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(guò)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(duì)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(kāi)挖面會(huì)卸載周圍巖體的壓力，因此會(huì)對(duì)周圍的建筑造成破壞，這就需要保證掘進(jìn)面的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。在地下掘進(jìn)過(guò)程中進(jìn)行相應(yīng)的支撐，如果支撐力大于最大壓力就會(huì)造成地表隆起；如果支撐力小于最小壓力就會(huì)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(duì)清徐對(duì)太原煤層氣輸氣管道施工工程第三標(biāo)段進(jìn)行研究，管線全長(zhǎng)約5 722 m，管徑為φ820×15.3 mm和φ820×20.5 mm。管線設(shè)計(jì)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L(zhǎng)415。該項(xiàng)目施工場(chǎng)地的復(fù)雜等級(jí)為二級(jí)，工程地基的復(fù)雜等級(jí)為三級(jí)，管道線路的勘察等級(jí)為丙級(jí)，該段的土質(zhì)主要為填土層，粘土層，砂土層及強(qiáng)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(jìn)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(guò)流入的泥水壓力來(lái)平衡掘進(jìn)過(guò)程中的巖體和地下水的外部壓力，泥水主要是通過(guò)泥漿泵來(lái)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(jìn)機(jī)頂管機(jī)頭后方預(yù)制密閉隔段，掘進(jìn)機(jī)的刀盤與密閉隔段之間的空間形成泥水艙。泥水通過(guò)相應(yīng)管道高速輸送到泥水艙，泥水在掘進(jìn)面上形成一道不透水的泥水薄膜，薄膜壓力會(huì)阻止泥水向掘進(jìn)面滲透。高壓泥水所產(chǎn)生的壓力會(huì)平衡掘進(jìn)過(guò)程中的巖體和地下水的外部壓力。掘進(jìn)機(jī)在施工過(guò)程中，刀頭切削的巖土?xí)苯铀腿肽嗨?，泥水艙?nèi)的攪拌機(jī)將巖土與水?dāng)嚢杈鶆颍瑪嚢韬蟮母邼舛饶酀{通過(guò)輸出管流入泥水分離系統(tǒng)，刀頭切削的巖土通過(guò)分離系統(tǒng)排出泥水艙，經(jīng)過(guò)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(jìn)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(huì)根據(jù)地質(zhì)條件來(lái)做出相應(yīng)的調(diào)整。因此針對(duì)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(shí)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(méi)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?？烧{(diào)控的泥水一般具有流動(dòng)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(diǎn)。泥水在掘進(jìn)過(guò)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(qiáng)風(fēng)化花崗巖。在掘進(jìn)過(guò)程中通過(guò)對(duì)不同的巖層結(jié)構(gòu)的泥水相對(duì)密度配制比例進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，可以保證掘進(jìn)工作線上方路面的安全性和強(qiáng)度，通過(guò)控制路面的上下位移來(lái)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(duì)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(jìn)面安全性和穩(wěn)定性通過(guò)穩(wěn)定安全系數(shù)來(lái)確定的。頂管施工掘進(jìn)面的穩(wěn)定安全系數(shù)與泥水相對(duì)密度的關(guān)系如下：

(1)

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

結(jié)合表1的參數(shù)可計(jì)算得到各巖土段的掘進(jìn)面穩(wěn)定安全系數(shù)，或者通過(guò)穩(wěn)定安全系數(shù)反推出相應(yīng)的泥水的相對(duì)密度，然后根據(jù)泥水的相對(duì)密度來(lái)隨時(shí)調(diào)整泥水的配比。根據(jù)計(jì)算，對(duì)于本工程填土層的內(nèi)摩擦角較小，泥水的相對(duì)密度約為0.325～0.568。對(duì)于粘土層的內(nèi)摩擦角大于填土層，泥水的相對(duì)密度約為1.122～1.356。對(duì)于砂土層的內(nèi)摩擦角接近于填土層，泥水的相對(duì)密度采用1.122～1.356。對(duì)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(duì)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(guò)泥漿分流器進(jìn)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(dòng)篩選出來(lái)。篩渣通過(guò)管道進(jìn)入泥漿凈化裝置，通過(guò)振動(dòng)、沉淀、脫水等工序反復(fù)處理。

2.3 頂管的測(cè)量和糾偏

頂管在掘進(jìn)過(guò)程中，掘進(jìn)路線測(cè)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(shí)配合頂管的精確測(cè)量和正確糾偏。頂管在掘進(jìn)過(guò)程中的進(jìn)度測(cè)量和方向控制，主要是通過(guò)激光經(jīng)緯儀和水準(zhǔn)儀來(lái)實(shí)現(xiàn)的，糾偏過(guò)程是通過(guò)液壓千斤頂實(shí)現(xiàn)的，測(cè)站的分布數(shù)量與頂管掘進(jìn)誤差關(guān)系如下：

(2)

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

通過(guò)計(jì)算誤差后，需要對(duì)頂管進(jìn)行曲線誤差糾偏，糾偏工作主要側(cè)重幾點(diǎn)：1)認(rèn)真核算，做好記錄。2)布設(shè)在頂管內(nèi)部測(cè)量?jī)x器需要避免掘進(jìn)位移，數(shù)據(jù)要進(jìn)行重復(fù)3次測(cè)量。3)糾偏角度應(yīng)該保持10°～20°。4)糾偏過(guò)程，液壓千斤頂要時(shí)刻注意頂進(jìn)角度和頂進(jìn)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(guò)程時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制頂管機(jī)壓泥水和補(bǔ)泥水的工序。頂管施工的壓泥水要及時(shí)補(bǔ)充，隨時(shí)填充掘進(jìn)機(jī)頭與隔板之間的距離以及糾偏產(chǎn)生的空隙。補(bǔ)泥水根據(jù)地質(zhì)情況隨時(shí)配制和補(bǔ)充，該工程主要使用動(dòng)壓粘性系數(shù)較小、流動(dòng)性好的泥水，以便在已有泥漿環(huán)的基礎(chǔ)上迅速填補(bǔ)缺失的泥漿。

3.2 掘進(jìn)過(guò)程旋轉(zhuǎn)過(guò)大

掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程中，由于刀頭不斷旋轉(zhuǎn)極容易產(chǎn)生掘進(jìn)機(jī)頭以及頂管旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。掘進(jìn)過(guò)程旋轉(zhuǎn)過(guò)大的原因主要是因?yàn)轫敼軣o(wú)法克服刀頭旋轉(zhuǎn)所帶來(lái)的反向力矩。如果掘進(jìn)機(jī)旋轉(zhuǎn)角度過(guò)大將導(dǎo)致糾正失敗，同時(shí)掘進(jìn)距離會(huì)隨著旋轉(zhuǎn)角度的增大而增大，整體的掘進(jìn)誤差會(huì)隨著掘進(jìn)距離的增大而增大。這給頂管的測(cè)量和糾偏帶來(lái)不良的影響，因此項(xiàng)目部在頂管掘進(jìn)前要采取以下工作方法：

1)在頂管掘進(jìn)過(guò)程中，工程技術(shù)人員要隨時(shí)觀測(cè)預(yù)支偏轉(zhuǎn)儀的即時(shí)數(shù)據(jù)，如果旋轉(zhuǎn)角度超過(guò)允許的范圍內(nèi)時(shí)，可采用控制刀頭的旋轉(zhuǎn)方向來(lái)進(jìn)行糾偏。如果旋轉(zhuǎn)角度恢復(fù)到允許的范圍內(nèi)時(shí)，就恢復(fù)刀頭原來(lái)的旋轉(zhuǎn)方向。

2)為了防止刀頭旋轉(zhuǎn)所帶來(lái)的反向力矩，可在頂管掘進(jìn)機(jī)內(nèi)需要糾偏的一側(cè)增加一定的配重，來(lái)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(jì)算刀頭的掘進(jìn)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(jìn)，通過(guò)此法來(lái)提高刀頭的正向力矩來(lái)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(jìn)形式。

4 結(jié)語(yǔ)

清徐對(duì)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(shí)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(jìn)技術(shù)的曲線軌跡誤差能控制在±5 cm以內(nèi)，頂管施工對(duì)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。