李才波

（廣東省基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 廣州510620）

0 引言

哈爾濱市為我國(guó)東北三省重要的省會(huì)城市，近年來(lái)為了緩解交通壓力、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，開(kāi)始進(jìn)行地鐵2號(hào)線、地鐵3號(hào)線的建設(shè)。泥水平衡矩形頂管施工技術(shù)在哈爾濱軌道交通地鐵2號(hào)線人行過(guò)街隧道中首次被應(yīng)用，泥水平衡矩形頂管施工具有占地面積小、不開(kāi)挖路面、不封閉交通、減少管線搬遷、低噪音、無(wú)揚(yáng)塵、不擾民等優(yōu)點(diǎn)。

冬季高寒低溫是影響東北“三省四市”城市基礎(chǔ)建設(shè)的主要因素，哈爾濱作為東北三省最北部的省會(huì)城市，冬季尤為漫長(zhǎng)，在每年10月中下旬即進(jìn)入冬季施工階段，次年4月仍可能出現(xiàn)降雪天氣，即冬季施工接近6個(gè)月。

哈爾濱地鐵2號(hào)線某車站1號(hào)人行出入口矩形頂管工程恰在2020年11月進(jìn)入冬季施工，為保障地鐵2號(hào)線在2021年順利通車，本項(xiàng)目擬定了《大耿家站冬季施工方案》，方案結(jié)合泥水平衡矩形頂管的施工特點(diǎn)，參考多個(gè)泥水平衡盾構(gòu)冬季施工方案編制。

本文主要針對(duì)泥水平衡矩形頂管冬季施工方案施工過(guò)程中冬季泥水循環(huán)系統(tǒng)的保溫、施工作業(yè)空間的供暖措施、管節(jié)吊裝工序過(guò)程中暖棚內(nèi)溫度的控制、活動(dòng)棚的合理性以及物料保溫控制等方面進(jìn)行論述，方案總結(jié)出一系列可以保障泥水平衡矩形頂管冬季施工質(zhì)量的措施、可以提高建設(shè)效率的保溫加熱系統(tǒng)，為頂管工程今后在東北三省冬季施工提供參考依據(jù)。

1 工程概況

哈爾濱市地鐵2號(hào)線某車站1號(hào)出入口工程頂管段自東向西穿越松北大道主干道（見(jiàn)圖1），采用泥水平衡矩形頂管掘進(jìn)機(jī)，管節(jié)截面尺寸7 700 mm×4 500 mm，頂管段長(zhǎng)度48.4 m。工作井設(shè)置在南向北側(cè)綠化帶內(nèi)，接收端位于車站站廳層，采用棄殼接收施工工藝，工期4個(gè)月，自2020年11月至次年2月。

圖1 施工現(xiàn)場(chǎng)Fig.1 Construction Site

2 氣候概述

哈爾濱冬季漫長(zhǎng)寒冷干燥，多西北風(fēng)，全年平均氣溫3.5℃，1月最冷，七八月最熱，全年無(wú)霜期約150 d，結(jié)冰期約190 d。區(qū)內(nèi)季節(jié)性凍土發(fā)育。從10月末開(kāi)始凍結(jié)，至翌年3月中旬開(kāi)始融化，最大凍結(jié)深度2.05 m，標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度2 m。哈爾濱近三年來(lái)10月至次年1月的每月平均/最低氣溫如表1所示。

表1 近3年哈爾濱氣溫Tab.1 Temperature in Harbin in Recent Three Years

3 冬季施工技術(shù)措施

某車站頂管施工10月底進(jìn)入冬季施工準(zhǔn)備階段，在高寒氣溫下進(jìn)入冬季施工的主要措施為保溫、供暖及活動(dòng)棚設(shè)置等其他保障措施。

3.1 頂管工程施工保溫措施

該工程頂管工程施工設(shè)施根據(jù)部位不同可分為地面設(shè)施和井內(nèi)設(shè)施，其中地面設(shè)施主要包括泥水分離器、進(jìn)排漿管道、泥漿循環(huán)池、渣土池。地下設(shè)施包括頂進(jìn)千斤頂、泥水循環(huán)管道、油泵站、管節(jié)頂管機(jī)程控室、配電室等。其中涉及泥水的設(shè)施均需進(jìn)行保溫。從頂管施工場(chǎng)地及頂管工程施工工藝特點(diǎn)方面綜合考慮，頂管工程頂進(jìn)施工保溫主要分為4個(gè)方面：①泥漿池、渣土池及泥水分離器搭建保溫棚；②搭設(shè)頂管施工工作井保溫棚；③搭設(shè)物料保溫棚；④泥水循環(huán)、降水井抽水管道保溫。

泥水設(shè)施保溫棚尺寸為20 m×10 m×7.5 m；工作井保溫棚直接設(shè)置在工作井冠梁上，尺寸為14 m×12 m×2.5 m；物料保溫棚位于人行出入口通道頂板上部，尺寸為14 m×12.5 m×6 m。保溫棚采用輕鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行搭設(shè)，鋼屋架底部設(shè)置4個(gè)集裝箱式扣件通過(guò)固定銷直接扣在鋼板上，鋼板用膨脹絲與冠梁面連接。保溫棚頂及側(cè)壁采用120 mm厚擠塑聚苯乙烯泡沫板，擠塑板作為保溫材料具有良好的保溫性能、較高的抗壓強(qiáng)度等［1］。導(dǎo)熱系數(shù)為0.041 W/m·K，保溫棚內(nèi)外均設(shè)置溫度計(jì)監(jiān)控溫度。

結(jié)合頂管機(jī)施工工藝特點(diǎn)，為方便管節(jié)吊裝下井、井下設(shè)備維修，工作井保溫棚不設(shè)側(cè)墻直接采用三段屋架扣在井口冠梁上，如圖2所示，尺寸分別為①14 m×5 m×2.5 m，②14 m×3 m×2.5 m，③14 m×4 m×2.5 m，其中②節(jié)為管節(jié)上下井活動(dòng)棚，頂管管節(jié)尺寸7.7 m×4.5 m×1.5 m，考慮到活動(dòng)棚在起吊過(guò)程中造成工作井的熱量損失、吊裝過(guò)程中的安全距離、場(chǎng)地受限等方面因素，方案策劃在第③節(jié)，即頂進(jìn)方向后部設(shè)置活動(dòng)棚起落架，管節(jié)下井時(shí)將第②節(jié)棚就近放置在第③節(jié)起落架上方，該措施節(jié)約了管節(jié)下井時(shí)間，經(jīng)施工過(guò)程統(tǒng)計(jì)約100 min，與無(wú)棚狀態(tài)下的管節(jié)下放環(huán)節(jié)相比僅增加約20 min。

圖2 工作井保溫棚Fig.2 Working Well Insulation Shed

泥水循環(huán)管道是泥水平衡式頂管機(jī)施工必不可少的一部分，管道連接著泥水分離區(qū)及工作井施工區(qū)。在工作井保溫棚及泥水設(shè)施保溫棚間存在直接裸露位置，若不采取保溫措施，管道泥水將會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)凍結(jié)，為保證在高寒情況下泥水循環(huán)過(guò)程中泥水正常循環(huán)，通過(guò)組合試驗(yàn)方案擬采用伴熱帶、保溫棉對(duì)管道進(jìn)行加熱保溫，流程如下：泥水循環(huán)管道?伴熱帶?熱量反射膜?玻璃棉?塑料帶。

施工過(guò)程：泥水循環(huán)管道直徑125 mm，布設(shè)管道時(shí)留有伴熱帶纏繞工作面，每間隔10 mm螺旋纏繞伴熱帶，如圖3所示，為防止堵管時(shí)爆管在快速接頭處預(yù)留500 mm長(zhǎng)伴熱帶，而電伴熱是用電能量來(lái)補(bǔ)充在工藝流程中所散失的熱量，從而維持流動(dòng)介質(zhì)最合理的工藝溫度［2］，故鋪設(shè)完成后通電試熱，測(cè)試通過(guò)后沿管道走向鋪設(shè)熱量反射膜及玻璃棉，每鋪設(shè)一段后用塑料扎帶扎緊，通電后采用水銀溫度計(jì)測(cè)量管壁及保溫棉內(nèi)部溫度，確定溫度在5℃以上視為驗(yàn)收通過(guò)，伴熱帶溫度設(shè)置采用溫控器隨室外溫度變化進(jìn)行調(diào)整，驗(yàn)收通過(guò)后方可注入循環(huán)泥漿以確保泥漿不產(chǎn)生“掛壁”情況，在頂管機(jī)施工過(guò)程中，電工巡查人員定時(shí)監(jiān)測(cè)管壁及保溫棉內(nèi)部溫度，確保頂管正常頂進(jìn)期間及工作間歇期間泥漿溫度達(dá)到使用要求。

圖3 伴熱帶纏繞Fig.3 With Tropical Entanglement

3.2 頂管冬季施工供暖系統(tǒng)分析

本次冬季施工室外溫度-21℃～-32℃，室內(nèi)溫度的設(shè)置是關(guān)鍵分析內(nèi)容。方案初步策劃：根據(jù)人體穿著單衣在室內(nèi)適宜的溫度24℃為基數(shù)，需要考慮的因素如下：頂管施工作業(yè)人員需要隨時(shí)進(jìn)行室內(nèi)外工作面切換、人員進(jìn)出暖棚穿脫需要穿脫方便、室內(nèi)外溫差過(guò)大會(huì)產(chǎn)生人體不適（室內(nèi)施工出汗現(xiàn)象、室外寒風(fēng)侵襲），保溫棚溫度初步設(shè)置為：24℃-5℃=19℃。通過(guò)與多名作業(yè)人員交流溫度對(duì)體感的影響，基本確定室內(nèi)溫度控制在18～19℃，作業(yè)人員在此溫度區(qū)間脫去棉衣施工較為適宜，同時(shí)外出作業(yè)前穿戴厚棉衣后可較快適應(yīng)室外溫度。

暖棚內(nèi)供暖加熱措施分為2種：①熱風(fēng)炮供暖（供熱功率100 kW，燃油動(dòng)力），如圖4?所示；②蓄熱式電鍋爐供暖（80 kW，電能，三檔設(shè)置），如圖4?所示。

圖4 暖棚內(nèi)供暖加熱措施Fig.4 Heating Measures in the Greenhouse

熱工計(jì)算參數(shù)：

泥水保溫棚體積V1=20 m×10 m×7.5 m=1 500 m3；工作井保溫棚體積V2=12 m×14 m×9 m=1 512 m3；物料保溫棚體積V3=14 m×12.5 m×6 m=1 050 m3；環(huán)境溫差△T=19℃-（-27℃）=46℃；聚苯乙烯泡沫板保溫系數(shù)K=3.0；熱風(fēng)炮供熱功率為100 kW/臺(tái)；工作井井深為9 m。

3.2.1 熱風(fēng)炮數(shù)量計(jì)算

W1=△T×V1×K=46×1 500×3=207 kW＞100 kW

A1≈2臺(tái)；

W2=△T×V2×K=46×1 512×3=208.65 kW＞100 kW

A2≈2臺(tái)；

W3=△T×V3×K=46×1 050×3=144.9 kW＞100 kW

A3=2臺(tái)。

式中：W1為泥水保溫棚供暖所需功率；W2為工作井溫棚供暖所需功率；W為物料保溫棚供暖所需功率；△T為室外與室內(nèi)溫差；V1為泥漿保溫棚總體積；V2為工作井保溫棚總體積；V3為物料保溫棚總體積；K為聚苯乙烯泡沫板保溫系數(shù)。

泥漿保溫棚熱風(fēng)炮所需數(shù)量A1=2臺(tái)；工作井保溫棚所需數(shù)量A2=2臺(tái)；物料棚所需數(shù)量A3=2臺(tái)?？傆?jì)所需熱風(fēng)炮臺(tái)數(shù)A=A1+A2+A3=6臺(tái)。

3.2.2 電鍋爐數(shù)量計(jì)算

電鍋爐供暖采用XDDGL-80 kW柜式智能電鍋爐，定額功率為80 kW/臺(tái)，額定電壓為380 V，有效供暖面積900 m2（普通民房），層高按3 m計(jì)算。

S1=20×10×（7.5/3）=500 m2；

S2=12×14×（9/3）=504 m2；

S3=14×12.5×（6/3）=350 m2；

S1+S2+S3=1 354 m2＞900 m2。

式中：S1為泥水保溫棚供暖面積（m2）；S2為工作井溫棚供暖所需面積（m2）；S3為物料保溫棚供暖所需面積（m2）。

暖棚共需要2臺(tái)智能電鍋爐。

電費(fèi)：0.68元/kW·h；熱風(fēng)炮燃油消耗值：8 L/h；柴油費(fèi)用：5.5元/L。

經(jīng)濟(jì)對(duì)比：

電鍋爐24 h使用費(fèi)用=

80 kW×24 h×2×0.68元/kW·h=2 611.2元

熱風(fēng)炮24 h使用費(fèi)用=

24 h×8 L/h×6×5.5元/L=6 336元

從安全、高效、節(jié)能、恒溫、環(huán)保、清潔考慮，方案擬采用2臺(tái)80 kW的電鍋爐及若干組暖氣片進(jìn)行水暖供熱。

電鍋爐體積較小可放置在物料棚內(nèi)，1號(hào)電鍋爐負(fù)責(zé)給遠(yuǎn)距離的泥水分離器保溫棚供暖，2號(hào)電鍋爐負(fù)責(zé)給物料保溫棚以及工作井活動(dòng)棚供暖。泥水分離器保溫棚內(nèi)設(shè)置24個(gè)暖氣片，均分布在泥漿池側(cè)壁，確保泥漿保持在14℃左右；工作井活動(dòng)棚內(nèi)設(shè)置27個(gè)暖氣片，主要分布在吊裝管節(jié)以及洞門附近，目的是為了給隧道內(nèi)提供熱量以及快速提升因活動(dòng)棚起落造成的溫度損失，并對(duì)剛下井的管節(jié)進(jìn)行升溫，確保其在進(jìn)入洞門前恢復(fù)至0℃以上；在物料保溫棚設(shè)置9個(gè)暖氣片，主要分布在膨潤(rùn)土攪拌處以及四周墻體上，保證物料保溫棚的達(dá)到19℃，保證工作人員的工作效率，該類供暖方式為蓄熱式電采暖，而蓄熱式電采暖不僅經(jīng)濟(jì)效益好，而且可以有效地減少環(huán)境污染，提高工作質(zhì)量，社會(huì)效益十分明顯，電鍋爐系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 電鍋爐系統(tǒng)Fig.5 Electric Boiler System

3.3 頂進(jìn)施工溫度控制

3.3.1 管節(jié)溫控措施

泥水平衡式頂管掘進(jìn)機(jī)在頂進(jìn)過(guò)程中需要吊裝管節(jié)下井，而管節(jié)插口位置需要進(jìn)行密封膠圈的黏貼，管節(jié)密封橡膠圈其材質(zhì)為氯丁橡膠及遇水膨脹橡膠的復(fù)合體，該類復(fù)合橡膠圈有良好的物理機(jī)械性能，耐油，耐熱，耐燃，耐日光，耐臭氧，耐酸堿，耐化學(xué)試劑。缺點(diǎn)是耐寒性和貯存穩(wěn)定性較差。在-28℃的氣溫下，該復(fù)合橡膠圈的塑性會(huì)下降，若直接在低溫環(huán)境下進(jìn)行管節(jié)的拼裝，則可能導(dǎo)致密封橡膠圈脆性破裂。所以管節(jié)進(jìn)場(chǎng)后粘貼密封橡膠圈，為保證密封橡膠圈及粘接膠的性能穩(wěn)定，密封橡膠圈及粘結(jié)膠儲(chǔ)存在泥水設(shè)施保溫棚內(nèi)進(jìn)行恒溫存儲(chǔ)，在管節(jié)吊裝下井前安排專人對(duì)承插口處進(jìn)行噴燈預(yù)熱后黏貼密封橡膠圈，以確保膠條拼裝質(zhì)量。

3.3.2 物料棚溫控措施

觸變泥漿在靜置或受震條件下分別呈凝膠或溶膠狀態(tài)。在泥水平衡式頂管施工過(guò)程中觸變泥漿至關(guān)重要，觸變泥漿在頂管頂進(jìn)過(guò)程中主要起到減阻潤(rùn)滑的作用，減小管節(jié)對(duì)土體的擾動(dòng)，為此，需往泥漿中加入化學(xué)處理劑（如純堿），以增加粘土的分散性和漿液的穩(wěn)定性，加強(qiáng)土顆粒的水化作用、降低泥漿的失水量，保持適當(dāng)?shù)某矶龋?］。泥漿拌和后的停滯時(shí)間應(yīng)在12 h以上。在泥水平衡式頂管機(jī)冬季施工過(guò)程中關(guān)于觸變泥漿發(fā)酵溫度的控制是影響觸變泥漿效果的關(guān)鍵因素，物料保溫棚溫度通過(guò)水暖氣片控制溫度，保證在19℃，水暖氣片如圖6所示。

圖6 水暖氣片F(xiàn)ig.6 Water Radiator

3.3.3 泥漿及渣土外運(yùn)措施

頂進(jìn)過(guò)程中泥水循環(huán)分離后的土方存放在泥水設(shè)施保溫棚內(nèi)，泥水設(shè)施保溫棚大門利用活動(dòng)簾布進(jìn)行遮蓋，泥水分離器篩分出土?xí)r，門簾掀開(kāi)后采用挖機(jī)進(jìn)行倒運(yùn)出棚，渣土完成倒運(yùn)后歸堆，渣土在-25℃的溫度下，外部表層結(jié)冰，內(nèi)部渣土溫度保持在0℃以上，及時(shí)清運(yùn)不影響渣土裝車，渣土在運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)與車體發(fā)生凍結(jié)，進(jìn)入棄土場(chǎng)后需要挖機(jī)輔助卸渣。泥漿外運(yùn)采用棉布對(duì)車身進(jìn)行包裹，添加防凍劑，預(yù)防泥漿凍結(jié)在車箱內(nèi)，冬季泥漿車如圖7所示。

圖7 冬季泥漿車Fig.7 Winter Mud Truck

4 結(jié)語(yǔ)

⑴本次冬季施工是泥水平衡式矩形頂管機(jī)在高寒地區(qū)的首次應(yīng)用，方案采用電鍋爐水暖系統(tǒng)的方式對(duì)保溫棚進(jìn)行供暖，有效的克服了低溫對(duì)泥水循環(huán)系統(tǒng)的影響，確保了泥水平衡式矩形頂管機(jī)正常頂進(jìn)。

⑵大耿家站人行通道在冬季順利貫通，證明了泥水平衡頂管機(jī)在高寒地區(qū)的適應(yīng)性，為今后類似工程在東北地區(qū)施工提供了參考依據(jù)，同時(shí)該工程的成功實(shí)施也加快了東北地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的速度。