泥水平衡頂管技術(shù)在隧洞工程中的應(yīng)用

李成花，王慶凱，馮燦

（淮河工程集團(tuán)有限公司，江蘇 徐州 221018）

1 項(xiàng)目概況

高湖西頭新引用水源地建設(shè)工程中的恒茂隧洞頂管施工區(qū)，位于江西省靖安縣高湖鎮(zhèn)西頭村－靖安縣城自來水廠沿線，工程區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單，地下水的類型主要為松散層孔隙潛水、基巖裂隙水。區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)條件及巖土工程特性主要體現(xiàn)在頂管通過地形山體較雄厚，山坡較陡，頂管穿越山體高程最高點(diǎn)為350m，樁號(hào)0+387～0+422 為鞍部，高程為230m，樁號(hào)0+900～0+922m 為鞍部，高程為290m；頂管沿線分布地層自上而下依次為含砂粘土、全風(fēng)化花崗閃長巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗閃長巖、弱風(fēng)化花崗閃長巖，厚度依次為1～10m、7.3～19.6m、10.5～19.4m，弱風(fēng)化花崗閃長巖鉆探未揭穿。

2 泥水平衡頂管技術(shù)

2.1 工作井與接收井開挖支護(hù)措施

圍護(hù)結(jié)構(gòu)使用了倒掛井支護(hù)墻，采用倒掛逆向循環(huán)往下施工，即自上而下循環(huán)開挖支護(hù)的方式。覆蓋層人工填土方采用長短臂挖機(jī)開挖，保護(hù)層采用人工開挖，利用1.0m3斗容反鏟挖土機(jī)將開挖的渣土裝入密閉式的自卸載重汽車內(nèi)，運(yùn)輸至棄渣場(chǎng)。井壁護(hù)壁支護(hù)墻采用倒梯形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

工作井及接收井與功能井外空間采用粉質(zhì)黏土回填，一般含水率25%～30%，壓實(shí)度≥90%。

2.2 管機(jī)、管材選用

本項(xiàng)目采用D1800mm 二次破碎巖石頂管機(jī)，型號(hào)為NPD-1800；該頂管機(jī)對(duì)強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化、微風(fēng)化具有極強(qiáng)的適應(yīng)性、針對(duì)性。為降低當(dāng)?shù)剀浻矌r和頂管機(jī)械的綜合作用，避免頂管內(nèi)外表面出現(xiàn)開裂問題，提高成品輸水管的質(zhì)量，降低輸水安全隱患，本項(xiàng)目將輸水工程中常采用的PCCP 管更改為新型JPCCP 管。

2.3 出土方案

泥水輸送方式采用全自動(dòng)形式，挖掘出的土渣在機(jī)艙內(nèi)通過攪拌與泥水混合形成泥漿后，由泥漿泵抽至泥水循環(huán)系統(tǒng)。泥漿循環(huán)系統(tǒng)由在工作井旁設(shè)置的三個(gè)泥漿池（長×寬×深=6m×3m×2m），將抽排出的泥漿循環(huán)至泥漿池內(nèi)，當(dāng)泥漿濃度達(dá)到一定稠度（一般是1.65）不能循環(huán)利用后，通過環(huán)保吸污罐車運(yùn)輸至指定地方，同時(shí)再調(diào)制新的工作泥漿供頂管施工循環(huán)利用。本項(xiàng)目采用環(huán)保吸污罐車抽排，不會(huì)污染沿途道路環(huán)境。

2.4 主要工序及措施

2.4.1 井下準(zhǔn)備工作及井內(nèi)布置

工作井的井內(nèi)布置包括：主頂油缸、油泵動(dòng)力站、后靠背、導(dǎo)軌、鋼制扶梯等；井內(nèi)留有800mm×800mm×1200mm（長×寬×深）的集水坑，用于井內(nèi)抽水，并設(shè)置了引水槽至積水坑；頂管基座位置的放樣以管道設(shè)計(jì)軸線為準(zhǔn)，并進(jìn)行安裝固定；準(zhǔn)確放置基座導(dǎo)軌并對(duì)其進(jìn)行加固，以保證基座的穩(wěn)定。

2.4.2 導(dǎo)軌及后頂?shù)陌惭b

軸線確定后，先安放后靠背，后靠澆筑混凝土，并以2cm 后鋼板作為受力面板。副導(dǎo)軌需經(jīng)導(dǎo)軌安裝完畢后，在預(yù)留洞口內(nèi)安裝，且保證其軸線和高程與主導(dǎo)軌保持一致，以防止機(jī)頭進(jìn)洞后低頭。

2.4.3 泥水系統(tǒng)控制措施

泥漿系統(tǒng)的主要作用是輸送挖掘出的渣土和平衡地下水。當(dāng)掘進(jìn)風(fēng)化巖時(shí)，在泥漿中加入膨潤土等粘性材料，增加泥漿的粘度來達(dá)到排渣的最終目的。通過振動(dòng)篩、循環(huán)沉淀器、干燥器等方式處理夾帶泥砂的泥漿。經(jīng)三級(jí)沉淀分離后，泥漿可以循環(huán)利用，渣質(zhì)積累后棄置處理。

2.4.4 進(jìn)出洞口的措施

在頂管頂進(jìn)之前，在工作井內(nèi)洞口處安裝環(huán)形橡膠止水圈，既能防止洞口處的水、土和泥漿從管外壁與洞門的間隙涌入工作井中，又能防止減摩漿在頂進(jìn)施工過程中從間隙處流失，保證完整的泥漿套來達(dá)到減小頂進(jìn)阻力的目的。現(xiàn)場(chǎng)需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)洞口漏泥、漏水等，并設(shè)置排污泵及時(shí)進(jìn)行抽排。

2.4.5 頂管頂進(jìn)與地層形變控制措施

在經(jīng)過對(duì)企業(yè)戰(zhàn)略管理與項(xiàng)目管理耦合重要性和必要性的分析以后，相關(guān)企業(yè)就要充分地意識(shí)到在企業(yè)實(shí)際的發(fā)展過程中促進(jìn)戰(zhàn)略管理與項(xiàng)目管理耦合是一種可行性建議，并且還要積極地采取有效的措施來進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)兩者有效合理的耦合。因此，企業(yè)可以通過強(qiáng)調(diào)企業(yè)戰(zhàn)略管理與項(xiàng)目管理耦合需要具有策略性、互動(dòng)性、共生性以及關(guān)聯(lián)性提供優(yōu)質(zhì)的發(fā)展條件。

由于地下水位高，土體松軟，機(jī)頭進(jìn)洞時(shí)應(yīng)加固機(jī)頭防止下落，保證機(jī)頭頂進(jìn)安全。用拉桿將機(jī)頭與后續(xù)管節(jié)連接起來，并在導(dǎo)軌上每間隔1m 設(shè)置兩個(gè)手拉葫蘆拉緊，保證機(jī)頭順利沿著導(dǎo)軌方向頂進(jìn)?？刂坪庙斶M(jìn)軸線偏差和糾偏量是保證管節(jié)沿設(shè)計(jì)軸線頂進(jìn)的關(guān)鍵。為保證頂進(jìn)方向持續(xù)控制在設(shè)計(jì)軸線范圍內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)通過控制臺(tái)顯示屏上的激光點(diǎn)及時(shí)調(diào)節(jié)糾偏油缸，要求操作規(guī)程嚴(yán)格、持續(xù)糾偏（單項(xiàng)糾偏角度為10′～20′，小于1°），及時(shí)出報(bào)表。

在頂管施工中，根據(jù)土質(zhì)類型、覆土厚度和地面沉降量以及測(cè)量報(bào)表的分析，來調(diào)整泥水與土壓的平衡值，且要求保持相對(duì)平穩(wěn)的坡度，控制糾偏量從而減少對(duì)周圍巖層的擾動(dòng)。根據(jù)頂進(jìn)速度、排泥量、地層變形量及時(shí)調(diào)整注漿量和注漿壓力，從而將軸線和地層變形控制在最佳狀態(tài)。

2.4.6 觸變泥漿減阻措施

在頂進(jìn)過程中，采用多點(diǎn)對(duì)稱壓注方式，在頂管機(jī)尾部與管道上的預(yù)留孔向管節(jié)外壁壓注泥漿，使泥漿均勻地填充在管節(jié)與土體的空隙，來減小管節(jié)外壁和土體間摩阻力，從而減小頂進(jìn)阻力；減摩泥漿采用觸變泥漿，要求泥漿保持不失水、不沉淀、不固結(jié)的狀態(tài)，根據(jù)不同的地質(zhì)情況及時(shí)調(diào)整泥漿的配比以達(dá)到預(yù)期的減摩效果。

泥漿套一方面起潤滑作用，減少頂管推力，另一方面可以支撐管道，防止周圍巖層變形；膨潤土具有疊層結(jié)構(gòu)，水分子進(jìn)入疊層之間產(chǎn)生膨脹，從而與頂管間形成泥餅，其具有高膨脹、低滲透、封閉性的特點(diǎn)，在頂推中，停留時(shí)間不宜過長，否則會(huì)產(chǎn)生較大的摩阻力；同時(shí)頂推擾動(dòng)會(huì)增加膨潤土的潤滑作用，其剪切力使膨潤土流限降低，頂管可以懸浮在泥漿套之中[1]。本項(xiàng)目通過不斷循環(huán)壓入新鮮泥漿，保持管道周圍泥漿的潤滑性。

2.4.7 出洞口的土體加固措施

根據(jù)頂管頂進(jìn)情況，在掘進(jìn)機(jī)到達(dá)接收井前，對(duì)地質(zhì)較差的洞口土體進(jìn)行注漿加固，范圍包括：洞口前5m 開始，洞口距管道外側(cè)2～3m的土體。

進(jìn)入接收井前，提前鑿除洞口的護(hù)壁砼，洞口直徑一般比管外徑大300～400mm。

進(jìn)入接收井后，掘進(jìn)機(jī)頭必須迅速、連續(xù)地頂進(jìn)管節(jié)，以縮短出洞時(shí)間。整個(gè)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)洞后，要及時(shí)分離機(jī)頭和管節(jié)，并按設(shè)計(jì)要求處理好管節(jié)和接收井的接頭，避免水土流失。

2.4.8 注漿措施

頂管頂進(jìn)完成后及時(shí)對(duì)頂管四周的縫隙進(jìn)行水泥漿充填，以防原始地形沉陷和地下水系流動(dòng)，水泥漿充填密實(shí)堅(jiān)固，所用設(shè)備參照觸變泥漿設(shè)備。注漿要求逐孔依次，水泥漿液要求均勻，無結(jié)塊和雜物。

在管道頂端空隙處每隔4～6m 打孔作為壓漿孔，同時(shí)使用管內(nèi)原泥漿減阻所使用的3 個(gè)Φ25 壓漿孔。

第一次注漿，每段注漿從第一孔開始，注漿時(shí)間以下一孔出漿為止，每段注漿完成后靜止6～8h 后進(jìn)行第二次注漿。第二次注漿壓力不變，直至合格為止，依次注完所有。為保證管道加固效果，測(cè)試后按需及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)漿，注漿結(jié)束后及時(shí)進(jìn)行清理設(shè)備，以防止注漿設(shè)備堵塞。

3 頂管施工重難點(diǎn)分析

3.1 刀盤刀具設(shè)計(jì)及處理

頂管機(jī)頭刀盤分為腹板式和面板式，據(jù)研究結(jié)果表明，腹板式刀盤開口率更大，尤其中心區(qū)域開口大，針對(duì)粘土、泥礫等復(fù)合地層，“結(jié)泥餅”現(xiàn)象較低；面板式刀盤的類“米”滾刀布置產(chǎn)生的經(jīng)向不平衡力和傾覆力矩更小，適合本項(xiàng)目的巖層地質(zhì)情況[2]。

另外，由于長距離頂管，刀盤長期破碎切削巖體造成刀具磨損，當(dāng)?shù)毒吣p過度將難以繼續(xù)破碎巖體，造成無法頂進(jìn)。

現(xiàn)場(chǎng)頂管機(jī)具備機(jī)內(nèi)開倉更換刀具功能，當(dāng)?shù)毒吣p過度無法頂進(jìn)或頂進(jìn)太慢時(shí)，采用機(jī)內(nèi)開倉更換刀具，及時(shí)更換新刀具后繼續(xù)向前頂進(jìn)。

3.2 長距離頂管電壓損失較大導(dǎo)致無法頂進(jìn)

原因：由于長距離頂管電壓損失較大，現(xiàn)簡(jiǎn)單計(jì)算全長1332m 電壓損失情況需要采用多大截面積電纜，計(jì)算電壓降以ΔU ≤19V 為符合要求，鋁芯電纜ΔU=18.78V ≤19V 或銅芯電纜ΔU=17.29V ≤19V。

解決措施：通常標(biāo)準(zhǔn)使用的機(jī)頭主電纜因電壓損失的問題已不能滿足長距離頂管施工的要求，動(dòng)力主電纜可采用五芯鋁芯電纜4×185+1×95 或五芯銅芯電纜4×120+1×50 即可解決電壓降問題。同時(shí)考慮溫度對(duì)于電壓降的影響，變壓器應(yīng)安裝帶檔位調(diào)節(jié)裝置，初期機(jī)頭進(jìn)洞可將變壓器電壓檔位調(diào)至385V，頂進(jìn)800m 時(shí)可將變壓器電壓檔位調(diào)節(jié)至400V，頂進(jìn)1000m 以上可將變壓器電壓檔位調(diào)至415V 以上，解決了因溫度影響的電壓降問題。

3.3 頂力過大

原因：長距離頂管時(shí)，因地質(zhì)的變化情況會(huì)導(dǎo)致摩擦力及迎面阻力逐步增加，經(jīng)理論計(jì)算會(huì)與實(shí)際頂管過程中產(chǎn)生偏差，實(shí)際頂力會(huì)出現(xiàn)超過管材承受的頂力或超出油缸頂力或超出后靠背能承受的頂力，則判斷頂力過大無法頂進(jìn)，如強(qiáng)行頂進(jìn)會(huì)導(dǎo)致管材破碎、后靠背開裂、油缸無法提供足夠的頂力等情況。

解決措施：該問題主要由地質(zhì)變化帶來的不確定因素，因此頂管始發(fā)前應(yīng)做好地勘的研究，判斷土質(zhì)變化的區(qū)間調(diào)整頂管參數(shù)，同時(shí)提前準(zhǔn)備注漿減阻和工作泥漿的制備，時(shí)刻監(jiān)測(cè)出渣的情況，不斷根據(jù)出渣的情況判斷土質(zhì)情況，不斷調(diào)整頂管參數(shù)和泥漿的比重，即可將頂力控制在可控范圍[3]。另外，根據(jù)實(shí)際情況，經(jīng)過受力分析增設(shè)中繼間確保施工安全頂進(jìn)。

3.4 中繼間數(shù)量確定

在頂管施工中，考慮頂管頂力與油缸提供的推力、管材允許承受頂力、后座墻提供的反作用力的對(duì)比，取其中最小值與頂管頂力進(jìn)行對(duì)比，考慮是否增加中繼間，經(jīng)計(jì)算本工程最大頂力為42936.22kN；油缸提供的推力為9600kN；管材允許承受頂力為4600kN；后座墻反作用力為16675.17kN，經(jīng)對(duì)比均不滿足施工頂力要求，需要增設(shè)中繼間。中繼間的設(shè)計(jì)原則以三者中最小能承受頂力管材許用頂力（F′=4600kN）為限值計(jì)算中繼間增設(shè)的數(shù)量，同時(shí)施工中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注管材的質(zhì)量，包括齡期、強(qiáng)度及外觀等。中繼間增加計(jì)算如式1。

中繼間的數(shù)量n 計(jì)算：

式中：n 為中繼間的數(shù)量（取整數(shù)）；D 為管道外徑，取2.26m；f 為頂管外表面的綜合摩阻力，取0.45t/m2；f0為中繼間的設(shè)計(jì)允許頂力，取管材許用頂力4600kN。

本段頂管需設(shè)置13 個(gè)中繼間，第一道中繼間的間距計(jì)算（按60%中繼間頂力計(jì)算），中繼間設(shè)置位置如式2。

式中：S′為中繼間的間隔距離（m）；k 為頂力系數(shù)，宜取0.5～0.6，取0.6；F2為頂管機(jī)迎面阻力，取400.4kN；F3為控制頂力，取4600kN；D 為管道外徑，取2.26m；f 為管外壁與土層平均摩阻力取4.5kPa。

取第一道中繼間布置位置L1=78.9m。后續(xù)中繼間間距按80%中繼間頂力計(jì)算，即k ＝0.8；后續(xù)中繼間頂推時(shí)，取F2＝0。

中繼間的間隔距離⊿S＝k（F3－F2）/（πDf）＝78.9m。中繼間的增設(shè)根據(jù)主成分析法分析，考慮頂力計(jì)算、經(jīng)濟(jì)成本和施工安全3 個(gè)要素層面，本項(xiàng)目安裝13 個(gè)中繼間。

4 結(jié)論

泥水平衡頂管施工技術(shù)在各類巖層中使用逐年增多，相比之前的爆破法施工，此類技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)是安全性，正確使用本技術(shù)，可以100%確保人員和設(shè)備安全；同時(shí)此技術(shù)針對(duì)本項(xiàng)目的巖層長度在國內(nèi)也較為罕見，施工過程中難免會(huì)遇到其他各種問題，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)可能出現(xiàn)的情況制定了對(duì)應(yīng)的措施和方案，同時(shí)做好施工記錄，以為進(jìn)一步提高類似施工質(zhì)量和效率提供施工參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)