閆喜彬

（北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司工程建設(shè)管理分公司，北京 100083）

1 概述

隨著城市建設(shè)步伐的不斷加快，大量地下燃?xì)夤艿赖姆笤O(shè)與管網(wǎng)改造工程也隨之產(chǎn)生。傳統(tǒng)的開槽管道施工方法存在破壞已有路面和基礎(chǔ)設(shè)施、影響交通、擾亂居民生活等缺點(diǎn)，而非開挖施工技術(shù)可以通過不開挖（或少開挖）地表的情況下完成管線的敷設(shè)、維修和更新，有效地減少開槽管道施工的影響，在大城市被廣泛采用。作為非開挖施工技術(shù)的一個主要分支，機(jī)械頂管施工技術(shù)日趨成熟，在穿越建（構(gòu)）筑物、河流、道路、管道施工中發(fā)揮了越來越重要的作用。

目前常用的機(jī)械頂管施工法有土壓平衡和泥水平衡兩種方式，土壓平衡頂管施工法采用螺旋輸送機(jī)排土，主要適用于大口徑頂管施工，而泥水平衡機(jī)械頂管施工法適用性相對較廣，該項(xiàng)技術(shù)近幾年在北京的燃?xì)夤こ淌┕ぶ械玫搅藦V泛的應(yīng)用。

2 泥水平衡機(jī)械頂管原理及特點(diǎn)

2.1 原理

泥水平衡頂管掘進(jìn)施工法是通過輸送泥水管道將配置好的泥水送至掘進(jìn)機(jī)泥水倉，并通過建立一定的壓力來平衡切削刀盤前部的地下水壓和切削面的泥土壓，保證切削面穩(wěn)定；而被切掘出的泥土或經(jīng)過碾碎的石塊與泥水混合后，通過流體輸送系統(tǒng)將混合泥水排送到地面，進(jìn)行泥水分離處理，經(jīng)沉淀后的泥水再循環(huán)利用，土渣運(yùn)走。在整個施工過程中，操作人員通過操作臺上的監(jiān)視屏必須隨時(shí)觀察頂進(jìn)土壓、泥水壓力、切削力矩、調(diào)節(jié)頂進(jìn)速度，保證施工地表隆起或沉降控制在最小的范圍內(nèi)。泥水加壓頂管掘進(jìn)系統(tǒng)是由頂管掘進(jìn)機(jī)、主頂裝置、泥水循環(huán)輸送系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、注漿裝置、地面起重設(shè)備以及泥水處理裝置等組成。

2.2 頂管特點(diǎn)

（1）適用的土質(zhì)范圍廣?？筛鶕?jù)土質(zhì)條件的不同，選擇安裝與之相適應(yīng)的刀盤。安裝在切削刀盤上的滾刀可對礫石等進(jìn)行一次破碎，圓錐破碎機(jī)對進(jìn)入破碎室的石塊進(jìn)行二次破碎，使石塊被破碎成能進(jìn)入排泥管的尺寸，即在壓縮強(qiáng)度高的砂礫、巖石層和地下水壓力很高以及變化范圍較大的地質(zhì)條件下，都能進(jìn)行高效率的施工。

（2）地表沉降小。通過泥水加壓，可有效地保持切削面的穩(wěn)定，對頂管周圍的土體影響較小，引起地表面的隆起或沉降也比較小，可以有效地控制地表沉降小于10mm。

（3）頂進(jìn)速度快且能夠長距離一次頂進(jìn)距離。使用泥水輸送方式排土，可連續(xù)進(jìn)行掘進(jìn)施工，提高了頂進(jìn)速度。與其他類型的頂管施工比較，泥水加壓頂管所需要的總推進(jìn)力相對比較小，尤其在黏土層中施工更為突出，特別適用于長距離頂進(jìn)施工。

（4）工作環(huán)境優(yōu)越。通過中央控制盤進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控操作，實(shí)現(xiàn)了機(jī)內(nèi)無人化，工作井內(nèi)作業(yè)環(huán)境較好，安全性高，不存在吊運(yùn)棄土、搬運(yùn)土方等容易發(fā)生危險(xiǎn)和危及工作人員安全的問題。

3 不同土質(zhì)下泥水平衡機(jī)械頂管設(shè)備及施工方法的選擇

為了使泥水壓力能在頂管機(jī)刀盤前部形成一層泥膜，保證挖掘面土層的穩(wěn)定，根據(jù)土質(zhì)不同，一般要求泥水的比重在1.05~1.25kg/m3 ，動黏度在15~60Pa.s，另外在較軟的黏土層中，需要適當(dāng)提高泥水壓力。在滲透系數(shù)較小或比較適中的砂土層或砂性土層中，由于切削斷面容易失穩(wěn)，應(yīng)相應(yīng)增加泥水的相對密度，必要時(shí)在泥水中除加入一定的黏土外，還須加入一定比例的膨潤土或其他添加劑，以保持泥水性質(zhì)的穩(wěn)定。在砂礫層中施工，泥水管理尤為重要，必須保持泥水有較高的黏度和較大的相對密度，施工時(shí)需要在反復(fù)循環(huán)的泥水中不斷地加入一些黏土，才能使切削斷面不會因?yàn)槟嗨牟环€(wěn)而產(chǎn)生變化。

3.1 設(shè)備的選擇

在施工準(zhǔn)備前，頂管的設(shè)備選型尤為重要。施工人員可根據(jù)土質(zhì)條件的不同，選擇安裝與之相適應(yīng)的刀盤，這也是泥水平衡適用的土質(zhì)范圍廣泛的原因之一。由于土質(zhì)情況非常復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中，刀盤的形狀、刀頭的數(shù)量等都會有變化。其中，采用砂礫型刀盤，可破碎的最大礫石直徑一般為管徑的1/3；當(dāng)?shù)[石的大小超過這一范圍時(shí)，應(yīng)選用巨礫型刀盤。根據(jù)礫石性質(zhì)、巨礫的含有率、強(qiáng)度等指標(biāo)的變化，設(shè)計(jì)更適用的刀盤形狀，可破碎礫石的大小可達(dá)到管徑的2/3。在巨礫石地質(zhì)情況下需仔細(xì)分析后再選擇刀盤形式。

3.2 施工方法的選擇

3.2.1 砂性土層

對于泥水平衡機(jī)械頂管施工來講，砂性土比較密實(shí)，是一種良好的土質(zhì)。在頂進(jìn)過程中，砂礫被水流沖散帶出不易堵塞管道，切削阻力小，無需刀盤破碎，頂進(jìn)速度較快。根據(jù)流體力學(xué)，通過一定通流截面的含砂水流流量（流速）越大，水流中所能飽和的含砂量也越大，故可以通過較大的流量來完成快速掘進(jìn)。

3.2.2 淤泥質(zhì)土層

淤泥質(zhì)土很軟且粒度小，在該層中掘進(jìn)的切削阻力比在砂性土中的還要小，也不會堵塞管道。由于無論頂進(jìn)速度如何，頂管的切削阻力幾乎不變，因此管道可以在流量較小的狀態(tài)下被快速頂進(jìn)。在頂進(jìn)過程中，機(jī)頭前方的土層容易被沖空，導(dǎo)致機(jī)頭下沉，故要控制流量、注意下沉糾偏，并且避免在停止頂進(jìn)時(shí)開閥沖刷機(jī)頭。

3.2.3 黏土層

在該土層頂進(jìn)時(shí)會存在一個明顯的特征，當(dāng)水中含泥濃度較高時(shí)，管道易被堵塞，頂進(jìn)速度變慢，而當(dāng)水中含泥濃度較低時(shí)則情況相反。

因?yàn)樵跊_刷進(jìn)水口時(shí)，清水可以有效地把黏土溶解帶出，而含泥濃度較高時(shí)就很難把堵塞點(diǎn)沖開。所以，頂進(jìn)時(shí)有條件的頻繁換水可以有效解決管道堵塞問題，加快頂進(jìn)速度。

3.2.4 巖石土層

一般來講，選擇具有切削和破碎能力的刀盤便能在巖石土層中掘進(jìn)，但還要控制頂進(jìn)速度，盡量放慢。慢速頂進(jìn)可以減少刀盤上的切削量從而降低切削阻力；同時(shí)調(diào)低刀盤轉(zhuǎn)速，以減少刀盤被巖層卡住時(shí)發(fā)生的瞬間沖擊力。

3.2.5 雜填土層

地下工程施工經(jīng)常會遇見木樁土層或者回填土地質(zhì)，這種土質(zhì)往往還會伴隨著柳釘、鐵塊等，它們在彎曲的泥水管線中不易被水帶出，會滯留在管道轉(zhuǎn)折較大的變截面處，此后不斷地堆積會造成管道堵塞。碰到此類情況時(shí)，可以放棄排泥泵，將泥水直接排放到工作井中，這樣做就會直接去除最易堵塞的部位，同時(shí)要盡量加大進(jìn)水流量，沖洗掉滯留在管道中的雜物。由上述可知，通過設(shè)備選擇和施工方法的變化便可以發(fā)揮泥水平衡機(jī)械頂管在各種土層中的適用性。在施工前還需要注意的是，施工過程中泥水平衡機(jī)械頂管覆蓋的土層厚度應(yīng)大于管外徑的1.5倍，覆蓋土層最小值應(yīng)為2.5m，最大礫石直徑應(yīng)在適應(yīng)范圍內(nèi)；在不能更換刀盤和刀頭的情況時(shí)，刀頭的磨損度應(yīng)在所規(guī)定范圍內(nèi)。

4 泥水平衡機(jī)械頂管在燃?xì)馐┕ぐ咐龖?yīng)用

在近年來北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)的管線建設(shè)中，非開挖技術(shù)的利用主要集中在穿越道路、河流等地段，其中泥水平衡機(jī)械頂管技術(shù)的使用較為頻繁。下面就簡要介紹分析懷密天然氣供氣工程以及燃?xì)獾叵鹿芫€隱患消除工程（和平里05中壓線）這兩個工程中泥水平衡機(jī)械頂管技術(shù)的應(yīng)用。

4.1 卵、礫地層頂管工程

該工程為懷密燃?xì)庖黄诠こ蹋ù┰骄┟苈范危?，施工長度約為140m。京密路為交通樞紐、交通流量大，道路管理方對于工程的沉降控制、工期均有嚴(yán)格要求，且施工段以卵石層為主，部分卵石粒徑400~500mm，礫石含量60%~70%，含砂率為20%~30%，軸線段無地下水。通過綜合考慮工程地質(zhì)勘察結(jié)果、項(xiàng)目工期要求、穿越段京密路的現(xiàn)況等諸多因素，決定采用破碎式泥水平衡頂管施工工藝代替原有的明開挖方案。

在設(shè)備選型方面，與設(shè)計(jì)單位、施工單位討論研究后選取了DH-1350型號頂管機(jī)。作為大功率且具有二次破碎能力的頂管機(jī)，該設(shè)備可以能通過各類切削刀盤的更換來滿足不同地質(zhì)條件下的項(xiàng)目施工，當(dāng)然也適用于本工程。由于卵石會對刀盤產(chǎn)生較大的磨損，從而影響頂進(jìn)速度，為降低這種影響，采用耐磨焊條堆積對刀盤進(jìn)行強(qiáng)化。

在實(shí)驗(yàn)段施工期間，發(fā)現(xiàn)被破碎排出的礫石粒徑均小于20mm，低于正常值。排泥管道經(jīng)常被泥水倉內(nèi)的渣土堵塞，渣土排出變得不連貫，以致于頂進(jìn)過程被中斷，同時(shí)掘進(jìn)面上方地表有泥漿冒出，造成嚴(yán)重的泥漿損失，泥漿循環(huán)無法正常進(jìn)行，渣土便無法順利排出。針對該問題，經(jīng)多方討論后提出以下解決方法：

穿越段的土層礫石含量大，土壤滲透性強(qiáng)，為解決泥水倉礫石未能及時(shí)運(yùn)出導(dǎo)致排泥管被堵塞這一問題，采取增大泥水比重來配合開挖面的泥水平衡，而且通過增加管道內(nèi)液體流速來提高泥漿的攜渣效率；采用注漿加固的措施來對穿越段影響范圍內(nèi)的地表薄弱處進(jìn)行填補(bǔ)，可以在一定程度上穩(wěn)定開挖面的泥漿壓力。這些方案的實(shí)施保證了工程質(zhì)量和工期，這也是破碎式泥水平衡頂管技術(shù)和設(shè)備在北京地區(qū)燃?xì)夤こ淌┕ぶ械氖状螒?yīng)用。

4.2 砂層頂管工程

該工程為燃?xì)獾叵鹿芫€隱患消除工程（和平里05中壓線）穿越北護(hù)城河段，穿越長度為71 m，穿越的土層主要粉細(xì)砂層，有地下水。施工中的難點(diǎn)是頂進(jìn)坑靠近現(xiàn)況居民樓，水平距離9.2 m，坑深12.7 m，開挖工作坑時(shí)不能對居民樓造成任何傷害且不能采取降水施工；粉細(xì)砂層在地下管道污水、河水共同作用下形成流沙，影響了頂進(jìn)坑的開挖施工。

經(jīng)過多方討論后，對原方案進(jìn)行調(diào)整：由土壓平衡機(jī)械頂管改為泥水平衡機(jī)械頂管，采用NP-1050泥水平衡頂管機(jī)，管徑也由DN1550調(diào)整為DN1050，從而減少了頂進(jìn)坑的深度；迅速封底，采取措施盡快使底板強(qiáng)度達(dá)到要求，待底板強(qiáng)度達(dá)到要求后，在井內(nèi)采用小導(dǎo)管方式，從底部向上注漿填充井壁后空隙，此后直到重新開挖之前可停止抽排水；采取地面注漿方式加強(qiáng)帷幕注漿效果；加強(qiáng)對周邊構(gòu)筑物的監(jiān)測。

頂進(jìn)過程中為防止管道與土體摩擦造成的土層結(jié)構(gòu)破壞，同步注入潤滑泥漿，并保持泥漿壓力，泥漿壓力在0.08~0.12MPa。經(jīng)過調(diào)整后，泥水平衡頂管工藝保證工程順利完工，也確保了工程安全和質(zhì)量。

5 結(jié)束語

通過以上兩個案例可以了解到，泥水平衡頂管施工技術(shù)在燃?xì)夤こ添?xiàng)目中的作用?？偨Y(jié)來說，泥水平衡頂管施工管理的重點(diǎn)是保證挖掘面穩(wěn)定的同時(shí)，維持線形、構(gòu)筑管線結(jié)構(gòu)、盡早填充土體空隙。由此在施工前必須根據(jù)環(huán)境情況、地質(zhì)及水文條件、設(shè)計(jì)文件要求等，在實(shí)驗(yàn)段的基礎(chǔ)上，確定具體施工參數(shù)及管理重點(diǎn)；施工過程中要根據(jù)監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)結(jié)果不斷優(yōu)化參數(shù)控制，最終確保施工安全、質(zhì)量、進(jìn)度、成本預(yù)期目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。