泥水平衡頂管在長輸管道中的應(yīng)用

李文成

（中石化天然氣分公司工程建設(shè)管理處，山東 聊城 252000）

1 工程概況

榆林—濟南輸氣管道工程經(jīng)過山東省聊城市茌平縣，地勢平坦，為典型的黃河中下游平原地貌。地層以第四系沖洪淤積成因粉質(zhì)粘土組成，12米以上為粉質(zhì)粘土、粉土或粘土。地下水位較高，距地面0.5m-2m。管道穿越一、二級公路大部分采用非開挖頂進鋼套管方式，套管為D914×14.3，材質(zhì)為L320螺旋縫埋弧焊鋼管。如采用傳統(tǒng)的開放式人工挖進頂管方式，需提前1-2周進行降水，且道路中間部分降水效果不好，增加工期和工程投資。為此，現(xiàn)場選用泥水平衡方式頂管施工。

2 工作原理

以泥水壓力來抵抗開挖面的土壓力和水壓力以保持開挖面的穩(wěn)定，同時，控制開挖面變形和地基沉降；在開挖面形成弱透水性泥膜，保持泥水壓力有效作用于開挖面。

圖1 泥水式盾構(gòu)工作原理

在開挖面，隨著加壓后的泥水不斷滲入土體，泥水中的砂土顆粒填入土體孔隙中，可形成滲透系數(shù)非常小的泥膜（膨潤土懸浮液支撐時形成一濾餅層）。而且，由于泥膜形成后減小了開挖面的壓力損失，泥水壓力可有效地作用于開挖面，從而可防止開挖面的變形和崩塌，并確保開挖面的穩(wěn)定。

土體一經(jīng)盾構(gòu)機開挖，其原有的應(yīng)力即被釋放，并將產(chǎn)生向應(yīng)力釋放面的變形。此時，為控制地基沉降，保持開挖面穩(wěn)定，必須向開挖面施加一個相當(dāng)于釋放應(yīng)力大小的力。泥水式盾構(gòu)機中由泥水壓力來抵消開挖面的釋放應(yīng)力。在決定泥水壓力時主要要考慮開挖面的水壓力、土壓力以及預(yù)留壓力。

在泥水式盾構(gòu)機中支護開挖面的液體同時又作為運輸介質(zhì)。開挖工具開挖的土料在開挖室中與支護液混合。然后，開挖土料與懸浮液的混合物被泵送到地面。在地面的篩分場中支護液與土料分離。隨后，如需要，添加新的膨潤土，再將此液體泵回隧洞開挖面。

3 主要技術(shù)措施

3.1 施工準(zhǔn)備

施工前做下列工作：

（1）辦理公路部門的施工許可證，編制可行的施工方案。

（2）完成施工現(xiàn)場三通一平工作。

（3）施工機具設(shè)備擺放到位，完成技術(shù)交底工作。

3.2 開挖操作坑及加固

發(fā)送坑的尺寸和坑深應(yīng)根椐施工機具、施工方法和管線深度而定。一般按如下方法計算：

(1)底寬

底寬=D1+S

式中：D1為套管外徑，本工程0.9m，取1m

S：兩側(cè)操作寬度，本工程取3m

故工作坑底部寬度為：4m

(2)長度

式中：L1為工具管長度(m)，取1m

L2：管節(jié)長度(m)，本工程取11m

L3：出土工作間長度(m)，本工程取1.5m

L4：液壓油缸長度(m)，本工程取1.2m

L5：后背所占工作井長度，包括橫木、立鐵、橫鐵取0.8m

所以計算工作井長度1m+11m+1.5m+1.2 m+0.8m=15.5m，取 16m。

接收坑尺寸為4m×2m×4m（長×寬×深）

由于地下水位較高，為防止塌方，同時保證后背推力，在發(fā)送坑兩側(cè)邊用鋼板進行圍護，φ89×4鋼管支撐在兩側(cè)鋼板之間，支護高度為距離坑底2m；后背擋板采用δ=20mm鋼板和φ76×6鋼管排組成，尺寸為2.5×3m，坑底用石子(3-5cm)厚30cm做坑底墊層，墊層上等距離（約250mm）放置標(biāo)準(zhǔn)枕木，枕木上鋪δ＝20mm厚鋼板，保證施工精度。

3.3 安裝調(diào)試設(shè)備

鋼板上安裝工字鋼（10#）作為導(dǎo)向架，用水準(zhǔn)儀找平，兩軌道高程誤差±10mm，軌道工字鋼與底層鋼板焊接。將主機吊入軌道，將電力電纜、信號電纜和油路連接，進行設(shè)備電力系統(tǒng)、自控系統(tǒng)和泥水處理系統(tǒng)進行調(diào)試。一切正常后，即可進入預(yù)備頂管階段。

3.4 頂進作業(yè)

使機頭刀盤貼住前方土體，調(diào)節(jié)好送水壓力，然后打開機內(nèi)止水閥，轉(zhuǎn)動刀盤，關(guān)閉機內(nèi)旁道，待流量達到額定值的80%時即可開始頂進。

頂進時按以下程序進行：安裝頂鐵→開油泵使千斤頂伸出活塞→千斤頂伸出活塞額定長度后開閥門回油→下管。

第一節(jié)套管頂進方向的準(zhǔn)確性是整個頂管施工的關(guān)鍵。第一節(jié)套管的入土點和安裝角度應(yīng)準(zhǔn)確。頂進過程必須勤測量、勤微調(diào)，糾偏角度應(yīng)保持在10'～20'不得大于0.5°。

第一節(jié)套管頂完后及時與第二節(jié)套管組對焊接，重復(fù)上述步驟進行頂進。

4 關(guān)鍵環(huán)節(jié)控制要點

4.1 頂進方向控制

在飽和土或淤泥土中頂進長距離鋼套管時，由于機頭較重，鋼套管彈性變形容易導(dǎo)致機頭下沉，造成頂進下偏。施工中一是要求鋼套管與機頭連接必須牢固，套管與套管焊接采用雙人對頭焊，盡可能減少停機時間；同時必須勤測量、勤微調(diào)，及時糾偏。

4.2 泥漿壓力控制

粉土飽和土流動性強，穩(wěn)定性差，當(dāng)泥漿壓力小于土體壓力和水頭壓力時，容易導(dǎo)致挖掘面失穩(wěn)，嚴重時地面下沉；而當(dāng)泥漿壓力大于土體壓力和水頭壓力時，容易導(dǎo)致泥漿冒頂。為此必須隨時觀察泥漿艙工作壓力、土體壓力和水頭壓力，保持壓力平衡或泥漿壓力略大于土體壓力和水頭壓力，在挖掘面形成良好的泥皮護壁。

5 結(jié)語

通過該工程實例證明泥水平衡法頂管比傳統(tǒng)的人工開挖法施工風(fēng)險小、效率高，目前，該施工技術(shù)在市政工程中提到廣泛應(yīng)用，施工中遇到的問題均可以得到很好控制和解決。在長輸管道飽和性軟土中頂管中應(yīng)加以推廣應(yīng)用。

[1]任曉娥.膨脹水泥在管道接口中的使用.山西建筑，2008-07-01.