冰川沉積物特性復(fù)合地質(zhì)中的泥水平衡頂管施工

王天功

上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200002

隨著加拿大建設(shè)工程的展開，實施施工中的土質(zhì)復(fù)雜性等對泥水平衡頂管機(jī)設(shè)備性能及頂管施工技術(shù)提出了更高要求[1-4]。

本文結(jié)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(fù)合地質(zhì)條件，通過對頂管設(shè)備改良及頂管施工技術(shù)改進(jìn)，進(jìn)一步完善泥水平衡頂管的施工工藝，并為后續(xù)加拿大地區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件施工提供了實用經(jīng)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(nèi)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?xì)夤?。該段頂管范圍劃分?個區(qū)間段，設(shè)置工作井2個、接收井2個。工程采用頂管施工，頂管機(jī)為1臺泥水平衡頂管機(jī)。

1.2 地質(zhì)條件

頂管施工涉及地質(zhì)情況除了表層土之外主要還涉及②湖底性質(zhì)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(nèi)基本沒有分布，施工人員對其參數(shù)、特性的認(rèn)識相對不足。該層土含鵝卵石、微量細(xì)礫石、煤片和隨機(jī)分散且不連續(xù)砂子區(qū)域，具有冰川沉積物特性。

2 風(fēng)險分析

2.1 土體復(fù)雜，施工風(fēng)險大

工藝選擇及設(shè)備選型、設(shè)計等，應(yīng)充分考慮土層適應(yīng)性問題，并滿足工程進(jìn)度需要。機(jī)頭選型采用適應(yīng)性更強(qiáng)的泥水平衡式頂管機(jī)，頭部增加高壓水泵，增加水力切削效果。以此應(yīng)對當(dāng)?shù)赝临|(zhì)變化較快，且地質(zhì)條件不熟悉的問題[5-9]。

2.2 施工復(fù)雜，需穿越構(gòu)筑物和管線

頂管工程需要穿越安東尼亨迪公路（為當(dāng)?shù)匾粭l重要的道路），及工作井附近的燃?xì)夤堋⒂凸艿葮?gòu)筑物和管線。本工程除通過公路區(qū)域的覆土厚度為5.7 m左右外，大部分區(qū)間覆土為3.1～3.3 m，小于1.5倍的管徑，屬于淺覆土頂進(jìn)。

同時地下水位除公路兩側(cè)處在管頂高程以上，其余位置都在管底標(biāo)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(dá)前所產(chǎn)生的沉降較為明顯，容易對現(xiàn)有構(gòu)筑物和管線產(chǎn)生破壞。

3 可調(diào)節(jié)式泥水平衡頂管機(jī)

3.1 頂管機(jī)主要參數(shù)

工具頭外徑為2 640 mm，長4.0 m，質(zhì)量為32 t，刀盤結(jié)構(gòu)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(jī)功率37 kW，刀盤旋轉(zhuǎn)力矩414.9 kN·m，刀盤旋轉(zhuǎn)速度2.2 r/min，旁通油缸關(guān)門推力31 kN、開門拉力16 kN，姿態(tài)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(jī)改良技術(shù)

根據(jù)本工程特點、地質(zhì)情況及以往類似頂管經(jīng)驗，選用泥水平衡頂管機(jī)進(jìn)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(fù)雜地質(zhì)條件，因此非常適合本工程穿越重要道路、建（構(gòu)）筑物及特殊管線的施工特點，該工具管自主設(shè)計，刀頭采用最新技術(shù)的截齒刀，同時超挖刀超出頂管機(jī)外徑不大于1 cm，以減少超挖量，防止對土體產(chǎn)生過量擾動。

圖1 可調(diào)節(jié)式泥水平衡頂管機(jī)

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(jìn)行水力切削，以提高切削速度，減小土體過硬而造成頂進(jìn)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(jìn)行調(diào)節(jié)，經(jīng)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(dá)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(jìn)進(jìn)行聯(lián)動，每次開頂時通過自動化控制系統(tǒng)對工具頭操作順序進(jìn)行鎖定，先開啟水泵加水才能進(jìn)行頂進(jìn)。該工具頭適用范圍大，故障率低，生產(chǎn)效率高，通過多年來的施工設(shè)計改進(jìn)，其設(shè)備性能質(zhì)量能滿足本項目的施工需要。

4 關(guān)鍵施工技術(shù)

4.1 泥漿減阻

頂管工具管穿越土體后被擾動的松動區(qū)域需要觸變泥漿來填充彌補(bǔ)，需要在其間保持一個相當(dāng)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(jù)覆土深度建立表格，分區(qū)段控制壓力，再結(jié)合施工現(xiàn)場實際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。本次工程工具管的外徑2 650 mm，由于管節(jié)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?？紤]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(shù)，則在頂進(jìn)一節(jié)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(shè)備，泥漿系統(tǒng)設(shè)備配置如下：

1）工具管后設(shè)置連續(xù)2道同步注漿環(huán)，其后的跟蹤注漿環(huán)每隔4管節(jié)（4節(jié)×1.82 m）設(shè)置一環(huán)。注漿環(huán)每環(huán)設(shè)置4個壓漿孔，呈90°環(huán)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(huán)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(shè)置2臺壓漿泵（1臺備用）。

4）本壓漿系統(tǒng)與頂進(jìn)系統(tǒng)信號聯(lián)合控制。

泥漿配制時，最佳支承作用的觸變泥漿應(yīng)根據(jù)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(dāng)?shù)呐驖櫷廖⒓?xì)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(biāo)：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(shù)。本次壓漿采用人工進(jìn)行，在每次起頂前先進(jìn)行補(bǔ)漿，完成補(bǔ)漿后再開始頂進(jìn)，以避免起頂頂力過大，減少管節(jié)出現(xiàn)失穩(wěn)的可能。同時在每節(jié)壓漿環(huán)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(diào)節(jié)壓漿壓力，防止壓力過大、流量過多。

頂管頂進(jìn)結(jié)束后，對已形成的泥漿套的漿液進(jìn)行置換，防止后期由于泥漿內(nèi)水分流失造成的管節(jié)上方土體沉降而導(dǎo)致的上方構(gòu)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(jié)后（一般為24 h）拆除管路封閉注漿孔，將孔口用環(huán)氧水泥堵抹平。

4.2 中繼環(huán)

4.2.1 中繼環(huán)形式

每個中繼環(huán)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(diào)節(jié)螺絲自由調(diào)節(jié)，在圓角方向可以根據(jù)需要局部或整體調(diào)節(jié)，具有良好的止水性能，并且可更換密封橡膠圈。每道中繼環(huán)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(guān)。傳感器模擬信號進(jìn)入自動化控制系統(tǒng)。

4.2.2 中繼環(huán)布置

為保證糾偏設(shè)計，第一個中繼環(huán)設(shè)置在工具頭后50 m位置，考慮到頂進(jìn)長度640 m區(qū)間內(nèi)土質(zhì)主要為冰磧黏土層，國內(nèi)類似施工經(jīng)驗較少，為減少由于頂力過大而產(chǎn)生軸線方向的失穩(wěn)，所以在該區(qū)段增加中繼環(huán)配置數(shù)目，第二個中繼環(huán)設(shè)置在200 m處，第三個中繼環(huán)布置在350 m處，共布置3個中繼環(huán)。頂進(jìn)長度303 m的區(qū)段則需要設(shè)置2個中繼環(huán)，第一個中繼環(huán)位于50 m處，第二個中繼環(huán)位于200 m。其余幾個頂管區(qū)段均只在工具頭后50 m處設(shè)置1個中繼環(huán)。

4.3 頂管施工自動化控制系統(tǒng)

1）自動化控制概況：頂管工程管內(nèi)設(shè)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(nèi)信號屏蔽影響，操作人員聯(lián)系困難，很難實現(xiàn)設(shè)備聯(lián)動。

我公司自主研發(fā)的頂管計算機(jī)控制系統(tǒng)（圖2）已順利解決這一難題，并在多個國內(nèi)大型頂管施工項目中實踐運(yùn)用過。本工程擬運(yùn)用頂管PLC施工自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)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(nèi)設(shè)備，而且對工具管及管內(nèi)所有設(shè)備傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、顯示、保存，并對設(shè)備故障進(jìn)行報警，實現(xiàn)了頂管自動化遠(yuǎn)程控制。

圖2 頂管計算機(jī)控制系統(tǒng)

2）系統(tǒng)介紹：本系統(tǒng)通過CC-Link現(xiàn)場總線，將工具頭、中繼環(huán)、后座主頂?shù)仍O(shè)備連接起來，最后連到地面中控室操作臺，對管線所有設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)控，即構(gòu)成上位機(jī)系統(tǒng)；再通過有線或無線方式組建局域網(wǎng)，將施工現(xiàn)場信息傳送到項目部，形成遠(yuǎn)程客戶端。本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有可靠性高、穩(wěn)定性好、擴(kuò)展性強(qiáng)、實時性快等優(yōu)點；現(xiàn)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(gòu)筑物及現(xiàn)存管線的措施及保護(hù)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(nèi)覆土最大為5.9 m，最小為3.4 m。由于當(dāng)?shù)毓穬蓚?cè)沒有積水渠道，所以積水會滲入公路兩側(cè)地勢較低的位置。

穿越公路的區(qū)間長度為640 m，由于公路兩側(cè)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(cè)地下水位在管頂標(biāo)高上方，該段在不啟動中繼環(huán)的情況下后座頂力最大可達(dá)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(jìn)行加固，以增加土質(zhì)承載力，減少在穿越公路時由于頂力過大且覆土較淺導(dǎo)致洞口處發(fā)生隆起，影響后期頂進(jìn)。壓密注漿深度為3 m，間隔1.5 m設(shè)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(jìn)行壓漿，水灰比1∶0.5。由于該處土質(zhì)滲透性較差，壓密注漿過程中采用低壓進(jìn)行逐步滲透，每次提升50 cm，保持固定壓力一定時間后繼續(xù)提升，直至提升至地表高程，出現(xiàn)冒漿現(xiàn)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(jìn)過程中如果頂力大于設(shè)計頂力的60%則立即啟用中繼環(huán)，降低每個區(qū)間范圍內(nèi)的頂力，防止由于頂力過大而出現(xiàn)徑向分力，導(dǎo)致管節(jié)出現(xiàn)隆起的現(xiàn)象。頂進(jìn)過程中，由于只有一班組工人進(jìn)行作業(yè)，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?shù)臅r必須先進(jìn)行全線補(bǔ)漿，然后使用中繼環(huán)進(jìn)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(jiān)測單位對管線沉降變化量進(jìn)行監(jiān)測。在工具頭通過前和通過后監(jiān)測頻率為1次/d，通過過程中監(jiān)測頻率為2次/d。針對每日的監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整進(jìn)水壓力和泥漿壓力，如果數(shù)據(jù)顯示管節(jié)有隆起現(xiàn)象，則在頂進(jìn)過程中減小進(jìn)水壓力，反之則增大進(jìn)水壓力。

1）穿越φ508 mm燃?xì)夤軈^(qū)間。本段頂管采用人工開挖的形式掘進(jìn)，其中工具管由普通管節(jié)制作：在雄頭側(cè)預(yù)埋厚10 mm鋼板，再將與管節(jié)外徑相同的鋼環(huán)與雄頭焊接，鋼環(huán)寬度200 mm，同時鋼環(huán)內(nèi)側(cè)均布20個肋板進(jìn)行支撐。

頂進(jìn)作業(yè)過程中開挖面不超過鋼環(huán)長度，即每次人工作業(yè)向前開挖200 mm，掘進(jìn)過程中先對作業(yè)面中心土體進(jìn)行開挖，然后視土質(zhì)情況決定其余區(qū)域的作業(yè)順序。如果土質(zhì)較軟，則在中心土體開挖完成后通過后座頂進(jìn)將周邊土體擠入管內(nèi)；如果土質(zhì)較硬，則通過對周邊土體進(jìn)行松動后再用后座進(jìn)行頂進(jìn)，以減少作業(yè)量。由作業(yè)面挖出的土體通過2輛小車分別從管內(nèi)運(yùn)出后平鋪在場地堆場處。該區(qū)間內(nèi)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(cè)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(yè)。同時在洞口安裝4處限位板，可以輔助觀測管節(jié)的頂進(jìn)偏差。接近穿越φ508 mm燃?xì)夤軙r，計算好每日工作效率，保證在一個工作日內(nèi)完成開挖面通過燃?xì)夤?，確保燃?xì)夤? m范圍內(nèi)不停止頂進(jìn)，防止由于土體松動后影響上方現(xiàn)存管節(jié)。

2）穿越9條管線區(qū)間。在由工作井向接收坑頂進(jìn)區(qū)間長度156 m內(nèi)，其中長度46 m范圍內(nèi)共有9條燃?xì)饧拜斢凸?，對于該段現(xiàn)存管線也采取完全暴露監(jiān)測的方式進(jìn)行保護(hù)，該段計劃在最后一段進(jìn)行頂進(jìn)。該區(qū)間頂進(jìn)之前，確定在當(dāng)?shù)氐耐临|(zhì)下頂進(jìn)的最優(yōu)長度，并且對每日監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，及時確定第二日的控制參數(shù)，由于現(xiàn)存管線已經(jīng)暴露，所以穿越區(qū)間覆土較淺，通過貝雷梁懸吊保護(hù)好現(xiàn)存管線，而后對工具頭進(jìn)行開挖，后續(xù)管節(jié)通過埋管施工工藝?yán)^續(xù)完成。

4.4 施工測量

4.4.1 施工過程中測量

由于本區(qū)段頂管為直線頂管，測量儀器采用激光經(jīng)緯儀，由于出國人員數(shù)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(zhǔn)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(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀。

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

控制點放樣和軸線復(fù)核可以通過當(dāng)?shù)貙I(yè)測量公司完成。

4.4.2 管節(jié)標(biāo)高測量

按照當(dāng)?shù)毓ぷ饕?，一周最多允許工作6 d，有1 d的休息時間，可以利用規(guī)定休息日對管節(jié)的管底標(biāo)高進(jìn)行測量，監(jiān)測管節(jié)是否出現(xiàn)軸線上的失穩(wěn)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(jiān)測和平時施工過程中日常巡視相結(jié)合的方式進(jìn)行監(jiān)控，以便及時發(fā)現(xiàn)問題，采取措施。

同時在重點區(qū)域的管節(jié)內(nèi)設(shè)置透明管，管內(nèi)用水填充滿，在管外側(cè)設(shè)置刻度，頂進(jìn)過程中觀測該管內(nèi)液位變化，從而能更快捷地觀察出該位置的管節(jié)是否出現(xiàn)上下方向的失穩(wěn)現(xiàn)象。

5 結(jié)語

本文結(jié)合背景工程的復(fù)雜地質(zhì)條件、復(fù)雜施工條件的特點，對頂管機(jī)設(shè)備及頂管施工技術(shù)開展研究，得到以下成果：

1）自主研發(fā)、設(shè)計、制造了適應(yīng)于冰川沉積物特性復(fù)雜地質(zhì)條件的可調(diào)節(jié)式泥水平衡頂管機(jī)，可適用于不同性質(zhì)土層、軟硬不均地質(zhì)條件下的頂管施工，并為頂管施工使用于各類復(fù)雜地質(zhì)條件提供了設(shè)備支持。

2）進(jìn)一步完善頂管施工工藝及施工技術(shù)，為今后解決不良性質(zhì)土質(zhì)、復(fù)雜地質(zhì)條件頂管工程提供技術(shù)支撐。

本文的研究成果將實現(xiàn)泥水平衡頂管機(jī)適用于加拿大地區(qū)各類復(fù)雜地質(zhì)條件的頂管工程，在加拿大工程建設(shè)中廣泛應(yīng)用，其社會效益和經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。