泥水平衡頂管在長(zhǎng)輸管道中的應(yīng)用

李文成

（中石化天然氣分公司工程建設(shè)管理處，山東 聊城 252000）

1 工程概況

榆林—濟(jì)南輸氣管道工程經(jīng)過(guò)山東省聊城市茌平縣，地勢(shì)平坦，為典型的黃河中下游平原地貌。地層以第四系沖洪淤積成因粉質(zhì)粘土組成，12米以上為粉質(zhì)粘土、粉土或粘土。地下水位較高，距地面0.5m-2m。管道穿越一、二級(jí)公路大部分采用非開(kāi)挖頂進(jìn)鋼套管方式，套管為D914×14.3，材質(zhì)為L(zhǎng)320螺旋縫埋弧焊鋼管。如采用傳統(tǒng)的開(kāi)放式人工挖進(jìn)頂管方式，需提前1-2周進(jìn)行降水，且道路中間部分降水效果不好，增加工期和工程投資。為此，現(xiàn)場(chǎng)選用泥水平衡方式頂管施工。

2 工作原理

以泥水壓力來(lái)抵抗開(kāi)挖面的土壓力和水壓力以保持開(kāi)挖面的穩(wěn)定，同時(shí)，控制開(kāi)挖面變形和地基沉降；在開(kāi)挖面形成弱透水性泥膜，保持泥水壓力有效作用于開(kāi)挖面。

圖1 泥水式盾構(gòu)工作原理

在開(kāi)挖面，隨著加壓后的泥水不斷滲入土體，泥水中的砂土顆粒填入土體孔隙中，可形成滲透系數(shù)非常小的泥膜（膨潤(rùn)土懸浮液支撐時(shí)形成一濾餅層）。而且，由于泥膜形成后減小了開(kāi)挖面的壓力損失，泥水壓力可有效地作用于開(kāi)挖面，從而可防止開(kāi)挖面的變形和崩塌，并確保開(kāi)挖面的穩(wěn)定。

土體一經(jīng)盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖，其原有的應(yīng)力即被釋放，并將產(chǎn)生向應(yīng)力釋放面的變形。此時(shí)，為控制地基沉降，保持開(kāi)挖面穩(wěn)定，必須向開(kāi)挖面施加一個(gè)相當(dāng)于釋放應(yīng)力大小的力。泥水式盾構(gòu)機(jī)中由泥水壓力來(lái)抵消開(kāi)挖面的釋放應(yīng)力。在決定泥水壓力時(shí)主要要考慮開(kāi)挖面的水壓力、土壓力以及預(yù)留壓力。

在泥水式盾構(gòu)機(jī)中支護(hù)開(kāi)挖面的液體同時(shí)又作為運(yùn)輸介質(zhì)。開(kāi)挖工具開(kāi)挖的土料在開(kāi)挖室中與支護(hù)液混合。然后，開(kāi)挖土料與懸浮液的混合物被泵送到地面。在地面的篩分場(chǎng)中支護(hù)液與土料分離。隨后，如需要，添加新的膨潤(rùn)土，再將此液體泵回隧洞開(kāi)挖面。

3 主要技術(shù)措施

3.1 施工準(zhǔn)備

施工前做下列工作：

（1）辦理公路部門(mén)的施工許可證，編制可行的施工方案。

（2）完成施工現(xiàn)場(chǎng)三通一平工作。

（3）施工機(jī)具設(shè)備擺放到位，完成技術(shù)交底工作。

3.2 開(kāi)挖操作坑及加固

發(fā)送坑的尺寸和坑深應(yīng)根椐施工機(jī)具、施工方法和管線深度而定。一般按如下方法計(jì)算：

(1)底寬

底寬=D1+S

式中：D1為套管外徑，本工程0.9m，取1m

S：兩側(cè)操作寬度，本工程取3m

故工作坑底部寬度為：4m

(2)長(zhǎng)度

式中：L1為工具管長(zhǎng)度(m)，取1m

L2：管節(jié)長(zhǎng)度(m)，本工程取11m

L3：出土工作間長(zhǎng)度(m)，本工程取1.5m

L4：液壓油缸長(zhǎng)度(m)，本工程取1.2m

L5：后背所占工作井長(zhǎng)度，包括橫木、立鐵、橫鐵取0.8m

所以計(jì)算工作井長(zhǎng)度1m+11m+1.5m+1.2 m+0.8m=15.5m，取 16m。

接收坑尺寸為4m×2m×4m（長(zhǎng)×寬×深）

由于地下水位較高，為防止塌方，同時(shí)保證后背推力，在發(fā)送坑兩側(cè)邊用鋼板進(jìn)行圍護(hù)，φ89×4鋼管支撐在兩側(cè)鋼板之間，支護(hù)高度為距離坑底2m；后背擋板采用δ=20mm鋼板和φ76×6鋼管排組成，尺寸為2.5×3m，坑底用石子(3-5cm)厚30cm做坑底墊層，墊層上等距離（約250mm）放置標(biāo)準(zhǔn)枕木，枕木上鋪δ＝20mm厚鋼板，保證施工精度。

3.3 安裝調(diào)試設(shè)備

鋼板上安裝工字鋼（10#）作為導(dǎo)向架，用水準(zhǔn)儀找平，兩軌道高程誤差±10mm，軌道工字鋼與底層鋼板焊接。將主機(jī)吊入軌道，將電力電纜、信號(hào)電纜和油路連接，進(jìn)行設(shè)備電力系統(tǒng)、自控系統(tǒng)和泥水處理系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。一切正常后，即可進(jìn)入預(yù)備頂管階段。

3.4 頂進(jìn)作業(yè)

使機(jī)頭刀盤(pán)貼住前方土體，調(diào)節(jié)好送水壓力，然后打開(kāi)機(jī)內(nèi)止水閥，轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤(pán)，關(guān)閉機(jī)內(nèi)旁道，待流量達(dá)到額定值的80%時(shí)即可開(kāi)始頂進(jìn)。

頂進(jìn)時(shí)按以下程序進(jìn)行：安裝頂鐵→開(kāi)油泵使千斤頂伸出活塞→千斤頂伸出活塞額定長(zhǎng)度后開(kāi)閥門(mén)回油→下管。

第一節(jié)套管頂進(jìn)方向的準(zhǔn)確性是整個(gè)頂管施工的關(guān)鍵。第一節(jié)套管的入土點(diǎn)和安裝角度應(yīng)準(zhǔn)確。頂進(jìn)過(guò)程必須勤測(cè)量、勤微調(diào)，糾偏角度應(yīng)保持在10'～20'不得大于0.5°。

第一節(jié)套管頂完后及時(shí)與第二節(jié)套管組對(duì)焊接，重復(fù)上述步驟進(jìn)行頂進(jìn)。

4 關(guān)鍵環(huán)節(jié)控制要點(diǎn)

4.1 頂進(jìn)方向控制

在飽和土或淤泥土中頂進(jìn)長(zhǎng)距離鋼套管時(shí)，由于機(jī)頭較重，鋼套管彈性變形容易導(dǎo)致機(jī)頭下沉，造成頂進(jìn)下偏。施工中一是要求鋼套管與機(jī)頭連接必須牢固，套管與套管焊接采用雙人對(duì)頭焊，盡可能減少停機(jī)時(shí)間；同時(shí)必須勤測(cè)量、勤微調(diào)，及時(shí)糾偏。

4.2 泥漿壓力控制

粉土飽和土流動(dòng)性強(qiáng)，穩(wěn)定性差，當(dāng)泥漿壓力小于土體壓力和水頭壓力時(shí)，容易導(dǎo)致挖掘面失穩(wěn)，嚴(yán)重時(shí)地面下沉；而當(dāng)泥漿壓力大于土體壓力和水頭壓力時(shí)，容易導(dǎo)致泥漿冒頂。為此必須隨時(shí)觀察泥漿艙工作壓力、土體壓力和水頭壓力，保持壓力平衡或泥漿壓力略大于土體壓力和水頭壓力，在挖掘面形成良好的泥皮護(hù)壁。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)該工程實(shí)例證明泥水平衡法頂管比傳統(tǒng)的人工開(kāi)挖法施工風(fēng)險(xiǎn)小、效率高，目前，該施工技術(shù)在市政工程中提到廣泛應(yīng)用，施工中遇到的問(wèn)題均可以得到很好控制和解決。在長(zhǎng)輸管道飽和性軟土中頂管中應(yīng)加以推廣應(yīng)用。

[1]任曉娥.膨脹水泥在管道接口中的使用.山西建筑，2008-07-01.