泥水平衡頂管技術在隧洞工程中的應用

李成花，王慶凱，馮燦

（淮河工程集團有限公司，江蘇 徐州 221018）

1 項目概況

高湖西頭新引用水源地建設工程中的恒茂隧洞頂管施工區，位于江西省靖安縣高湖鎮西頭村－靖安縣城自來水廠沿線，工程區內水文地質條件較簡單，地下水的類型主要為松散層孔隙潛水、基巖裂隙水。區內工程地質條件及巖土工程特性主要體現在頂管通過地形山體較雄厚，山坡較陡，頂管穿越山體高程最高點為350m，樁號0+387～0+422 為鞍部，高程為230m，樁號0+900～0+922m 為鞍部，高程為290m；頂管沿線分布地層自上而下依次為含砂粘土、全風化花崗閃長巖、強風化花崗閃長巖、弱風化花崗閃長巖，厚度依次為1～10m、7.3～19.6m、10.5～19.4m，弱風化花崗閃長巖鉆探未揭穿。

2 泥水平衡頂管技術

2.1 工作井與接收井開挖支護措施

圍護結構使用了倒掛井支護墻，采用倒掛逆向循環往下施工，即自上而下循環開挖支護的方式。覆蓋層人工填土方采用長短臂挖機開挖，保護層采用人工開挖，利用1.0m3斗容反鏟挖土機將開挖的渣土裝入密閉式的自卸載重汽車內，運輸至棄渣場。井壁護壁支護墻采用倒梯形鋼筋混凝土結構。

工作井及接收井與功能井外空間采用粉質黏土回填，一般含水率25%～30%，壓實度≥90%。

2.2 管機、管材選用

本項目采用D1800mm 二次破碎巖石頂管機，型號為NPD-1800；該頂管機對強風化、弱風化、微風化具有極強的適應性、針對性。為降低當地軟硬巖和頂管機械的綜合作用，避免頂管內外表面出現開裂問題，提高成品輸水管的質量，降低輸水安全隱患，本項目將輸水工程中常采用的PCCP 管更改為新型JPCCP 管。

2.3 出土方案

泥水輸送方式采用全自動形式，挖掘出的土渣在機艙內通過攪拌與泥水混合形成泥漿后，由泥漿泵抽至泥水循環系統。泥漿循環系統由在工作井旁設置的三個泥漿池（長×寬×深=6m×3m×2m），將抽排出的泥漿循環至泥漿池內，當泥漿濃度達到一定稠度（一般是1.65）不能循環利用后，通過環保吸污罐車運輸至指定地方，同時再調制新的工作泥漿供頂管施工循環利用。本項目采用環保吸污罐車抽排，不會污染沿途道路環境。

2.4 主要工序及措施

2.4.1 井下準備工作及井內布置

工作井的井內布置包括：主頂油缸、油泵動力站、后靠背、導軌、鋼制扶梯等；井內留有800mm×800mm×1200mm（長×寬×深）的集水坑，用于井內抽水，并設置了引水槽至積水坑；頂管基座位置的放樣以管道設計軸線為準，并進行安裝固定；準確放置基座導軌并對其進行加固，以保證基座的穩定。

2.4.2 導軌及后頂的安裝

軸線確定后，先安放后靠背，后靠澆筑混凝土，并以2cm 后鋼板作為受力面板。副導軌需經導軌安裝完畢后，在預留洞口內安裝，且保證其軸線和高程與主導軌保持一致，以防止機頭進洞后低頭。

2.4.3 泥水系統控制措施

泥漿系統的主要作用是輸送挖掘出的渣土和平衡地下水。當掘進風化巖時，在泥漿中加入膨潤土等粘性材料，增加泥漿的粘度來達到排渣的最終目的。通過振動篩、循環沉淀器、干燥器等方式處理夾帶泥砂的泥漿。經三級沉淀分離后，泥漿可以循環利用，渣質積累后棄置處理。

2.4.4 進出洞口的措施

在頂管頂進之前，在工作井內洞口處安裝環形橡膠止水圈，既能防止洞口處的水、土和泥漿從管外壁與洞門的間隙涌入工作井中，又能防止減摩漿在頂進施工過程中從間隙處流失，保證完整的泥漿套來達到減小頂進阻力的目的。現場需實時監測洞口漏泥、漏水等，并設置排污泵及時進行抽排。

2.4.5 頂管頂進與地層形變控制措施

在經過對企業戰略管理與項目管理耦合重要性和必要性的分析以后，相關企業就要充分地意識到在企業實際的發展過程中促進戰略管理與項目管理耦合是一種可行性建議，并且還要積極地采取有效的措施來進一步實現兩者有效合理的耦合。因此，企業可以通過強調企業戰略管理與項目管理耦合需要具有策略性、互動性、共生性以及關聯性提供優質的發展條件。

由于地下水位高，土體松軟，機頭進洞時應加固機頭防止下落，保證機頭頂進安全。用拉桿將機頭與后續管節連接起來，并在導軌上每間隔1m 設置兩個手拉葫蘆拉緊，保證機頭順利沿著導軌方向頂進。控制好頂進軸線偏差和糾偏量是保證管節沿設計軸線頂進的關鍵。為保證頂進方向持續控制在設計軸線范圍內，現場通過控制臺顯示屏上的激光點及時調節糾偏油缸，要求操作規程嚴格、持續糾偏（單項糾偏角度為10′～20′，小于1°），及時出報表。

在頂管施工中，根據土質類型、覆土厚度和地面沉降量以及測量報表的分析，來調整泥水與土壓的平衡值，且要求保持相對平穩的坡度，控制糾偏量從而減少對周圍巖層的擾動。根據頂進速度、排泥量、地層變形量及時調整注漿量和注漿壓力，從而將軸線和地層變形控制在最佳狀態。

2.4.6 觸變泥漿減阻措施

在頂進過程中，采用多點對稱壓注方式，在頂管機尾部與管道上的預留孔向管節外壁壓注泥漿，使泥漿均勻地填充在管節與土體的空隙，來減小管節外壁和土體間摩阻力，從而減小頂進阻力；減摩泥漿采用觸變泥漿，要求泥漿保持不失水、不沉淀、不固結的狀態，根據不同的地質情況及時調整泥漿的配比以達到預期的減摩效果。

泥漿套一方面起潤滑作用，減少頂管推力，另一方面可以支撐管道，防止周圍巖層變形；膨潤土具有疊層結構，水分子進入疊層之間產生膨脹，從而與頂管間形成泥餅，其具有高膨脹、低滲透、封閉性的特點，在頂推中，停留時間不宜過長，否則會產生較大的摩阻力；同時頂推擾動會增加膨潤土的潤滑作用，其剪切力使膨潤土流限降低，頂管可以懸浮在泥漿套之中[1]。本項目通過不斷循環壓入新鮮泥漿，保持管道周圍泥漿的潤滑性。

2.4.7 出洞口的土體加固措施

根據頂管頂進情況，在掘進機到達接收井前，對地質較差的洞口土體進行注漿加固，范圍包括：洞口前5m 開始，洞口距管道外側2～3m的土體。

進入接收井前，提前鑿除洞口的護壁砼，洞口直徑一般比管外徑大300～400mm。

進入接收井后，掘進機頭必須迅速、連續地頂進管節，以縮短出洞時間。整個掘進機進洞后，要及時分離機頭和管節，并按設計要求處理好管節和接收井的接頭，避免水土流失。

2.4.8 注漿措施

頂管頂進完成后及時對頂管四周的縫隙進行水泥漿充填，以防原始地形沉陷和地下水系流動，水泥漿充填密實堅固，所用設備參照觸變泥漿設備。注漿要求逐孔依次，水泥漿液要求均勻，無結塊和雜物。

在管道頂端空隙處每隔4～6m 打孔作為壓漿孔，同時使用管內原泥漿減阻所使用的3 個Φ25 壓漿孔。

第一次注漿，每段注漿從第一孔開始，注漿時間以下一孔出漿為止，每段注漿完成后靜止6～8h 后進行第二次注漿。第二次注漿壓力不變，直至合格為止，依次注完所有。為保證管道加固效果，測試后按需及時進行補漿，注漿結束后及時進行清理設備，以防止注漿設備堵塞。

3 頂管施工重難點分析

3.1 刀盤刀具設計及處理

頂管機頭刀盤分為腹板式和面板式，據研究結果表明，腹板式刀盤開口率更大，尤其中心區域開口大，針對粘土、泥礫等復合地層，“結泥餅”現象較低；面板式刀盤的類“米”滾刀布置產生的經向不平衡力和傾覆力矩更小，適合本項目的巖層地質情況[2]。

另外，由于長距離頂管，刀盤長期破碎切削巖體造成刀具磨損，當刀具磨損過度將難以繼續破碎巖體，造成無法頂進。

現場頂管機具備機內開倉更換刀具功能，當刀具磨損過度無法頂進或頂進太慢時，采用機內開倉更換刀具，及時更換新刀具后繼續向前頂進。

3.2 長距離頂管電壓損失較大導致無法頂進

原因：由于長距離頂管電壓損失較大，現簡單計算全長1332m 電壓損失情況需要采用多大截面積電纜，計算電壓降以ΔU ≤19V 為符合要求，鋁芯電纜ΔU=18.78V ≤19V 或銅芯電纜ΔU=17.29V ≤19V。

解決措施：通常標準使用的機頭主電纜因電壓損失的問題已不能滿足長距離頂管施工的要求，動力主電纜可采用五芯鋁芯電纜4×185+1×95 或五芯銅芯電纜4×120+1×50 即可解決電壓降問題。同時考慮溫度對于電壓降的影響，變壓器應安裝帶檔位調節裝置，初期機頭進洞可將變壓器電壓檔位調至385V，頂進800m 時可將變壓器電壓檔位調節至400V，頂進1000m 以上可將變壓器電壓檔位調至415V 以上，解決了因溫度影響的電壓降問題。

3.3 頂力過大

原因：長距離頂管時，因地質的變化情況會導致摩擦力及迎面阻力逐步增加，經理論計算會與實際頂管過程中產生偏差，實際頂力會出現超過管材承受的頂力或超出油缸頂力或超出后靠背能承受的頂力，則判斷頂力過大無法頂進，如強行頂進會導致管材破碎、后靠背開裂、油缸無法提供足夠的頂力等情況。

解決措施：該問題主要由地質變化帶來的不確定因素，因此頂管始發前應做好地勘的研究，判斷土質變化的區間調整頂管參數，同時提前準備注漿減阻和工作泥漿的制備，時刻監測出渣的情況，不斷根據出渣的情況判斷土質情況，不斷調整頂管參數和泥漿的比重，即可將頂力控制在可控范圍[3]。另外，根據實際情況，經過受力分析增設中繼間確保施工安全頂進。

3.4 中繼間數量確定

在頂管施工中，考慮頂管頂力與油缸提供的推力、管材允許承受頂力、后座墻提供的反作用力的對比，取其中最小值與頂管頂力進行對比，考慮是否增加中繼間，經計算本工程最大頂力為42936.22kN；油缸提供的推力為9600kN；管材允許承受頂力為4600kN；后座墻反作用力為16675.17kN，經對比均不滿足施工頂力要求，需要增設中繼間。中繼間的設計原則以三者中最小能承受頂力管材許用頂力（F′=4600kN）為限值計算中繼間增設的數量，同時施工中應重點關注管材的質量，包括齡期、強度及外觀等。中繼間增加計算如式1。

中繼間的數量n 計算：

式中：n 為中繼間的數量（取整數）；D 為管道外徑，取2.26m；f 為頂管外表面的綜合摩阻力，取0.45t/m2；f0為中繼間的設計允許頂力，取管材許用頂力4600kN。

本段頂管需設置13 個中繼間，第一道中繼間的間距計算（按60%中繼間頂力計算），中繼間設置位置如式2。

式中：S′為中繼間的間隔距離（m）；k 為頂力系數，宜取0.5～0.6，取0.6；F2為頂管機迎面阻力，取400.4kN；F3為控制頂力，取4600kN；D 為管道外徑，取2.26m；f 為管外壁與土層平均摩阻力取4.5kPa。

取第一道中繼間布置位置L1=78.9m。后續中繼間間距按80%中繼間頂力計算，即k ＝0.8；后續中繼間頂推時，取F2＝0。

中繼間的間隔距離⊿S＝k（F3－F2）/（πDf）＝78.9m。中繼間的增設根據主成分析法分析，考慮頂力計算、經濟成本和施工安全3 個要素層面，本項目安裝13 個中繼間。

4 結論

泥水平衡頂管施工技術在各類巖層中使用逐年增多，相比之前的爆破法施工，此類技術的最大優勢是安全性，正確使用本技術，可以100%確保人員和設備安全；同時此技術針對本項目的巖層長度在國內也較為罕見，施工過程中難免會遇到其他各種問題，針對現場可能出現的情況制定了對應的措施和方案，同時做好施工記錄，以為進一步提高類似施工質量和效率提供施工參數和經驗