力為止。

3.4" " 正常頂進(jìn)

頂管出洞成功后，開始正常頂進(jìn)作業(yè)。地面控制系統(tǒng)控制主頂液壓泵和主頂千斤頂?shù)耐屏?，?qū)使頂管機(jī)和混凝土管逐步前進(jìn)。在頂進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)主頂千斤頂向前頂進(jìn)，通過(guò)頂管機(jī)刀盤切削前方土體。切削下的塊石或堅(jiān)硬的土塊等，通過(guò)內(nèi)外錐體的偏心碾壓，被粉碎成為細(xì)小的顆粒狀，粘性土在外殼斜錐段高壓噴射水流的作用下成為碎塊和泥漿，經(jīng)過(guò)刀盤和內(nèi)錐體的攪拌后，在泥水艙與注漿泵注入的泥漿混合成濃稠的泥漿。濃稠泥漿經(jīng)排漿管排至地面泥水分離箱中，待泥漿中的水土分離后，將分離出泥沙等固體顆粒外運(yùn)，泥漿循環(huán)使用重新進(jìn)入泥水艙，實(shí)現(xiàn)連續(xù)頂進(jìn)作業(yè)[3]。

初始頂進(jìn)時(shí)，頂進(jìn)速度應(yīng)不超過(guò)50mm/min；出洞結(jié)束正常頂進(jìn)時(shí)，頂進(jìn)的速度應(yīng)不超過(guò)150mm/min；如地下遇障礙物，頂進(jìn)的速度應(yīng)控制在10mm/min以內(nèi)[4]。經(jīng)過(guò)如此循環(huán)作業(yè)，頂管機(jī)和管道逐步地向前頂進(jìn)作業(yè)，最終到達(dá)接收井，之后拆除頂管機(jī)，即完成管道鋪設(shè)。

3.5" " 觸變泥漿減阻

頂進(jìn)過(guò)程中，隨著距離的增長(zhǎng)，管道與土體間的摩阻力也越來(lái)越大，本工程采取在管道與土體間的空隙中注入觸變泥漿的措施，降低頂進(jìn)時(shí)管道四周土體的摩阻力，并有效減少地表沉降，提高頂管施工的工作效率。

注漿系統(tǒng)主要由泥漿拌制、注漿和循環(huán)管道三部分組成[5]。泥漿拌制是把膨潤(rùn)土、純堿和水等或其他材料，按比例混合后攪拌成所需的泥漿，泥漿靜置24h后方可使用。注漿前需再次將泥漿進(jìn)行攪拌，注漿泵通過(guò)注漿孔將漿液輸送至管道外壁空隙。注漿時(shí)，將注漿壓力控制在水壓力的1.1～1.2倍。每節(jié)混凝土管各設(shè)一道注漿孔，孔位位于管道頭部，環(huán)周分120°對(duì)稱布置3孔。

4" "頂管注意事項(xiàng)

施工前了解頂管施工沿線的工程地質(zhì)、水文情況，詳細(xì)查看地質(zhì)勘察報(bào)告并進(jìn)行分析，初步確定頂管方式，選擇合適的頂管設(shè)備和減阻措施。同時(shí)，調(diào)查施工范圍內(nèi)是否有地下管線，確保施工范圍無(wú)管線或遷移后方可進(jìn)行施工。

頂管過(guò)程中，必須保證進(jìn)水壓力、泥水艙壓力和泥漿密度處于正常狀態(tài)，否則及時(shí)采取措施進(jìn)行處理，使挖掘面始終保持平衡穩(wěn)定狀態(tài)。若泥水艙壓力過(guò)大，則容易造成管道堵塞；泥艙壓力過(guò)小，土層被水流沖刷頻率較高，容易導(dǎo)致周圍土層坍塌。

頂管機(jī)暫停頂進(jìn)時(shí)，要采取措施防止泥漿流失。否則，挖掘面會(huì)失去穩(wěn)定狀態(tài)出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。頂進(jìn)過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)管位出現(xiàn)偏差，要及時(shí)進(jìn)行糾偏校正，使管節(jié)逐漸地復(fù)位。糾偏時(shí)應(yīng)緩慢進(jìn)行，遵循少糾勤糾的原則。管道頂進(jìn)結(jié)束后，為防止地面出現(xiàn)沉降或塌陷，需將頂進(jìn)過(guò)程中注入的觸變泥漿進(jìn)行置換，利用壓注觸變泥漿的系統(tǒng)及管路，將觸變泥漿置換為1：2的水泥漿。當(dāng)置換完成并達(dá)到一定的壓注壓力時(shí)方可停止，以確保將觸變泥漿全部置換[6]。

5" "結(jié)語(yǔ)

泥水平衡法頂管施工具有施工場(chǎng)地小、安全性能高、無(wú)需遷改管線、對(duì)地面環(huán)境影響小、對(duì)城市干擾少、文明施工程度高等優(yōu)點(diǎn)，既可在各種飽和含水地層中施工，也可以在淤泥、淤泥質(zhì)黏土等復(fù)合條件下施工。與其他類型頂管方式比較，由于泥水平衡法頂管使用觸變泥漿減阻的措施，在頂管施工時(shí)總推力比較小，比較適用于長(zhǎng)距離頂管。

目前，在國(guó)內(nèi)既可應(yīng)用于市政給水、排水、電力、通信等管道工程施工中，也可用于穿越公路、鐵路、河流特殊地段的地下管道的施工。本文通過(guò)以配套管網(wǎng)WA6-WA7段100m頂管施工為例，對(duì)泥水平衡頂管的主要施工技術(shù)和注意事項(xiàng)進(jìn)行闡述和分析，可為以后類似工程的施工提供參考。

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