泥水平衡頂管技術在南水北調(diào)穿越高速公路工程中的應用

□白建峰 □曹 宇

（1河南省水利水電工程建設質(zhì)量監(jiān)測監(jiān)督站；2中國葛洲壩集團基礎工程有限公司）

0 前言

河南省安陽市南水北調(diào)配套工程37號線穿越京珠高速工程頂管長度165m，38號線穿越京珠高速工程頂管長度125m，施工均采用泥水平衡頂管施工技術，順利完成穿越任務。

1 施工難點及關鍵點

1.1 難點

1.1.1 施工質(zhì)量與安全

京珠高速為南北大動脈，交通繁忙，頂進施工時必須保證施工質(zhì)量，控制地表沉降，確保車輛正常通行。同時應加快施工，減少高速公路保通工作量，因此選擇頂進作業(yè)方式滿足進度和質(zhì)量要求是本工程關鍵。

1.1.2 適應不同地質(zhì)特點

37號線穿越京珠高速段原為魚塘，高速施工時采取拋石處理地基，為避免穿越施工遭遇大塊拋石，設計管頂埋深距離地面14m。根據(jù)地勘報告，頂管水平管身主要位于第②層粘土和第③層低液限粉土，層內(nèi)可見1～3cm鈣質(zhì)結核，含量一般約占2%～5%。地下水位比管線高，對頂管施工方式選擇影響較大。

38號線穿越京珠高速段管身段巖性主要為中、重粉質(zhì)壤土，局部夾輕質(zhì)壤土、砂壤土。沿線廣泛分布，部分出露于地表。另外，在管線穿越高速公路及公路處，表層為路基人工填土，土質(zhì)較雜。

四是提升國有農(nóng)場統(tǒng)一經(jīng)營管理及服務職能。加強產(chǎn)業(yè)集團對農(nóng)場經(jīng)濟發(fā)展的帶動作用，完善產(chǎn)業(yè)集團與國有農(nóng)場的利益聯(lián)結機制，把農(nóng)場培育為產(chǎn)業(yè)集團的生產(chǎn)基地。加快培育農(nóng)場特色種養(yǎng)業(yè)，重點發(fā)展紅江橙、茶葉、菠蘿、蔬菜等特色產(chǎn)業(yè)，設立特色產(chǎn)業(yè)專業(yè)化公司，以市場為導向，增強企業(yè)盈利能力。建立完善以效益為核心的經(jīng)營考核制度,強化農(nóng)場企業(yè)定位，制定農(nóng)場三年扭虧增盈方案，將三年扭虧增盈指標納入考核。

1.2 關鍵點

1.2.1 設備選型

不同地質(zhì)需要選用不同的頂管設備，既不能因設備性能達不到地質(zhì)要求造成質(zhì)量不達標，進度滯后，甚至出現(xiàn)機械抱死，影響施工的現(xiàn)象，也不能過分追求頂管設備性能，出現(xiàn)經(jīng)濟上的浪費。

1.2.2 頂進觸變泥漿減阻

現(xiàn)代頂管施工中,漿液的作用越來越重要，必須在泥漿的配置、注漿控制上下功夫，充分發(fā)揮減阻、填補及支撐的作用。

2 設備選型與對比分析

不同的土質(zhì)需要選用不同的頂管機，這樣才能充分利用資源，避免浪費現(xiàn)象，尤其是在使用液壓頂管機時更是需要提前考察好土質(zhì)和地形，才能確保順利施工過程。

根據(jù)37號線工程特點，選NPD型多邊形偏心破碎泥水平衡頂管掘進機進行施工。該款機器具有以下特點：

結構緊湊、操作方便、精度高、便于操作和維修；具有破碎含量不超過12%卵石的能力；適用土質(zhì)廣，是一種全土質(zhì)泥水平衡頂管機，獲得2002年日內(nèi)瓦國際發(fā)明金獎；頂進速度快，可靠性高，設置有觀察倉，機頭前端有異常情況可以觀察排除。

根據(jù)38號線工程特點，選GDDT普通型泥水平衡頂管掘進機進行施工。該款機器具有以下特點：

結構緊湊、操作方便、技術成熟，是泥水平衡頂管機的最早期產(chǎn)品；適合粘土、沙土等，頂進速度快。

3 在頂進施工中觸變泥漿減阻技術注意點

3.1 觸變泥漿的作用

觸變泥漿的作用主要包括:減阻，漿液可將頂進管道與土體之間的干摩擦轉換為液體摩擦,從而減少頂進摩阻力;填補，漿液可填補施工時管道與土體之間產(chǎn)生的空隙;支撐，在注漿的壓力下,可減少土體變形,使管洞變得穩(wěn)定。

3.2 注漿控制措施

3.2.1 37號線注漿控制及施工異常情況處理

在長距離頂管施工時，應重視頂管機壓漿和沿線補漿。因為頂管機后的同步壓漿是為了及時填充機頭與管節(jié)之間的空隙以及糾偏產(chǎn)生的空隙，在泥土接觸管節(jié)之前先一步填滿空隙，建立泥漿套。沿線的補漿可以采用粘度小、流動性好的泥漿，以便在已有泥漿環(huán)的基礎上迅速填補缺失的泥漿。兩者對泥漿的要求存在差別。

37號線工程結合現(xiàn)場實際情況，采取以下措施，保證注漿效果。

3.2.1.1 注漿分三條線，以便形成完整的泥漿潤滑套。

第一條線：機尾同步壓漿

同步壓漿的目的是為了及時填充機頭與管節(jié)之間的空隙以及糾偏產(chǎn)生的空隙，在泥土接觸管節(jié)之前先一步填滿空隙，建立泥漿套。粘土或糾偏動作小時少些，動作大時就多些。在每節(jié)管材開頂時打開機尾控制閥之前先確定機尾的泥漿壓力表是否已建立起壓力，以確保漿液通達。

第二條線：沿線補漿

沿線補漿的目的是對管外壁滲透到土層中造成的泥漿套缺損進行修補。具體操作是在頂進過程中逐一開啟，逐一關閉。切忌漿液單側大量分布，這些有壓力的漿液把管節(jié)壓到對面的土體中，常常會造成頂力的劇烈上升。沿線補漿一般是2～3節(jié)管材設置一個端面，并與同步壓漿分開來，分別計量。

第三條線：洞口注漿

管節(jié)剛進入洞口如果沒漿填充，土體就會塌落而裹住管節(jié)。洞口是泥漿套破壞源，在洞口要進行專門針對性的不斷填充，可在洞口止水圈內(nèi)安裝專門的控制閥。

3.2.1.2 注漿質(zhì)量控制（見表1）

3.2.1.3 減阻效果

該頂管工程在頂進施工前90m時施工順利，頂管機排泥及壓力表讀數(shù)均正常，平均每天可頂進30m。千斤頂壓力表在8～10MPa之間（頂力約為2030kN）,頂進90m時，排泥管排泥異常，電機電流增大并發(fā)熱，頂進壓力表驟然上升至25MPa(頂力約為6400kN）。根據(jù)觀察分析，并不是觸變泥漿套減阻出現(xiàn)問題，應是地質(zhì)條件發(fā)生變化，出現(xiàn)大量卵石富集，由此造成機頭迎面阻力過大，頂管機無法正常排泥。結合現(xiàn)場實際情況，決定通過機頭觀察艙口人工清倉，清倉后頂進50～100cm后機頭刀盤再次卡死。繼續(xù)采取人工清倉方式，每次清倉大約4h，平均頂進距離約0.50～1m，繼續(xù)頂進20m后恢復正常。千斤頂壓力再次恢復到10～15MPa(頂力約為3800kN),實際頂力僅為規(guī)范計算頂力的40%，管道摩阻力僅為計算摩阻力的33%，觸變泥漿減阻取得良好的效果，見圖1。

表1 注漿質(zhì)量控制表

圖1 減組效果圖

3.2.2 38號線施工異常情況處理

該頂管工程在頂進施工前70m時施工順利，頂管機排泥及壓力表讀數(shù)均正常，平均每天可頂進20m。千斤頂壓力表在12～15MPa之間（頂力約為5800kN）,在頂進70m時，頂進壓力表驟然上升至28MPa(頂力約為11000kN），且泥漿管不再排泥，初步分析是地質(zhì)條件發(fā)生變化，由粘土變?yōu)樯惩炼鴽]及時更換觸變泥漿配合比（砂土中應增加泥漿粘度），引起管道上部塌方造成管道阻力增大，管道抱死。結合現(xiàn)場實際情況，考慮本工程還內(nèi)套鋼管，同時機頭在高速路面無法開天窗挖除，決定更換泥漿配合比，全線補漿，增加頂力。在全線補漿后第3天管道啟動，頂力很快下降到8000kN，隨著管道移動頂力又繼續(xù)下降，最終順利完成穿越任務。管壁摩阻力可以逆轉這一規(guī)律在這一工程中得到驗證。

4 結語

通過南水北調(diào)配套供水管線工程穿越高速公路的工程實踐，泥水平衡頂管機能夠安全、優(yōu)質(zhì)、高效的完成頂進施工任務。要結合現(xiàn)場實際情況，選擇合適的頂管機，才能做到經(jīng)濟合理、優(yōu)質(zhì)高效，同時在施工過程中嚴格控制施工工藝，把不利因素降到最低，遇見異常情況不能盲目頂進施工，以免造成質(zhì)量事故。

泥水平衡頂管施工時觸變泥漿潤滑套的質(zhì)量直接影響頂進過程中的頂力，可以直觀的從頂進系統(tǒng)的壓力表上反應。完整的觸變泥漿潤滑套的建立是與管道密封、中繼間密封和洞口止水裝置密封直接有關的。當然,泥漿材料的質(zhì)量及配比、注漿工藝的管理和施工過程的停頓時間過長,都可能對頂力產(chǎn)生很大的影響。注漿效果好壞，關系到能否有效減少頂進阻力，進而影響工程造價甚至工程成敗。由于注漿減摩施工屬隱蔽性工程，對其進行定量分析難度較大，故注漿工藝各參數(shù)的選取一定要根據(jù)具體的施工情況、地質(zhì)條件及現(xiàn)有條件，并參照國內(nèi)外已有的施工先例進行。在本次工程37號線施工時采用三條線分別注漿，同時對不同注漿線采取不同漿液配合比，實際施工中形成了完整的泥漿潤滑套，減阻效果明顯，通過本工程的施工，為更長距離或更大口徑的頂管施工積累了經(jīng)驗。

[1]馬軍峰.南水北調(diào)城市供水管道頂管施工技術及應用[J].河南水利與南水北調(diào),2014(21).

[2]王明玉.頂管施工技術及常見問題分析[J].廣東建材,2015(10).

[3]成曉君.泥水平衡式機械頂管施工抱管成因分析[J].山西建筑，2012(7).