浅谈泥水平衡式顶管在穿越既有线路中的应用

摘要：泥水平衡式顶管在掘进过程通过刀盘以及顶速平衡正面土压力，调节循环水压力用以平衡地下水压力；采用流体输送切削入泥仓的土体，顶进过程中不间断，顶进过程中不间断，施工速度快；无需土质改良或降水处理，施工后地表沉降小。

关键词：泥水平衡 顶管 减阻 穿越

1 泥水平衡式顶管简介

泥水平衡顶管施工工法是机械化顶管施工的主要方法之一，属于机械化、长距离顶进施工技术，该工法在我国市政工程、电力工程方面近年来得到大力推广应用，尤其是在穿越既有公路、铁路线路、既有建筑物时具有施工速度快、安全系数高、不中断行车等优点倍受建设单位青睐。

1.1工作原理

泥水平衡顶管施工采用机械掘进技术，其特征为：刀盘将切削的土壤送入泥水仓，然后由送水泵将具有一定浓度的泥水送至挖掘面，通过刀盘充分搅拌后由排泥泵经排泥管道将泥水送至地面泥浆池，经沉淀或分离后泥水可重复利用，残渣外运；掘进过程通过刀盘以及顶速平衡正面土压力，调节循环水压力用以平衡地下水压力；采用流体输送切削入泥仓的土体，顶进过程中不间断，施工速度快；无需土质改良或降水处理，施工后地表沉降小。通常泥水平衡顶管的主要设备有：掘进机、主顶设备、测量设备、井内旁通、控制系统等；辅助设备包括：泥水处理设备、注浆设备、中继间等。泥水平衡式掘进顶管系统简图见下图1.1-1。

1.2 适用范围

泥水平衡顶管施工工法适用于各种粘土、粉土、砂土和渗透系数较大的砂卵石，也适应强风化岩等恶劣地质条件下的市政给排水、电力及其它适用于顶管施工的管道工程，尤其是穿越公路、铁路及其他建筑物的管道工程。

1.3 工艺流程

2 具体应用案例

定州市集中供热工程两根管径为DN1400（0.25Mpa）热力管道需要下穿通过运营京广铁路、朔黄联络线及107国道，为保证铁路运营安全和热力管道的使用安全，根据铁路设计（运输）规范要求，确定采用泥水平衡式顶管工艺。该顶管穿越工程于2014年9月5日开始组织实施，采用NPD1200型泥水式顶管掘进机进行顶管作业，9月30日全部顺利结束，业主、京广铁路部门、朔黄铁路部门、G107公路管理部门均反映良好。

2.1 工程概况

定州市集中供热工程热力管道需要穿越处的京广铁路现状为双线无缝电气化铁路，线路位于直线，平坡道上，轨型为60kg/m，III型钢筋混凝土枕木，路基为普通土填筑，路肩相对高程59.70m；朔黄联络线为单线有缝非电气化铁路，轨型为60 kg/m，III型钢筋混凝土枕木，路肩相对高程59.70m。京广铁路线间距为4.1m，京广铁路上行线与朔黄联络线线间距6.6m，轨顶最大高差0.24m。铁路路基高出两侧面约1.3～2.5m。根据热力管道的平面规划和铁路现状，热力管需要从京广下行线K198+592.5（朔黄联络线K5+996.3）处穿越，热力管道与铁路交角90.0度。工程位于京广线定州站与寨西店站区间。平面位置见图2.1-1。

工程拟建场地地势平坦、开阔。场地土类型属Ⅱ类场地土。根据地质勘探资料，在20米深度范围内地基土可分为3层。自上而下全区统一描述如下：第1层，素填土：层底高程52.1～53.5米，层厚1.5～1.9米，褐黄色，可塑，以粉质粘土为主，含砖屑，填筑时间不足十年杂色、稍密、潮湿，成份以建筑垃圾为主，填垫时间不足十年；第2-1层，粉质黏土：层底高程43.2～43.5米，层厚6.5～6.8米，黄褐色，硬塑，含植物根茎，属于中压缩性土；第2-2层，粉土：层底高程38.0～40.0米，层厚9.5～10.5米，黄褐色，呈中密，含少量贝壳碎屑，土质不均，属中压缩性土；第3层，中砂：层底高程19.8～20.0米，层厚18.0～20.0米，黄褐色，圆形，含少量贝壳碎屑，土质不均，属高压缩性土。

在勘察施工中，拟建场地在20米深度范围内未见层地下水。

地区地震基本烈度为6度，地震峰值加速度0.05g，土壤最大冻结深度0.60m。

2.2 施工方案

2.2.1 工作坑和接收坑施工

工作坑长9m，宽8m，位于京广下行线西侧，工作坑边缘距离朔黄联络线38.01m，接收坑长9m，宽6m，设于京广下行线东侧53.3m处。按1：1.5坡度放坡开挖，坑底四周预留工作面宽2.0m，开挖至距基底标高20cm左右时，采用人工开挖，防止破坏基底，并在基坑内两边各开挖一个大口降水，基坑开挖前在围护结构四周设截水沟，确保基坑的安全无水作业。

基坑采用145工字钢（12m）防护，采用Φ60.9cm钢管斜撑以确保基坑的稳定。一丁一顺排列，工作坑后背方向采用双排I45工字钢（12m）密插排列。基坑内采用大口井降水，基坑开挖前在围护结构四周设截水沟，确保工作坑的安全无水作业。

2.2.2工作坑垫层、后背墙施工

工作坑开挖检查合格后，工作坑基底铺设50cm厚的C40钢筋混凝土垫层，为保证顶进方向准确，在垫层上设置导轨，根据设计要求布设钢筋、导轨连接预埋件；导轨采用60kg/m钢轨。后背墙厚1m，高3.5m，埋深0.5m，采用C40钢筋混凝土。待后背墙浇筑完成后，需将后背墙后路基夯实。在后背梁与千斤顶之间需垫2cm钢板。

2.2.3 运营线光电缆改移

施工前与铁路相关部门沟通协调，将施工范围内影响施工的所有光电缆全部探出迁改，防止施工中挖断线缆影响铁路行车。

2.2.4线路加固

（1）铁路路线加固

为保证顶管施工时铁路线路的绝对安全和列车的正常运行，在顶进施工前对线路进行加固。线路加固采用3-5-3吊轨加固法，加固长度25m（详见图1），其中京广铁路吊轨采用50kg/m钢轨，朔黄联络线吊轨采用43kg/m钢轨。线路加固、顶进施工和拆除加固设备期间，铁路需限速慢行，设计限速45km/h。

（2）公路线加固

本工程热力管线需要穿越107国道，顶进施工前为保证公路运营安全，在取得公路主管部门同意下，采取在顶进影响范围内路面上铺设钢板的防护措施，并设置临时限速标的方法进行防护。

2.2.5顶力计算及安装顶进设备

（1）顶力计算

（1）千斤顶台数的确定

所需千斤顶台数：8000KN/0.75/3200=3.33台，取4台，备用2台，总计6台。两个管道施工所以共需要12台。

（2）顶进后背稳定性计算

（3）安装顶进设备

顶进设备的检查：

顶进设备分为液压系统和传力设备。主要检查液压系统、油管、管道接头、仪表等是否正常，以及检查千斤顶的行程是否与施工设计相符，顶铁或传力柱是否完好。

（4）安装顶进设备

液压系统及传力柱布置

1）液压泵站采用72升/分，油箱为1400升，分配阀块采用2块，油管对称布置；

2）动柜2台，控制台2套，动力电缆、控制电缆自备；

3）横梁按左右2根布置。

油压千斤顶要经常清洗液压元件，检查质量状况，必要时进行压力和密封性试验。安装油泵、油箱时，为了造成良好的供油条件，油箱出油口要高于油泵进油口0.5m以上。安装主油管和油管上液压系统，安装支油管和油量控制阀。

（5）安装顶进设备调试

调试工作的目的是全面检查液压系统是否可靠，千斤顶功能有无异常，油管接头是否有漏油现象，调整油量压力表安全值，调整油量阀的压力并且逐步加大油压推动箱身，测定起动推力，观测后背的变化情况等。

2.2.6顶进施工

（1）施工准备

顶进的钢筋混凝土保护管管节采用铁路专用双插口钢筋混凝土管，产品规格为Φ1950ti-S，品种编号为T8，每节长3000mm，壁厚190 mm。顶进端部采用泥水平衡机头切土顶进。顶进时将保护涵管全长范围内的管外涂石蜡减阻，顶进完成后管内涂刷2mm厚聚氨脂防水涂料防水层。

线路加固完毕，经检查满足行车安全要求，后背设置观测点及千斤顶、横梁、顶铁、顶柱运抵现场并安装完毕。

顶进液压系统安装调试完毕，夜间施工现场照明设置完成。

成立观测记录小组，测量仪器经校正，设置方向及水平观测点完毕。

驻站联络员与铁路行车单位联系，按照顶进计划联系限速时间段，顶进就位后加固拆除及线路恢复，线路恢复后经检查线路正常后恢复正常运营。

（2）安装顶柱时，应与顶力轴线一致，并与横梁垂直，应做到平、顺、直。

（3）试顶

准备工作经检查合格后，进行试顶验证，其目的是检查顶进设备、后背及顶管受力后有无异常，并使箱身与工作坑底板分离，当试顶后经检查一切均正常，方可进行正式顶进作业。

在有关部位及观测点均有专人负责，随时注意变化情况；

开泵后每当油压升高5～10MPa时，必须停泵观察，发现异状及时处理；

当千斤顶活塞开始伸出，顶铁压紧后应即停顶，检查各部位情况，无异常情况才可开泵，直至顶进保护涵管启动。

（4）顶进

①初始顶进

开镐将稳好在导轨上的机头顶到洞口，使机头正面和洞外的土体紧密顶严；迅速顶机头入土。为预防机头下跌，应加强机头与机头后第1管、第2管之间、第3管之间的联结。在第1节管与机头间加M30螺栓4组，详见下图2.2-2：开镐刃机头时，只开千斤架下面的2个镐，上面的2个镐关闭不开，以防扎头。

第1节管与第2节管及第2节管与第3节管的连接（同上）

②正常顶进：

当顶镐油缸伸出有0.7米，够下1块顶铁的长度时，应将镐回油，下1块顶铁，以确保平稳顶进。本工程顶管施工采用的管节长度为3.0米，为了保证管外注浆密实饱满，每三节管中设置一节带注浆孔管，即带注浆孔管后设置两节普通管，第一节管的注浆孔设阀门。管节间联接示意见图2.2-3。

根据计算，注浆压力控制值采用0.5Mpa，注浆量控制在理论计算值的1.5倍左右，实际压浆量要根据具体情况测定。如果压浆量超过理论压浆量数倍，则应改变泥浆配方，增加泥浆的粘度和稳定性。例如提高含土率，掺加粉煤灰、木屑，增加化学浆糊等等。注浆孔一般设置在环形套筒的下面，套筒向后开口，环向连通。同一断面上设置4个，环向均匀布置。注浆时要遵循“先压后顶，随顶随压”的程序。

③触变泥浆的减阻

触变泥浆是减小阻力的重要措施。顶进时要及时有效地进行同步跟踪注浆，确保形成完整的泥浆套，同时在管道四周定时补压浆，确保泥浆套不流失破坏。

④顶进过程测量

顶管时测量非常重要，要勤顶勤测，随时校正，切不可单纯为了求快而少测、漏测，一般在下管前和下管开1镐后都应测1次，此时若发现偏移容易校正。正常顶进时每顶进1米时测1次。测量采用全站仪和水准仪配合进行。

⑤回镐下管

下管前，将镐回到头，将管道内所有的工艺管路全部临时断开，管内及坑内所有电源断掉，坑内的人员全都走道管内或上到地面上。下管要由专人指挥。管子下到导轨上时，管外皮与导轨之间不能有空隙。下管要注意插口朝前，承口朝后。在插口安装胶圈时要涂抹凡士林，以使开镐顶紧管接口时胶圈均匀被压缩，不被扭曲、翻转，防止漏浆漏水。

⑥当机头顶到接近接收坑时，在洞口范围内的工字钢桩要预先用风镐开凿掉，开凿后孔径略大于管径，以能够使顶管顺利通过即可。

⑦顶管施工过程中或施工后，在管道轴线两侧一定范围内发生地面沉降或隆起使其周围建设物和道路交通等公共设施受到影响，甚至危及到正常使用和安全。为防止发生沉降或隆起偏差，采取如下措施：

a、施工前对工程地质条件和环境情况进行周密细致的调查，制定切实可行的施工方案，正确选用顶进设备，并对距离管道近的建筑物和其它设施采取相应的加固保护措施。

b、设置测力装置，以便掌握顶进压力，保持顶进压力与前端土体压力的平衡，机头平衡压力值定在主动土压力与被动土压力土之间。

c、严格控制顶管轴线偏差，执行勤测量、勤纠偏、小量纠的操作方法。

d、严格控制管道接口的密封质量，防止渗漏，施工中经常检查有渗漏的接口，及时堵塞。

2.2.7顶进施工技术保障措施

（1）做好施工准备

顶进作业开始前要组织有关人员，全面检查顶进前必须做好的准备工作。在每次顶进前应细致检查液压系统，顶柱（铁）安装和后背变化等。

施工顶进操作时，应保证管节内全断面360度范围内不超挖，不扰动原状土结构。后背及滑道保证全线管线顶力，备齐可能出现管口破损加固的钢板内涨圈。一节管节顶进完毕后安装管节承插口钢套环。

（2）涵管顶进预防措施

布置千斤顶时应严格根据管身斜交情况计算的千斤顶布设位置进行布设，使千斤顶合力作用线与涵管阻力的作用线重合。

涵管在空顶阶段容易发生方向偏差，可利用导轨进行纠正，一顶一调整。

（3）涵管方向左右偏差调整的方法

用增减一侧千斤顶的顶力：即开或关一侧千斤顶阀门，增加或减少千斤顶顶力数。如向左偏，即关闭减少右侧千斤顶，向右偏则反之操作。

开动两边高压油泵调整：如向左偏就开左侧油泵，向右偏就开右侧油泵。

（4）做好测量监控和安全防护工作，并对排出泥浆妥善排放。

3 结束语

泥水平衡式顶管作为专业的非开挖施工技术，施工适用地质范围广，施工速度快，作业安全系数高，对周围环境影响小，特别适用于市政工程中需穿越既有道路、铁路及其他建筑物的管道工程，值得在工程建设中大力推广和完善。

参考资料

[1] 《土压平衡和泥水平衡顶管工程施工技术规程》DB/T29-93-2004

[2]《泥水平衡顶管掘进机作业指导书》Z/GJS011-2001

推荐访问:泥水 浅谈 穿越 平衡 线路