泥水平衡頂管在長輸管道中的應用

李文成

（中石化天然氣分公司工程建設管理處，山東 聊城 252000）

1 工程概況

榆林—濟南輸氣管道工程經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粘土組成，12米以上為粉質粘土、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，材質為L320螺旋縫埋弧焊鋼管。如采用傳統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，并確保開挖面的穩定。

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

在泥水式盾構機中支護開挖面的液體同時又作為運輸介質。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 主要技術措施

3.1 施工準備

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）完成施工現場三通一平工作。

（3）施工機具設備擺放到位，完成技術交底工作。

3.2 開挖操作坑及加固

發送坑的尺寸和坑深應根椐施工機具、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，在發送坑兩側邊用鋼板進行圍護，φ89×4鋼管支撐在兩側鋼板之間，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）放置標準枕木，枕木上鋪δ＝20mm厚鋼板，保證施工精度。

3.3 安裝調試設備

鋼板上安裝工字鋼（10#）作為導向架，用水準儀找平，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，進行設備電力系統、自控系統和泥水處理系統進行調試。一切正常后，即可進入預備頂管階段。

3.4 頂進作業

使機頭刀盤貼住前方土體，調節好送水壓力，然后打開機內止水閥，轉動刀盤，關閉機內旁道，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。

第一節套管頂進方向的準確性是整個頂管施工的關鍵。第一節套管的入土點和安裝角度應準確。頂進過程必須勤測量、勤微調，糾偏角度應保持在10'～20'不得大于0.5°。

第一節套管頂完后及時與第二節套管組對焊接，重復上述步驟進行頂進。

4 關鍵環節控制要點

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，及時糾偏。

4.2 泥漿壓力控制

粉土飽和土流動性強，穩定性差，當泥漿壓力小于土體壓力和水頭壓力時，容易導致挖掘面失穩，嚴重時地面下沉；而當泥漿壓力大于土體壓力和水頭壓力時，容易導致泥漿冒頂。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 結語

通過該工程實例證明泥水平衡法頂管比傳統的人工開挖法施工風險小、效率高，目前，該施工技術在市政工程中提到廣泛應用，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加以推廣應用。

[1]任曉娥.膨脹水泥在管道接口中的使用.山西建筑，2008-07-01.