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摘要: 泥水平衡顶管技术具有环境干扰小安全性高等优点，被广泛应用于穿越公路、铁路、河流、建筑物，以及闹市区、古迹保护区等限制开挖地段的各种铺设。本文介绍泥水平衡顶管技术的施工工艺，分析了施工常见的问题，并提出有效的防治措施。
关键词：泥水平衡式顶管；问题；措施
引言
随着城市建设的快速发展，各种地下市政工程也不断增多，尤其是地下管网的增速更为迅猛。为解决开挖施工与市政设施正常运行之间日益突出的矛盾，非开挖穿越施工技术应运而生。作为非开挖施工方法之一的泥水平衡顶管技术，以其对环境干扰小、不污染环境和安全性高等优点，被广泛应用于穿越公路、铁路、河流、建筑物，以及闹市区、古迹保护区等限制开挖地段的各种铺设。本文介绍泥水平衡顶管技术的施工工艺，分析了施工常见的问题，并提出有效的防治措施。
一、泥水平衡式顶管施工工艺
泥水平衡顶管技术是一门综合地质学、建筑学、市政工程学等多门学科的新型施工技术，施工工艺涉及电子技术、机械、液压控制及材料力学、化学等多门学科。其施工原理是将至于工作中的微型掘进机通过主顶油缸向前推进至止水圈后，由电动机提供能量转动掘进机头刀盘来切削土层、粉碎石块，并使之进入泥水艙与泥浆混合，然后由泥浆系统的排泥管泵送至地面；与此同时，机头连同管道在持续顶进力的作用下，最终穿过土层到达接收井。在挖掘过程中，采用泥水平衡装置来维持水土平衡，使顶进管道始终处于主动与被动土压之间。
见图1。
图1泥水平衡式顶管工艺示意图
我们采用的泥水平衡式顶管掘进机械具有双重平衡功能,分成前后两段, 前段为泥水舱, 端部是切削土体的刀盘及刀架,后段为动力舱, 泥土排放是通过泥浆泵来实现的。
在敷设管道前,管线的一端事先建造一个工作井,井内的顶进轴后方,布置一组主油缸,将敷设的管道放在主油缸前面的导轨上,管道的最前端安装工具管。主油缸顶进时,以工具管开路推着前方的管子穿过工作井井壁上的预留孔将管道压入土中与此同时,进入工具管的泥土被不断挖掘排出管外,当坑内导轨上的管道几乎全部顶入土中后,缩回主油缸,将下一节管段吊下坑,安装在管段的后面,接着继续顶进,如此循环施工,直至顶入管线另一端的接收井中。
二、常见施工问题及防治措施
1、出洞时的方向失控
工具管出洞时,洞口一定范围的土体受到扰动,对顶管的方向控制非常不利；出洞后的工具管方向的准确与否也会给以后管子的方向控制带来影响。降低出洞时周围土体的扰动程度和控制好出洞后工具管姿态,是顶管顶进方向控制的最基础的工序要求。总结了以往的施工经验,我们认为不同的地层引起工具管出洞方向失控的原因不完全相同,宜采取相应的措施。
(1)淤泥质土或软粘性土
泥水平衡式工具管的重量较大,当土质的承载力较小时,在自身重力作用下,工具管容易产生“叩头”现象,从而引起顶管方向失控。某顶管工程,我们采用了以下4个措施,实现了对顶进方向的有效控制:①出洞时,给工具管预设一个向上的角度,可控制在3′～4′;②紧随工具管其后的几节管子的接头,用10～20螺栓纵向连接,提高管子的整体性;③工作井下沉时预设槽钢钢封门,在工具管出洞前及时拔出槽钢,如此,可缩短洞口土体暴露的时间,降低土体扰动程度;④对洞口周围土体进行注浆加固,改善土体性质。(参见图2)
图2防叩头措施示意图
(2)砂性土
这类土层中出洞时不宜给工具管设置向上的角度,因为砂性土承载力大,工具管向上纠偏容易,而向下纠偏则较为困难。实践也证实,砂性土层不存在类似淤泥质土层原因引起的“叩头”现象。
值得注意的是,在砂性土层中,特别是地下水位比较高的情况下,做好出洞时的洞口止水工作对顶管出洞的方向控制是至关重要的。如果洞口渗漏水,洞外的砂会随流水涌入井内,造成管子底部被掏空,引起工具管或管子下沉,顶进方向失控,进一步的顶进,也会引起管子失稳和破裂。因此,出洞时,首先应提高穿墙孔的止水能力,如可多设一道止水圈,或预埋穿墙管,设置可更换充气式止水圈:其次,可对洞口周体土体进行加固,如采取压密注浆、深层搅拌桩、高压旋喷桩等。某工程2#顶管工作井的洞口采用打高压旋喷桩和压密注浆相结合的加固方法,取得较为满意的效果。(参见图3)
图3顶管出洞口土体加固示意图
(3)腐植土等流塑状态的土层
泥水平衡式工具管是全封闭式,当其全断面上所得到主动土压力所造成的使掘进机械后退的力大于掘进机及管子周围摩阻力和它们与导轨间摩阻力的总和时,出洞初期就会发生掘进机及前几节管子后退。管子后退后,前方的土体就会发生不规则的坍塌。如果比较单一的土体,土体是延着滑裂面坍下的。这时,会使掘进机再次推进的方向失控。解决这一难题,通常可在洞口两侧各安装上一只手拉葫芦,当要把主顶油缸回收之前,设法用手拉葫芦把最后一节管子或掘进机拉住。另外,也可在主顶油缸回收之前,设法用柱子把管子抵住。
2地面沉降
(1)一般地,在淤泥质土、粘性土等渗透系数较小的土层中,采用泥水平衡式顶管机械,地面沉降是较易得到理想控制的。但因管壁触变泥浆引起的地面沉降应给予足够的重视。管壁触变泥浆套除了减阻作用,还起到填充因管道纠偏及管道外周附着一层粘土随顶进而形成的管道外周空隙的作用。这些空隙没有得以填实,就会引起地面沉降。从减阻角度考虑,泥浆套越厚越好,但从控制地面沉降考虑,泥浆套过厚,可能发生因地层损失引起地面沉降。理想的泥浆套应该厚度适宜,刚好能填充管壁外周空隙,形成连续状态。提高泥浆套填充空隙、减少地面沉降的效果,可从以下几点加以控制:
①采用机头同步注浆为主、机后砼管补浆为辅的压浆方法;
②合理布置压浆孔,以利于浆液形成环状。一般每6米设置一个注浆断面,每个注浆断面均布4个注浆孔;
③注浆压力基本维持在215 ×H( 为土层容重;H为管顶履土厚度),顶进时还需根据地面变形、地下水位等因素适当调整压力和压浆量;
④配置的触变泥浆要求粘滞度高(20～30s),失水量小(<14ml/30min)稳定性好,比重控制在1.10左右;
⑤顶管贯通后,应及时利用补浆孔进行换浆固化,换浆量略大于触变泥浆量。
(2)砂性土,其内聚力小,呈松散特性,自承时间极短,易受扰动;渗透系数大,泥水平衡作用不稳定,极易引起地面沉降。某工程9#井～泵站的顶管,该井段管线位置有一座3层高的建筑物,地质为砂性土。为了保证施工的安全度,我们采取了一系列措施,非常成功地控制了地面沉降,其最大沉降值只有4mm,这些措施主要是:
①适当提高刀盘设定压力,刀盘向前伸,使刀盘前的被动土压力增大;减少刀盘与刀头之间的空隙,调整主顶油缸顶进速度,控制排泥量,避免机头前端正面土体坍塌。
②全程绘制排泥量与管道顶进所需切除土体量的关系图,保持两者之间的动态平衡,及时准确地作出预测。
③提高进泥水的含泥量,泥水的稠度、浓度和相对密度增大。这样,使挖掘面上泥膜在较短的时间内就能形成,从而泥水压力就能有效地控制住挖掘面的失稳状态。同时,在泥浆中加入一定比例的膨润土及CMC作为增粘剂,以保持泥水性质的稳定。
④采用“二次纠偏法”,将纠偏动作分两个过程来完成,第一过程是调整机头回到水平状态,抑制工具管向上爬的趋势;第二过程中调整工具管向下的姿态,使管子轴线靠近预设轴线,再调整工具管回到水平状态,利用曲线发展的“惯性”使管子和工具管子回到预设的轴线上来。
⑤顶进过程,管道周围的扰动空隙经过精心压注触变泥浆加以有效填充,顶管结束后,及时用水泥浆置换填充,以减少土层损失。
3扭转
引起工具管扭转的原因较多,一般地,只要提高操作的準确度,可以完全消除。但由于纠偏引起工具管的扭转,是较难以控制的。某工程6#～8#井段顶管,管子轴线刚好落在两种软硬不均土层的交界面上,其一侧为残积岩,强度高,N值在25～35之间;另一测是冲积土,N值较小。土质的差异,使工具管迎面受力不均,管子易发生偏移。在对管子同时进行向左向下的纠偏时,因右边的反力并非呈矩形分布,合力中心偏上;管子顶部的反力虽然是矩形,但合力中心偏左(见图4),对管子造成反时针的扭转。实践中的现象也印证了理论上的分析,6#～8#段管线全长330m左右,我们在采取了一系列的纠扭措施如变换钻削刀盘转动方向、管道单边压重后,在管子顶进200米后,工具管依然扭转了近180度,整个工具管倒翻过来。由于当机头扭转角度大于90°后,及时调换了进、排泥管的位置,从而使排泥不受工具管扭转的影响,得以继续正常顶进,因此,我们认为在此类地层中顶进,扭转是无法完全消除的,在顶进之前应有应对措施的准备,否则,会导致顶管的失败。
图4顶管扭转示意图
4顶力控制
管道顶进需克服两方面的阻力:①全封闭工具管迎面土压力和水压力;②工具管及管道与周壁土体的摩阻力。正确控制顶力是顶管施工的一项重要内容,顶力控制不符,会直接或间接地引起偏移、扭转、沉降、隆起等现象。实现顶力控制的准确度,首先就应该对顶进阻力作全面精确的分析和计算,通过理论阻力与现场实际顶力的比较,结合现场的其它现象如刀盘电流、转速、声音等进行综合分析,才能进行正确的判断,如是否遇到孤石等障碍物、是否遇风化岩层、泥浆套减阻效果是否理想等等。
因此,提高顶管阻力理论计算的精确度是非常重要的。我们对近几年在某市区近3400m的管道顶进记录作了整理和统计,将不同土层顶力控制值推荐如下表。
三、结束语
不仅有效解决了城市道路地下管道埋设施工中一直以来令人头痛的影响路面交通的问题，而且有效降低了施工成本、施工工期，促进了城市市政工程建设的步伐，同时带来了城市建设和人居环境的和谐。但泥水平衡式顶管施工由于其地下隐蔽特性, 施工过程无法实现感性上的直观判断,只能通过现场间接反馈的数据、现象及现场经验作出判断,其操作过程较多的是属于“出现问题、解决问题”的模式。我们认为应该尽量采用“调查分析, 预防出现问题”的模式。真正贯彻了“预防为主、防患未然”的方针。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：泥水平衡式顶管；问题；措施
引言
随着城市建设的快速发展，各种地下市政工程也不断增多，尤其是地下管网的增速更为迅猛。为解决开挖施工与市政设施正常运行之间日益突出的矛盾，非开挖穿越施工技术应运而生。作为非开挖施工方法之一的泥水平衡顶管技术，以其对环境干扰小、不污染环境和安全性高等优点，被广泛应用于穿越公路、铁路、河流、建筑物，以及闹市区、古迹保护区等限制开挖地段的各种铺设。本文介绍泥水平衡顶管技术的施工工艺，分析了施工常见的问题，并提出有效的防治措施。
一、泥水平衡式顶管施工工艺
泥水平衡顶管技术是一门综合地质学、建筑学、市政工程学等多门学科的新型施工技术，施工工艺涉及电子技术、机械、液压控制及材料力学、化学等多门学科。其施工原理是将至于工作中的微型掘进机通过主顶油缸向前推进至止水圈后，由电动机提供能量转动掘进机头刀盘来切削土层、粉碎石块，并使之进入泥水艙与泥浆混合，然后由泥浆系统的排泥管泵送至地面；与此同时，机头连同管道在持续顶进力的作用下，最终穿过土层到达接收井。在挖掘过程中，采用泥水平衡装置来维持水土平衡，使顶进管道始终处于主动与被动土压之间。
见图1。
图1泥水平衡式顶管工艺示意图
我们采用的泥水平衡式顶管掘进机械具有双重平衡功能,分成前后两段, 前段为泥水舱, 端部是切削土体的刀盘及刀架,后段为动力舱, 泥土排放是通过泥浆泵来实现的。
在敷设管道前,管线的一端事先建造一个工作井,井内的顶进轴后方,布置一组主油缸,将敷设的管道放在主油缸前面的导轨上,管道的最前端安装工具管。主油缸顶进时,以工具管开路推着前方的管子穿过工作井井壁上的预留孔将管道压入土中与此同时,进入工具管的泥土被不断挖掘排出管外,当坑内导轨上的管道几乎全部顶入土中后,缩回主油缸,将下一节管段吊下坑,安装在管段的后面,接着继续顶进,如此循环施工,直至顶入管线另一端的接收井中。
二、常见施工问题及防治措施
1、出洞时的方向失控
工具管出洞时,洞口一定范围的土体受到扰动,对顶管的方向控制非常不利；出洞后的工具管方向的准确与否也会给以后管子的方向控制带来影响。降低出洞时周围土体的扰动程度和控制好出洞后工具管姿态,是顶管顶进方向控制的最基础的工序要求。总结了以往的施工经验,我们认为不同的地层引起工具管出洞方向失控的原因不完全相同,宜采取相应的措施。
(1)淤泥质土或软粘性土
泥水平衡式工具管的重量较大,当土质的承载力较小时,在自身重力作用下,工具管容易产生“叩头”现象,从而引起顶管方向失控。某顶管工程,我们采用了以下4个措施,实现了对顶进方向的有效控制:①出洞时,给工具管预设一个向上的角度,可控制在3′～4′;②紧随工具管其后的几节管子的接头,用10～20螺栓纵向连接,提高管子的整体性;③工作井下沉时预设槽钢钢封门,在工具管出洞前及时拔出槽钢,如此,可缩短洞口土体暴露的时间,降低土体扰动程度;④对洞口周围土体进行注浆加固,改善土体性质。(参见图2)
图2防叩头措施示意图
(2)砂性土
这类土层中出洞时不宜给工具管设置向上的角度,因为砂性土承载力大,工具管向上纠偏容易,而向下纠偏则较为困难。实践也证实,砂性土层不存在类似淤泥质土层原因引起的“叩头”现象。
值得注意的是,在砂性土层中,特别是地下水位比较高的情况下,做好出洞时的洞口止水工作对顶管出洞的方向控制是至关重要的。如果洞口渗漏水,洞外的砂会随流水涌入井内,造成管子底部被掏空,引起工具管或管子下沉,顶进方向失控,进一步的顶进,也会引起管子失稳和破裂。因此,出洞时,首先应提高穿墙孔的止水能力,如可多设一道止水圈,或预埋穿墙管,设置可更换充气式止水圈:其次,可对洞口周体土体进行加固,如采取压密注浆、深层搅拌桩、高压旋喷桩等。某工程2#顶管工作井的洞口采用打高压旋喷桩和压密注浆相结合的加固方法,取得较为满意的效果。(参见图3)
图3顶管出洞口土体加固示意图
(3)腐植土等流塑状态的土层
泥水平衡式工具管是全封闭式,当其全断面上所得到主动土压力所造成的使掘进机械后退的力大于掘进机及管子周围摩阻力和它们与导轨间摩阻力的总和时,出洞初期就会发生掘进机及前几节管子后退。管子后退后,前方的土体就会发生不规则的坍塌。如果比较单一的土体,土体是延着滑裂面坍下的。这时,会使掘进机再次推进的方向失控。解决这一难题,通常可在洞口两侧各安装上一只手拉葫芦,当要把主顶油缸回收之前,设法用手拉葫芦把最后一节管子或掘进机拉住。另外,也可在主顶油缸回收之前,设法用柱子把管子抵住。
2地面沉降
(1)一般地,在淤泥质土、粘性土等渗透系数较小的土层中,采用泥水平衡式顶管机械,地面沉降是较易得到理想控制的。但因管壁触变泥浆引起的地面沉降应给予足够的重视。管壁触变泥浆套除了减阻作用,还起到填充因管道纠偏及管道外周附着一层粘土随顶进而形成的管道外周空隙的作用。这些空隙没有得以填实,就会引起地面沉降。从减阻角度考虑,泥浆套越厚越好,但从控制地面沉降考虑,泥浆套过厚,可能发生因地层损失引起地面沉降。理想的泥浆套应该厚度适宜,刚好能填充管壁外周空隙,形成连续状态。提高泥浆套填充空隙、减少地面沉降的效果,可从以下几点加以控制:
①采用机头同步注浆为主、机后砼管补浆为辅的压浆方法;
②合理布置压浆孔,以利于浆液形成环状。一般每6米设置一个注浆断面,每个注浆断面均布4个注浆孔;
③注浆压力基本维持在215 ×H( 为土层容重;H为管顶履土厚度),顶进时还需根据地面变形、地下水位等因素适当调整压力和压浆量;
④配置的触变泥浆要求粘滞度高(20～30s),失水量小(<14ml/30min)稳定性好,比重控制在1.10左右;
⑤顶管贯通后,应及时利用补浆孔进行换浆固化,换浆量略大于触变泥浆量。
(2)砂性土,其内聚力小,呈松散特性,自承时间极短,易受扰动;渗透系数大,泥水平衡作用不稳定,极易引起地面沉降。某工程9#井～泵站的顶管,该井段管线位置有一座3层高的建筑物,地质为砂性土。为了保证施工的安全度,我们采取了一系列措施,非常成功地控制了地面沉降,其最大沉降值只有4mm,这些措施主要是:
①适当提高刀盘设定压力,刀盘向前伸,使刀盘前的被动土压力增大;减少刀盘与刀头之间的空隙,调整主顶油缸顶进速度,控制排泥量,避免机头前端正面土体坍塌。
②全程绘制排泥量与管道顶进所需切除土体量的关系图,保持两者之间的动态平衡,及时准确地作出预测。
③提高进泥水的含泥量,泥水的稠度、浓度和相对密度增大。这样,使挖掘面上泥膜在较短的时间内就能形成,从而泥水压力就能有效地控制住挖掘面的失稳状态。同时,在泥浆中加入一定比例的膨润土及CMC作为增粘剂,以保持泥水性质的稳定。
④采用“二次纠偏法”,将纠偏动作分两个过程来完成,第一过程是调整机头回到水平状态,抑制工具管向上爬的趋势;第二过程中调整工具管向下的姿态,使管子轴线靠近预设轴线,再调整工具管回到水平状态,利用曲线发展的“惯性”使管子和工具管子回到预设的轴线上来。
⑤顶进过程,管道周围的扰动空隙经过精心压注触变泥浆加以有效填充,顶管结束后,及时用水泥浆置换填充,以减少土层损失。
3扭转
引起工具管扭转的原因较多,一般地,只要提高操作的準确度,可以完全消除。但由于纠偏引起工具管的扭转,是较难以控制的。某工程6#～8#井段顶管,管子轴线刚好落在两种软硬不均土层的交界面上,其一侧为残积岩,强度高,N值在25～35之间;另一测是冲积土,N值较小。土质的差异,使工具管迎面受力不均,管子易发生偏移。在对管子同时进行向左向下的纠偏时,因右边的反力并非呈矩形分布,合力中心偏上;管子顶部的反力虽然是矩形,但合力中心偏左(见图4),对管子造成反时针的扭转。实践中的现象也印证了理论上的分析,6#～8#段管线全长330m左右,我们在采取了一系列的纠扭措施如变换钻削刀盘转动方向、管道单边压重后,在管子顶进200米后,工具管依然扭转了近180度,整个工具管倒翻过来。由于当机头扭转角度大于90°后,及时调换了进、排泥管的位置,从而使排泥不受工具管扭转的影响,得以继续正常顶进,因此,我们认为在此类地层中顶进,扭转是无法完全消除的,在顶进之前应有应对措施的准备,否则,会导致顶管的失败。
图4顶管扭转示意图
4顶力控制
管道顶进需克服两方面的阻力:①全封闭工具管迎面土压力和水压力;②工具管及管道与周壁土体的摩阻力。正确控制顶力是顶管施工的一项重要内容,顶力控制不符,会直接或间接地引起偏移、扭转、沉降、隆起等现象。实现顶力控制的准确度,首先就应该对顶进阻力作全面精确的分析和计算,通过理论阻力与现场实际顶力的比较,结合现场的其它现象如刀盘电流、转速、声音等进行综合分析,才能进行正确的判断,如是否遇到孤石等障碍物、是否遇风化岩层、泥浆套减阻效果是否理想等等。
因此,提高顶管阻力理论计算的精确度是非常重要的。我们对近几年在某市区近3400m的管道顶进记录作了整理和统计,将不同土层顶力控制值推荐如下表。
三、结束语
不仅有效解决了城市道路地下管道埋设施工中一直以来令人头痛的影响路面交通的问题，而且有效降低了施工成本、施工工期，促进了城市市政工程建设的步伐，同时带来了城市建设和人居环境的和谐。但泥水平衡式顶管施工由于其地下隐蔽特性, 施工过程无法实现感性上的直观判断,只能通过现场间接反馈的数据、现象及现场经验作出判断,其操作过程较多的是属于“出现问题、解决问题”的模式。我们认为应该尽量采用“调查分析, 预防出现问题”的模式。真正贯彻了“预防为主、防患未然”的方针。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。