泥水平衡頂管施工技術(shù)和質(zhì)量控制

楊 晉 魁

(太原市市政公用工程質(zhì)量監(jiān)督站，山西 太原 030012)

0 引言

在城市快速發(fā)展過程中，地下隧道工程建設(shè)也大幅增加。由于頂管施工法可以極大降低工程對周圍環(huán)境的影響，因此頂管施工法在城市地下工程建設(shè)中廣泛應(yīng)用。在地下隧道工程建設(shè)中，由于頂管開挖面會卸載周圍巖體的壓力，因此會對周圍的建筑造成破壞，這就需要保證掘進面的強度和穩(wěn)定性。在地下掘進過程中進行相應(yīng)的支撐，如果支撐力大于最大壓力就會造成地表隆起；如果支撐力小于最小壓力就會造成地表塌陷，因此要保證支撐力介于最大壓力和最小壓力之間。

本文針對清徐對太原煤層氣輸氣管道施工工程第三標(biāo)段進行研究，管線全長約5 722 m，管徑為φ820×15.3 mm和φ820×20.5 mm。管線設(shè)計壓力5.0 MPa，輸氣管材料為螺旋縫埋弧焊鋼管和直縫埋弧焊鋼管，材質(zhì)為L415。該項目施工場地的復(fù)雜等級為二級，工程地基的復(fù)雜等級為三級，管道線路的勘察等級為丙級，該段的土質(zhì)主要為填土層，粘土層，砂土層及強風(fēng)化花崗巖。本文就泥水平衡頂管施工技術(shù)和質(zhì)量防治進行分析探討。

1 泥水平衡頂管施工原理

泥水平衡頂管施工是頂管施工的一種常用方式。泥水平衡頂管施工是通過流入的泥水壓力來平衡掘進過程中的巖體和地下水的外部壓力，泥水主要是通過泥漿泵來控制泥漿的輸出量。泥水平衡頂管施工的工作原理是在掘進機頂管機頭后方預(yù)制密閉隔段，掘進機的刀盤與密閉隔段之間的空間形成泥水艙。泥水通過相應(yīng)管道高速輸送到泥水艙，泥水在掘進面上形成一道不透水的泥水薄膜，薄膜壓力會阻止泥水向掘進面滲透。高壓泥水所產(chǎn)生的壓力會平衡掘進過程中的巖體和地下水的外部壓力。掘進機在施工過程中，刀頭切削的巖土?xí)苯铀腿肽嗨摚嗨搩?nèi)的攪拌機將巖土與水?dāng)嚢杈鶆?，攪拌后的高濃度泥漿通過輸出管流入泥水分離系統(tǒng)，刀頭切削的巖土通過分離系統(tǒng)排出泥水艙，經(jīng)過分離處理后的泥水再次被壓入泥水艙使用。

2 泥水平衡頂管施工技術(shù)

2.1 泥水的配制

泥水一般是在頂進施工前配制好，其一般由水、黏土及添加劑按照一定比例配制而成，配制比例一般會根據(jù)地質(zhì)條件來做出相應(yīng)的調(diào)整。因此針對不同地質(zhì)條件下的泥水配制比例是不同的，包括泥水壓力的及時調(diào)控是泥水平衡頂管施工的關(guān)鍵措施。如果泥水配制沒有達(dá)到預(yù)定要求容易引起地表塌陷或隆起、泥漿突涌等安全事故。可調(diào)控的泥水一般具有流動性好，物化性能優(yōu)良，泥水膜性能優(yōu)良，泥漿的黏度適中等優(yōu)點。泥水在掘進過程中主要起到平衡巖土壓力、輸送切割巖土等功能。本工程第三標(biāo)段的土質(zhì)主要為填土層，粘土層，砂土層及強風(fēng)化花崗巖。在掘進過程中通過對不同的巖層結(jié)構(gòu)的泥水相對密度配制比例進行相應(yīng)的調(diào)整，可以保證掘進工作線上方路面的安全性和強度，通過控制路面的上下位移來提高路面的剛度。該標(biāo)段內(nèi)巖土的性能參數(shù)如表1所示。

表1 清徐對太原煤層氣輸氣管道施工工程第三標(biāo)段的巖土性能參數(shù)

掘進面安全性和穩(wěn)定性通過穩(wěn)定安全系數(shù)來確定的。頂管施工掘進面的穩(wěn)定安全系數(shù)與泥水相對密度的關(guān)系如下：

(1)

其中，β為掘進面穩(wěn)定安全系數(shù);ρ為巖土密度;ρm為泥水的相對密度;φ為巖土的內(nèi)摩擦角。

結(jié)合表1的參數(shù)可計算得到各巖土段的掘進面穩(wěn)定安全系數(shù)，或者通過穩(wěn)定安全系數(shù)反推出相應(yīng)的泥水的相對密度，然后根據(jù)泥水的相對密度來隨時調(diào)整泥水的配比。根據(jù)計算，對于本工程填土層的內(nèi)摩擦角較小，泥水的相對密度約為0.325～0.568。對于粘土層的內(nèi)摩擦角大于填土層，泥水的相對密度約為1.122～1.356。對于砂土層的內(nèi)摩擦角接近于填土層，泥水的相對密度采用1.122～1.356。對于風(fēng)化花崗巖的內(nèi)摩擦角遠(yuǎn)大于填土層，但是該層厚度遠(yuǎn)低于其他層，因此泥水的相對密度采用1.558。

2.2 泥漿分離技術(shù)

泥水的再次利用是工程作業(yè)的關(guān)鍵，因此泥漿的分離技術(shù)就顯得很重要。泥漿的分離技術(shù)采用泥漿凈化處理設(shè)備，該設(shè)備的工作原理為：輸出管排出的混合泥漿通過泥漿分流器進入泥漿處理系統(tǒng)，泥漿處理系統(tǒng)設(shè)置篩分器，篩分器可以將粒徑在一定范圍內(nèi)的渣料振動篩選出來。篩渣通過管道進入泥漿凈化裝置，通過振動、沉淀、脫水等工序反復(fù)處理。

2.3 頂管的測量和糾偏

頂管在掘進過程中，掘進路線測量和糾偏是非常重要的一環(huán)，如何高效且安全的施工就必須隨時配合頂管的精確測量和正確糾偏。頂管在掘進過程中的進度測量和方向控制，主要是通過激光經(jīng)緯儀和水準(zhǔn)儀來實現(xiàn)的，糾偏過程是通過液壓千斤頂實現(xiàn)的，測站的分布數(shù)量與頂管掘進誤差關(guān)系如下：

(2)

其中，L為一次最大測量距離；D為頂管直徑；R為掘進曲線段半徑；l=60 m為頂管曲線段弦長。

通過計算誤差后，需要對頂管進行曲線誤差糾偏，糾偏工作主要側(cè)重幾點：1)認(rèn)真核算，做好記錄。2)布設(shè)在頂管內(nèi)部測量儀器需要避免掘進位移，數(shù)據(jù)要進行重復(fù)3次測量。3)糾偏角度應(yīng)該保持10°～20°。4)糾偏過程，液壓千斤頂要時刻注意頂進角度和頂進位移。

3 泥水平衡頂管施工的質(zhì)量防治

3.1 泥水控制

在頂管施工過程時，應(yīng)嚴(yán)格控制頂管機壓泥水和補泥水的工序。頂管施工的壓泥水要及時補充，隨時填充掘進機頭與隔板之間的距離以及糾偏產(chǎn)生的空隙。補泥水根據(jù)地質(zhì)情況隨時配制和補充，該工程主要使用動壓粘性系數(shù)較小、流動性好的泥水，以便在已有泥漿環(huán)的基礎(chǔ)上迅速填補缺失的泥漿。

3.2 掘進過程旋轉(zhuǎn)過大

掘進機在掘進過程中，由于刀頭不斷旋轉(zhuǎn)極容易產(chǎn)生掘進機頭以及頂管旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。掘進過程旋轉(zhuǎn)過大的原因主要是因為頂管無法克服刀頭旋轉(zhuǎn)所帶來的反向力矩。如果掘進機旋轉(zhuǎn)角度過大將導(dǎo)致糾正失敗，同時掘進距離會隨著旋轉(zhuǎn)角度的增大而增大，整體的掘進誤差會隨著掘進距離的增大而增大。這給頂管的測量和糾偏帶來不良的影響，因此項目部在頂管掘進前要采取以下工作方法：

1)在頂管掘進過程中，工程技術(shù)人員要隨時觀測預(yù)支偏轉(zhuǎn)儀的即時數(shù)據(jù)，如果旋轉(zhuǎn)角度超過允許的范圍內(nèi)時，可采用控制刀頭的旋轉(zhuǎn)方向來進行糾偏。如果旋轉(zhuǎn)角度恢復(fù)到允許的范圍內(nèi)時，就恢復(fù)刀頭原來的旋轉(zhuǎn)方向。

2)為了防止刀頭旋轉(zhuǎn)所帶來的反向力矩，可在頂管掘進機內(nèi)需要糾偏的一側(cè)增加一定的配重，來平衡刀頭所產(chǎn)生的反向力矩。

3)如果刀頭出現(xiàn)較小的旋轉(zhuǎn)，判斷旋轉(zhuǎn)方向后，需要準(zhǔn)確計算刀頭的掘進距離，并且要立即關(guān)閉泥水輸送管的作業(yè)，然后將刀頭反方向慢慢向前掘進，通過此法來提高刀頭的正向力矩來平衡旋轉(zhuǎn)角度，如果旋轉(zhuǎn)糾正后，再將刀頭的旋轉(zhuǎn)方向改成正常掘進形式。

4 結(jié)語

清徐對太原煤層氣輸氣管道施工工程段的泥水平衡頂管施工技術(shù)和已完成的成功實踐，證明了泥水平衡頂管施工技術(shù)是適用的，且應(yīng)用該頂進技術(shù)的曲線軌跡誤差能控制在±5 cm以內(nèi)，頂管施工對周邊環(huán)境的影響小，為泥水平衡頂管施工技術(shù)的應(yīng)用提供參考。