泥水平衡頂管施工工藝探討

馮 斌

（長(zhǎng)沙市公共工程建設(shè)中心，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

0 引言

頂管施工在如今的市政、長(zhǎng)輸管道的施工中應(yīng)用尤其廣泛，是一種非開(kāi)挖敷設(shè)管道的施工方法。頂管施工主要是在土層下面進(jìn)行工程的作業(yè)，不需要進(jìn)行大面積的開(kāi)挖，對(duì)施工周?chē)h(huán)境的影響較小，施工的工期較短。頂管施工的范圍比較大，比較適用于土質(zhì)好、挖掘面穩(wěn)定、地面沉降較小的情況[1]。該方法主要借助頂進(jìn)設(shè)備在工作坑內(nèi)產(chǎn)生的頂力，將管道與周?chē)寥喇a(chǎn)生的摩擦力消除，根據(jù)設(shè)計(jì)的線(xiàn)路將管道安裝到位，之后將多余的土方清理干凈，并及時(shí)運(yùn)走[2]。完成一段管道施工之后，再繼續(xù)頂進(jìn)下一段管道。整個(gè)工作原理就是利用主頂油缸、中繼間的推力，將工具管或者是掘進(jìn)機(jī)通過(guò)工作坑向土層進(jìn)行推進(jìn)，直到進(jìn)入接收坑內(nèi)被吊起為止。隨著工具管或掘進(jìn)機(jī)進(jìn)入接收坑，管道也隨之進(jìn)入接收坑，在兩個(gè)工作坑之間進(jìn)行埋設(shè)[3]。圖1 為泥水平衡式頂管工藝原理。

圖1 泥水平衡式頂管工藝原理

1 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

1.1 施工準(zhǔn)備

在進(jìn)行施工前，相關(guān)人員需要熟悉合同文件、設(shè)計(jì)文件、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)相應(yīng)的施工工藝圖和施工流程進(jìn)行嚴(yán)格審查，防止在施工過(guò)程出現(xiàn)一系列的問(wèn)題。另外，施工前應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察，掌握管工程建設(shè)周?chē)牡匦巍⑺牡刭|(zhì)、地上及周邊建筑物、地下管道、障礙物等環(huán)境，再對(duì)原始信息進(jìn)行詳細(xì)的核實(shí)確認(rèn)，必要時(shí)，重新進(jìn)行工作坑的調(diào)查和勘探。地面和地下勘察控制系統(tǒng)應(yīng)到位，以確?？刂泣c(diǎn)不易受到干擾，同時(shí)還有利于相關(guān)人員開(kāi)展檢查工作。施工影響區(qū)內(nèi)的地表、相鄰建筑物和管道應(yīng)設(shè)置監(jiān)測(cè)觀察點(diǎn)。參與施工的單位和人員應(yīng)當(dāng)進(jìn)行施工前資質(zhì)審查，同時(shí)對(duì)各級(jí)施工人員進(jìn)行相應(yīng)的培訓(xùn)教育和安全技術(shù)交底[4]。

1.2 測(cè)量、糾偏

管道測(cè)量需要在觀景臺(tái)上安裝激光經(jīng)緯儀，經(jīng)緯儀發(fā)射的激光束提前預(yù)設(shè)好位置，且滿(mǎn)足工程施工過(guò)程中的要求。發(fā)射的激光束用作引導(dǎo)圓柱體的參考線(xiàn)。測(cè)量控制的原理是在機(jī)械掘進(jìn)過(guò)程中，掘進(jìn)機(jī)測(cè)量目標(biāo)的中心始終與激光光斑的中心重合，以確保掘進(jìn)機(jī)頂部的推進(jìn)方向符合設(shè)計(jì)方向。如果掘進(jìn)機(jī)在施工過(guò)程中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，相應(yīng)的激光光斑將遠(yuǎn)離目標(biāo)中心。偏差測(cè)量目標(biāo)的圖像將傳輸?shù)娇刂婆_(tái)上的監(jiān)視器，使檢查員能夠檢測(cè)偏差并采取糾正措施。糾偏磨削應(yīng)按照“經(jīng)常測(cè)量、頻繁磨削、多次微調(diào)”的原則，磨削角度應(yīng)小于0.5°，并提前設(shè)置偏差警告角。在拉管機(jī)的上、下、左、右方向安裝校正油缸，通過(guò)4 組油缸進(jìn)行4 個(gè)方向的校正工作，觀察并持續(xù)測(cè)量目標(biāo)圖像。若偏差超過(guò)20 mm 且有擴(kuò)大的趨勢(shì)，則應(yīng)停工進(jìn)行偏差測(cè)量。應(yīng)緩慢校正偏差，以便逐漸將管道連接重置為零，不允許大幅度的糾偏作業(yè)[5]。

1.3 頂進(jìn)工藝

頂管是否成功的關(guān)鍵在于頂管進(jìn)出洞的環(huán)節(jié)處理上，所以，在掘進(jìn)機(jī)進(jìn)洞之前，必須做好洞口的防護(hù)工作。通常在預(yù)留洞的周?chē)蛉肱蛎浡菟?，間距保持200 mm，然后將超過(guò)預(yù)留洞600 mm 的橡膠圈沿著外邊150 mm 的位置在膨脹螺栓上進(jìn)行固定。掘進(jìn)機(jī)進(jìn)洞之前，將多余的橡膠圈放在預(yù)留洞內(nèi)部，然后才能讓掘進(jìn)機(jī)進(jìn)洞。要做好地下水和流砂的處理，防止其涌入井內(nèi)，以保護(hù)預(yù)留洞的洞口。在掘進(jìn)機(jī)頭進(jìn)洞之前要對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行全面的檢查，確保試運(yùn)轉(zhuǎn)沒(méi)有問(wèn)題，止水膠板安裝位置核對(duì)無(wú)誤，外夾板安裝牢固才能進(jìn)洞。進(jìn)洞的時(shí)候，要觀察止水膠板，確保其均勻壓入，沒(méi)有出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)和破損等現(xiàn)象。掘進(jìn)機(jī)出洞的時(shí)候，要嚴(yán)格地對(duì)出洞時(shí)的頂進(jìn)偏差進(jìn)行控制，中心偏差要控制在50 mm 以?xún)?nèi)。如果以上條件不符合，就需要將掘進(jìn)機(jī)拉出來(lái)，再次進(jìn)行調(diào)整。

1.4 中繼站技術(shù)措施

充分利用中繼站的技術(shù)措施，可以有效解決泥水平衡頂進(jìn)施工中頂力不足的問(wèn)題，適用于長(zhǎng)距離施工。在連續(xù)頂進(jìn)的過(guò)程中，管道的摩擦阻力也會(huì)增加，此時(shí)，使用中繼站可以有效分擔(dān)主站的開(kāi)機(jī)壓力。管道可通過(guò)設(shè)置多個(gè)中繼站分段施工。此時(shí)，總站只負(fù)責(zé)最后一段管道頂進(jìn)，可以有效保證管道頂進(jìn)的施工進(jìn)度。

1.5 地下管線(xiàn)沉降保護(hù)措施

在從管道外的第一段鋼管進(jìn)入土層時(shí)，施工還需要保證核對(duì)的切割頭推力值與泥漿壓力差值保持在合理狀態(tài)。合理使用泥水平衡工藝能夠調(diào)節(jié)開(kāi)挖的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。通常情況下，當(dāng)該工藝運(yùn)用在較軟弱地層時(shí)，施工人員能夠?qū)⑵骄貙咏Y(jié)構(gòu)損失控制在2%以下，從而有效減少泥漿發(fā)生板結(jié)的概率。此外，廠家要對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置通電誤差趨勢(shì)進(jìn)行科學(xué)分析，通過(guò)合理地調(diào)節(jié)糾偏角度，將驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的誤差控制在30 mm 之內(nèi)[6]。圖2 為施工工藝流程。

圖2 施工工藝流程

2 泥水平衡頂進(jìn)施工工藝

2.1 普通泥水平衡頂進(jìn)工藝

泥水平衡頂進(jìn)是利用泥水壓力來(lái)平衡頂進(jìn)工作面的水壓力和土壓力，采用機(jī)械掘進(jìn)技術(shù)。通過(guò)掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)刀盤(pán)掘開(kāi)土層，將削切下來(lái)的土壤在泥水艙與水混合成泥水砂漿，排泥管不斷地把摻有棄土的泥水砂漿排出泥水艙。而泥水砂漿艙也要保證相應(yīng)的壓強(qiáng)，使掘進(jìn)機(jī)在有泥水壓力的情況下向前鉆進(jìn)。

該工法層次明確，操作簡(jiǎn)單，工作安全，易于掌握，能夠?qū)?fù)雜多變的地下?tīng)顩r進(jìn)行迅速反應(yīng)。頂管在地面運(yùn)行，安全、直觀、簡(jiǎn)單。適合的土壤范圍廣泛，軟泥、黏土、細(xì)砂土、砂礫土、硬壤土等均能應(yīng)用。施工精度高，上、下、左、右均可補(bǔ)偏救弊，最大糾正偏離角達(dá)到2.5°，且能做較遠(yuǎn)距離頂進(jìn)。對(duì)管體周?chē)耐馏w擾動(dòng)較小，地面沉降少，道路交通及構(gòu)筑物相對(duì)安全。操作坑內(nèi)施工環(huán)境較好，采用泥水輸送棄土，沒(méi)有吊土、搬運(yùn)土方，施工無(wú)安全風(fēng)險(xiǎn)。但該工藝要求土中的礫石直徑不大于6 cm。圖3 為泥水平衡頂管施工工法。

圖3 泥水平衡頂管施工工法

2.2 巖石機(jī)頂進(jìn)工藝

巖石頂管頂進(jìn)是一種以全斷面切削土體，并將土中的大顆粒礫石進(jìn)行粉碎，以泥水砂漿加壓結(jié)構(gòu)來(lái)均衡土壓與地下水壓的壓力差，并將泥水砂漿作為輸送棄土介質(zhì)的機(jī)械自動(dòng)化頂管施工法。

巖石頂管機(jī)頂進(jìn)系統(tǒng)主要由掘進(jìn)機(jī)（包括二次破碎設(shè)備）、作業(yè)平臺(tái)和附屬設(shè)備組成?？删幊炭刂乒癜惭b在機(jī)頭內(nèi)部，地面操作平臺(tái)發(fā)出動(dòng)作信號(hào)控制機(jī)頭動(dòng)作，隨著工具管的前進(jìn)，切割盤(pán)不斷旋轉(zhuǎn)，進(jìn)水管不斷供應(yīng)泥水，排泥管不斷排出泥漿水箱中混有廢渣的泥漿。

掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)由位于主軸左右兩端的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)，刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)以切割土壤和砂礫，同時(shí)進(jìn)行偏心運(yùn)動(dòng)以壓碎石頭。只有當(dāng)泥倉(cāng)與泥倉(cāng)間隙較小時(shí)，碎石才能進(jìn)入泥倉(cāng)，并從排水管排出。一般情況下，刀盤(pán)每分鐘旋轉(zhuǎn)4～5 次，刀具旋轉(zhuǎn)1 次，偏心破碎動(dòng)作達(dá)20～23 次。由于機(jī)器的特殊配置，因此它的破碎能力可破碎直徑6 cm 以下的石塊，破碎的強(qiáng)度可達(dá)100 MPa。遇到風(fēng)化巖層或大粒徑礫巖需要二次破碎，第一次掘進(jìn)滾刀破碎將礫巖破成大塊，進(jìn)倉(cāng)后二次破碎將大塊礫巖破碎成直徑小于6 cm的小塊與泥漿一起排出，即使是直徑16 cm 的石塊也可以絞碎。若出現(xiàn)較大孤石，由于并非全斷面流砂，可采用加大泥漿濃度、加大刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)速度并同時(shí)降低機(jī)頭推進(jìn)速度的方式，將較大石塊絞碎，之后恢復(fù)頂進(jìn)。

需要注意的是頂進(jìn)過(guò)程機(jī)頭容易出現(xiàn)下沉。如果工程的施工地段在粉細(xì)砂土的區(qū)域，在頂進(jìn)過(guò)程中很容易出現(xiàn)頂管機(jī)偏下走的情況，即使及時(shí)地進(jìn)行糾偏處理也很難進(jìn)行改善。其主要的原因是頂管機(jī)本身的重量過(guò)大，在工作的時(shí)候很容易產(chǎn)生過(guò)于劇烈的振動(dòng)，從而影響土質(zhì)，使其液化，進(jìn)而削弱了其應(yīng)有的承載力?；蛘哂捎谂錾狭藘蓚€(gè)不同性質(zhì)的土層，而下層的土質(zhì)太軟，泥水壓力很難進(jìn)行有效的控制。為了解決這個(gè)問(wèn)題，最好的方法就是放慢施工的進(jìn)度，將泥漿濃度調(diào)低，或者將頂管機(jī)的機(jī)頭略微向上進(jìn)行調(diào)整，就能較好地解決機(jī)頭下沉的問(wèn)題。另外，泥水管容易出現(xiàn)堵塞。在施工的過(guò)程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)泥水管的沉淀或堵塞的問(wèn)題，這樣就會(huì)影響泥水管當(dāng)中泥水的正常流動(dòng)，進(jìn)而影響頂管機(jī)的正常推進(jìn)。出現(xiàn)這樣的問(wèn)題主要原因是排泥泵的效率過(guò)低，不能產(chǎn)生足夠的流量，使臨界的流速高于泥水管內(nèi)的實(shí)際流速，從而出現(xiàn)泥水管堵塞的現(xiàn)象。同時(shí)，在頂管機(jī)停止工作的時(shí)候，沒(méi)有將管內(nèi)進(jìn)行徹底的沖洗也會(huì)堵塞泥水管。針對(duì)以上的問(wèn)題，可以通過(guò)以下的應(yīng)對(duì)措施來(lái)進(jìn)行有效的解決：①進(jìn)行泥漿的凈化，使泥漿的沖擊力得到提升，結(jié)合施工的具體情況，適當(dāng)?shù)丶哟笏退?；②全面檢查排泥泵的性能，及時(shí)更換那些不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的排泥泵，在停止推進(jìn)作業(yè)的時(shí)候，認(rèn)真沖洗排泥管道，避免出現(xiàn)管道的沉淀和堵塞。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著現(xiàn)代城市建設(shè)的不斷完善和發(fā)展，泥水平衡法頂管技術(shù)已經(jīng)比較成熟，其安全性和可靠性均有保障，而且施工的優(yōu)勢(shì)比較明顯，因此使用范圍比較廣泛。隨著我國(guó)建筑施工工藝的不斷發(fā)展，頂管施工的作用將更加突出，其應(yīng)用效果也會(huì)更好，這就需要相關(guān)的施工技術(shù)人員不斷進(jìn)行泥水平衡頂管技術(shù)的探索，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，使泥水平衡頂管施工工藝得到更廣泛的應(yīng)用。