鄭海靖

（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院 山西太原 030024）

1 工程概況

柏葉口水庫龍門供水工程是柏葉口水庫向交城縣供水的配套工程。工程線路總長32.43 km，其中19.313 km為輸水管道工程。輸水管道工程橫穿整個(gè)縣城，沿線多次穿越公路、建筑物、河流。施工環(huán)境復(fù)雜，協(xié)調(diào)難度大，為了減小對周邊影響，部分采用頂管技術(shù)進(jìn)行施工。

2 工程地質(zhì)

輸水管道工程所經(jīng)過的地層主要為第四系全新統(tǒng)洪沖積（Q4pal）和人工堆積（QS）。 其中部分地表地層為Q4pal低液限黏土層，局部夾級配不良砂透鏡體及低液限粉土，沿線地下水位局部位于基底以上，地下水埋深較淺。

3 泥水平衡頂管技術(shù)的方案選擇

龍門供水工程在新舊307國道、宏特廠前后、青銀高速等幾處與管道的交叉處，地面以下2 m左右即為低液限黏土，開挖后呈泥漿狀態(tài)，傳統(tǒng)頂管施工方案無法實(shí)施，且這幾處均位于重要交通干線旁，若采用開槽埋管辦法進(jìn)行施工，會引起周圍構(gòu)筑物及道路不同程度的沉降，另一方面也會嚴(yán)重影響周邊交通，造成不必要的社會成本。

鑒于工程地質(zhì)和以上情況描述，工程優(yōu)選泥水平衡法頂管技術(shù)施工。泥水平衡頂管的原理，就是施工時(shí)通過進(jìn)水管向頂管機(jī)刀盤后的泥水倉內(nèi)輸入一定比重、黏度、壓力的泥水，并利用泥水倉內(nèi)的泥水壓力來平衡頂管機(jī)所在土層中的土壓力和地下水壓力，同時(shí)利用排泥管將刀盤削下的砂土變成泥水輸送至地面的一種頂管施工工藝，施工過程中基本不影響頂管上部的道路交通正常運(yùn)行。整個(gè)過程快捷、安全，對周邊環(huán)境的影響程度也降到了最低。

4 施工工藝及施工方法

本工程頂進(jìn)管采用DN1000球墨鑄鐵管（單節(jié)管長為6 m）。

4.1 泥水平衡頂管機(jī)型的選擇

泥水平衡頂管機(jī)型的選擇對頂管工程來說是非常重要的。根據(jù)本工程的地質(zhì)情況，決定采用全封閉泥水平衡大刀盤頂管機(jī)，該機(jī)采用了目前先進(jìn)的泥水平衡原理，具備雙重平衡功能，頂管機(jī)刀盤能自動平衡前端土壓力。同時(shí)，對刀盤后泥水倉內(nèi)進(jìn)行泥水加壓，從而又能平衡地下水壓力，這種雙重平衡頂管機(jī)在施工過程中具有沉降控制精度高、頂進(jìn)速度快、便于操作維修、安全可靠性好等特點(diǎn)。

此外，本工程所采用的頂管機(jī)還安裝了速度、傾斜檢測儀器，對整個(gè)頂進(jìn)過程進(jìn)行自動監(jiān)測。

全封閉泥水平衡大刀盤頂管機(jī)除了具備雙重平衡機(jī)理、自動化程度高、質(zhì)量易控制等特點(diǎn)外，還有以下主要特點(diǎn)：

1）本頂管機(jī)的前端刀盤始終處于浮動狀態(tài)，可自行控制刀盤的切土口大小，如果前方土壓力變小刀盤自動伸出，使刀盤切土口變小，使之相反。由于具備這種功能，可始終平衡前端的土壓力，從而避免前方土體的坍塌。

2）如果頂進(jìn)過程中，遇到含砂量較大的土層時(shí)，可通過調(diào)節(jié)泥水濃度，使刀盤與前端土體之間形成一層泥膜，增加砂層的粘度，從而穩(wěn)定前端土體，使頂進(jìn)過程始終處于平衡的最佳狀態(tài)，避免造成地面沉降。

4.2 施工工藝流程

施工工藝流程詳見圖1。

圖1 施工工藝流程

4.3 推進(jìn)最大頂力計(jì)算（以本工程青銀高速頂管為例）

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙顯示，頂進(jìn)管型號DN1000、頂進(jìn)距離72 m。

總頂力計(jì)算公式：F＝F1+F2

式中：F——總頂力；

Fl——迎面阻力；

F2——頂進(jìn)阻力。

式中：D機(jī)外——機(jī)頭外徑1.2 m；

P——控制土壓力。

式中：K?！o止土壓力系數(shù)，一般取0.55；

H。——地面至掘進(jìn)機(jī)中心的厚度，取最大值6 m；

γ——土的重度，取19 kN/m3。

式中：f——管外表面綜合摩阻力，此處取4.8 kN/m2；

D管外——管外徑1.18 m；

L——頂距，72 m。

F1=70.88 kN、F2＝1 280.52 kN， 因此， 總頂力F＝70.88+1 280.52=1 351.4 kN

根據(jù)以上計(jì)算，總頂力需1 351.4 kN，主頂油缸選用2臺200 t（2 000 kN）級油缸，完全滿足要求。

4.4 施工方法

4.4.1 工作井制作

根據(jù)本工程地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)，采用拉森Ⅲ型鋼板樁制作工作井，拉森Ⅲ型鋼板樁寬度適中，具有擋護(hù)強(qiáng)度高，止水效果好等優(yōu)點(diǎn)。

4.4.2 工作井內(nèi)的布置

工作井內(nèi)的布置主要有后靠背、止水裝置、導(dǎo)軌、主頂油缸、油泵車等。具體參見圖2“頂管工作井布置圖”。

4.4.2.1 后靠背安裝

后靠背是頂進(jìn)管道時(shí)為千斤頂提供反作用力的一種結(jié)構(gòu)。在施工中，后靠背設(shè)計(jì)要進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，其重要程度不亞于頂力計(jì)算，。在設(shè)計(jì)和安裝時(shí)，應(yīng)使其要有足夠的強(qiáng)度和剛度、且表面要平直、材質(zhì)要均勻。

4.4.2.2 止水裝置安裝

頂管機(jī)出洞、進(jìn)洞時(shí)，管道和洞口之間有一定的了保證頂管機(jī)進(jìn)、出洞時(shí)泥漿和地下水不會從外殼周圍涌出，需在洞口安裝止水裝置。

圖2 頂管工作井布置圖

4.4.2.3 導(dǎo)軌安裝

頂管機(jī)導(dǎo)軌的安裝和定位準(zhǔn)確與否，將直接影響到今后頂進(jìn)過程中的軸線準(zhǔn)確度，因此應(yīng)按設(shè)計(jì)軸線對導(dǎo)軌進(jìn)行準(zhǔn)確的放樣和安裝，從而避免機(jī)頭出洞時(shí)發(fā)生“磕頭”現(xiàn)象。

4.4.2.4 主頂油缸安裝

主頂進(jìn)系統(tǒng)為兩臺200 t單沖程等推力油缸，行程1 700 mm，總推力4 000 kN，兩臺主頂油缸組裝在油缸架內(nèi)，安裝后的兩臺油缸中心位置必須與設(shè)計(jì)圖一致，使頂進(jìn)受力點(diǎn)和后座受力都處于良好狀態(tài)。安裝后的油缸中心位置誤差應(yīng)小于10 mm。

4.4.2.5 油泵安裝和運(yùn)轉(zhuǎn)

主頂動力系統(tǒng)由兩臺大流量斜軸式軸向柱塞泵并聯(lián)進(jìn)行，配備大通徑電磁閥和系統(tǒng)管路，從而減少系統(tǒng)的阻力。油缸可單動和聯(lián)動。主頂動力系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)編程控制下，可通過變頻調(diào)速器進(jìn)行無級調(diào)速。全部控制過程由地面控制室進(jìn)行。油管布置時(shí)應(yīng)順直、轉(zhuǎn)角少。

4.4.2.6 頂管機(jī)就位、調(diào)試

頂管機(jī)下井后，為保證頂管出洞段的軸線控制，需對頂管機(jī)進(jìn)行精確定位，使頂管機(jī)中軸線與設(shè)計(jì)軸線相符。準(zhǔn)確定位后，頂管機(jī)須反復(fù)進(jìn)行調(diào)試，確定運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常，以保證頂管出洞和今后的頂進(jìn)順利。

4.4.3 管道頂進(jìn)

1）管節(jié)拼裝：管節(jié)吊放前先檢查止水橡膠圈無翻轉(zhuǎn)。吊放在前支架上要平穩(wěn)。管節(jié)拼裝時(shí)兩側(cè)要有人觀察，直到止水橡膠圈完全進(jìn)入鋼套內(nèi)。

2）連接進(jìn)回水管、壓漿管道后打開工作坑內(nèi)的進(jìn)回水閥、壓漿閥。

3）連接電纜：動力電纜、通訊電纜、視頻信號電纜、機(jī)頭控制電纜。各電纜接頭連接必須正確并牢靠，洞口預(yù)留電纜必須超過管節(jié)長度的1.5倍。

4）機(jī)頭送電：檢查機(jī)頭和操作臺之間的指令和信號傳輸是否正常。

5）啟動進(jìn)回水泵：檢查回水管出水是否正常，機(jī)頭內(nèi)回水壓力表是否平穩(wěn)。

6）打開截止閥、關(guān)閉旁通閥：打開或關(guān)閉機(jī)頭內(nèi)閥組時(shí)要認(rèn)真仔細(xì)地查看壓力表的讀數(shù)。打開截止閥時(shí)動作不能過快，以免回水管道淤堵時(shí)進(jìn)水壓力猛增沖破軟管或管接頭。打通回路以后，檢查泥水倉壓力是否正常。

7）啟動刀盤：根據(jù)機(jī)頭的轉(zhuǎn)角確定機(jī)頭正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。啟動過程中，注意刀盤電流和機(jī)頭轉(zhuǎn)角變化速度。

8）主頂頂進(jìn)：控制頂進(jìn)速度應(yīng)根據(jù)土層、管道覆土、泥漿濃度等綜合因素考慮。頂進(jìn)過程中需檢查主頂動力站各油管接頭、電磁閥是否漏油，后頂壓力是否正常。

9）軸線測量、控制：檢查測量儀器是否精確整平、后視點(diǎn)對點(diǎn)是否精確、儀器豎直度盤角度是否正確。調(diào)整儀器目鏡焦距，使激光點(diǎn)清晰地投到光靶上。根據(jù)測量結(jié)果確定糾偏方向和糾偏量，嚴(yán)格執(zhí)行“勤測、勤糾、緩糾”的原則。

10）糾偏參數(shù)：由于頂管機(jī)的口徑不同，所以一次糾偏行程的上限也不同。本工程頂管機(jī)糾偏參數(shù)不大于5 mm。

11）管道頂進(jìn)到位。

4.4.4 垂直運(yùn)輸和水平運(yùn)輸布置

本工程在地面設(shè)置25 t吊車進(jìn)行垂直運(yùn)輸，水平運(yùn)輸分為地下管內(nèi)運(yùn)輸和地面運(yùn)輸。由于采用泥水平衡頂管施工，地下管內(nèi)無需人工運(yùn)土，直接由排泥管通過排泥泵從泥水倉內(nèi)將泥漿輸出至地面。經(jīng)沉淀后，由自卸汽車運(yùn)至渣場。

4.5 機(jī)頭糾偏措施

在頂管機(jī)出洞之前，會因?yàn)闄C(jī)身和導(dǎo)軌摩阻力無法抵抗刀盤旋轉(zhuǎn)帶來的反向力，而造成頂管機(jī)偏轉(zhuǎn)，如果刀盤順時(shí)針轉(zhuǎn)，則頂管機(jī)往逆時(shí)針方向偏轉(zhuǎn)，反之則相反。

在頂進(jìn)過程中，由于機(jī)頭遇硬軟不均勻土層，也會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這種偏轉(zhuǎn)會影響整條已頂進(jìn)的管道。

可采取的措施：

1）通過控制主頂油缸調(diào)節(jié)頂進(jìn)速度進(jìn)行糾偏。

2）通過控制機(jī)頭的刀盤旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行糾偏。

3）通過在頂管機(jī)外壁焊接鋼板進(jìn)行糾偏。

4.6 頂管施工期間DN1000球墨鑄鐵管保護(hù)措施

管道頂進(jìn)過程中由于迎面土壓力的擴(kuò)散，使已頂進(jìn)的管道受到側(cè)向推力而位移。為了確保管道安全。應(yīng)做好以下工作。

4.6.1 施工監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)施及監(jiān)測

在頂管實(shí)施前，根據(jù)設(shè)計(jì)要求測放出擬建管道的中心軸線，然后在管道中心軸線上設(shè)置施工監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)的具體布置要求為：頂管工作井、接收井前后各30 m范圍內(nèi)縱向每隔5 m設(shè)置一點(diǎn)，其余部位每隔10 m設(shè)置一點(diǎn)；橫向位置上監(jiān)測點(diǎn)共設(shè)置5點(diǎn)，每隔4 m設(shè)置一點(diǎn)。

施工期間通過對上述監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)控，隨時(shí)監(jiān)測并了解管道周圍土體沉降、隆起曲線和最大沉降、隆起量，從而為頂管速度及泥水壓力的控制提供信息。對測點(diǎn)的監(jiān)測頻率可根據(jù)頂管機(jī)頭通過測點(diǎn)的時(shí)間和施工實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。在整個(gè)頂管施工過程中對測點(diǎn)進(jìn)行全過程跟蹤測量。

4.6.2 施工過程中頂管機(jī)的操作控制

1）操作人員在頂進(jìn)過程中應(yīng)加強(qiáng)對各項(xiàng)施工參數(shù)地監(jiān)控，如發(fā)現(xiàn)土體不穩(wěn)定或波動較大等現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)立即停止頂進(jìn)，并查明原因。

2）對機(jī)頭操作人員進(jìn)行詳細(xì)交底，使其能夠準(zhǔn)確地控制頂管軸線的偏差，確保機(jī)頭能按設(shè)計(jì)標(biāo)高頂至接收井。

3）機(jī)頭控制過程中，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況土壓力和泥水壓力應(yīng)控制在±20 kPa范圍內(nèi)，地面的隆起和沉降應(yīng)控制在1 cm內(nèi)。在頂進(jìn)過程中，只通過精確的控制，使土壓力控制在偏差范圍內(nèi)，則隆起和沉降可以做到1 cm內(nèi)，這樣對工程的影響就會很小。

4）頂管過程中，必須嚴(yán)格控制好頂進(jìn)和排泥速度，避免出現(xiàn)頂進(jìn)速度過快和排泥速度過慢等現(xiàn)象，始終保證土體的穩(wěn)定性。同時(shí)，整個(gè)頂進(jìn)過程要連續(xù)進(jìn)行，不得中斷。

4.6.3 工作井、管道內(nèi)通訊方式及監(jiān)控?cái)z像系統(tǒng)

為便于頂管施工，管道內(nèi)、工作井、地面操作和監(jiān)測人員采用對講機(jī)進(jìn)行隨時(shí)聯(lián)系。同時(shí)，在管道內(nèi)安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過監(jiān)控系統(tǒng)使地面控制室能及時(shí)掌握頂管機(jī)運(yùn)行狀況，從而對頂進(jìn)過程中發(fā)生的異常狀態(tài)做出及時(shí)處理。

5 結(jié)語

本工程采用泥水平衡頂管施工作業(yè)技術(shù)在山西省水利行業(yè)為首次使用，在施工過程中，相關(guān)設(shè)計(jì)單位派專家來到作業(yè)現(xiàn)場，就施工環(huán)境、機(jī)械設(shè)備使用及操作等事項(xiàng)進(jìn)行了檢查指導(dǎo)，并對龍門供水工程的這次大膽嘗試給予高度評價(jià)。同時(shí)，也為今后山西水利行業(yè)中該技術(shù)的應(yīng)用提供了一定的經(jīng)驗(yàn)。