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1、 上海合流二期上海合流二期 1.1 标过江倒虹管泥水平衡顶管施工技术标过江倒虹管泥水平衡顶管施工技术周文波 吴惠明 1工程概况本工程为上海市污水治理二期 1.1 标黄浦江倒虹管工程，沿线共设有两座竖井，即一座工作井及一座接收井。其中工作井位于浦东耀华支路三渣搅拌站内，西靠黄浦江，东接耀华支路，接收井位于浦西龙华机场附近，西靠丰溪路，东临黄浦江，南北分别与石化公司及电力公司相邻，见图 1。图 1 合流二期 1.1 标倒虹管工程总平面、剖面图隧道部分为两条长度均为 610m 的平行顶管隧道，隧道坡度均为 i=0.162%，两条隧道中心间距为 5m，隧道顶最大覆土约 24.8m。顶管机将穿越宽 51
2、0m 的黄浦江，江中段隧道顶最小覆土约 7.5m。圆隧道首次采用隧道股份设计、制造的适用于各种软土地质的 2660mm 泥水平衡式顶管机顶进施工，顶管主顶机械总顶力为10000kN。圆隧道结构全部采用“F“型预制钢筋混凝土管节，其外径 2640mm，内径 2200mm，每节长度为 3000mm，相邻两管节间由特制接头承插连接，接缝防水采用由氯丁橡胶制成的齿形橡胶圈，衬垫材料为多层胶合板。本工程范围内的土层及各地层土质物理力学指标，见表 1。地层土质物理力学指标 表 1层号土层名称层底标高含水量W(%)密度kN/m3孔隙比 e凝聚力C(kPa)内摩擦角 地基承载力 kPa1填土3.5334.61
3、7.61.08 2冲填土-5.4733.817.81.03 灰色粘质粉土-10.0734.17.91.048.029901灰色淤泥质粘土-10.6747.717.21.37 652灰色淤泥质粉质粘土夹砂-13.0735.417.81.0710.024802灰色砂质粉土-25.8731.717.90.993.0281003灰色粉质粘土-42.6733.317.81.0420.0191002泥水平衡顶管系统泥水加压平衡顶管工法的特征是在机械掘削式顶管前部的刀盘附近安装隔板，形成泥水压力仓，将加压的泥水送入泥水压力仓，使开挖面稳定，刀盘切削下来的土砂以泥水形式被输送到地面。泥水平衡顶管系统主要由顶管
4、机、泥水输送、泥水处理及顶进管理四个系统组成。(1) 泥水平衡顶管机 泥水加压平衡顶管机主机工作原理：工具管在正常作业前，刀盘与壳体外圈接触，刀排与刀盘盘体接触，泥水仓处于密闭状态，以延缓泥水压力泄漏。同时在泥水旁路切换大循环时，使泥水压力的波动对开挖面的扰动降到最小，待泥水仓中压力稳定后，启动中心轴动力泵站带动中心轴及刀架向前运动，使刀架与刀盘分离，在两者之间形成四条 70mm 的进土间隙，并由中心轴及刀架的继续伸出带动刀盘盘体的运动，使之与壳体保持一定距离，此时机头即处于待工作状态，启动刀盘驱动电机，通过第一级减速(105k 行星齿轮减速机)，其输出轴上的小齿轮带动中心轴上的大齿轮(即第二
5、级减速 i=131/17)最终带动刀盘及刀架，以 1.5rpm 转动(可正反转)切削土体，见图 2。图 2 顶管机主机示意图主要技术参数：A.外形尺寸：直径(外径)2660mm，长度 42404300mm。B.刀盘：最大扭矩 277kNm，转速 1.516rpm，驱动电机功率 22kW2，最大移动量 40mm。 C.中心轴：最大移动量 110mm，油缸最大压力 32MPa，最大平衡力 2050kN，最大平衡土压范围 0-368.9kN/m2。D.纠偏装置：千斤顶数量 8 台，最大工作压力 32MPa，单台最大推力 900kW，纠偏行程 60mm，纠偏角度1.8。顶进装置顶进装置分主顶进装置及中
6、继顶进装置两部分。主顶进装置的主要功能是完成管节的顶进，其由底座、油缸组、顶进头、V 形顶块、钢后靠及液压动力泵站等组成；中继顶进装置主要是为中继接力顶进所用。(2) 泥水处理泥水处理系统主要由粘土溶解槽、调整槽、剩余槽、清水槽、泥水分离旋流器和沉砂池等组成，起处理泥水(由盾构开挖面排出)和制造新鲜泥水的作用。泥水处理采用一次沉淀的方法，沉淀后的泥水送入调整槽，调整粘度、密度后重新利用。江中设置一台潜水泵引水入清水槽，清水槽内设潜水泵一台，用于向调整槽内加注清水，调整槽内设搅拌装置，调整后泥水通过P1(PH)泵送入顶管机内使用，粘土溶解槽内搅拌浓泥浆，加入调整粘度、密度。粘度控制在 25S 左
7、右，密度在 1.2g/mm3 左右，并且根据实际情况再作调整,见图 3。图 3 泥水处理简图(3) 泥水输送泥浆输送系统是由一根 6送泥管、一根 6排泥管、送泥泵和排泥泵等部分组成。经处理后的泥水由调整槽通过 P1-1 泵或 PH 泵由地面送至井下，顶管内排出的高密度泥水，经安装在地面和隧道内的接力泵送回至地面泥浆沉淀池，见图 4。图 4 泥水输送系统流程图泥水输送系统启动时，先开启 VP 阀，启动 PI 泵，开启 V3、V5 阀，再逐个启动 P2、P3、PE 泵。系统启动数分钟后，当送排泥水压力和流量趋于稳定，送泥水压力和切口压力基本相同时，才可操作到“顶进状态“。进入“顶进状态“时，开启机
8、头阀，开启 V1、V2 阀，关闭 V3 阀。泥水输送系统可逐渐达到泥水平衡，调整送泥水压和排泥流量，使推进过程中一直保持泥水平衡，若在推进过程中，切口水压值偏高设定值，操作人员应采取措施，使之恢复正常。若切口水压继续偏差达限值，应立即切换到“旁路状态“。如果切口水压的偏离原因是泥水管道堵塞引起的，就应操作至“逆洗状态“，对堵塞管道进行冲洗。管道畅通后，应先转换到“旁路状态“，最后才转换到“顶进状态“。顶进结束后，应将“顶进状态“切换到“旁路状态“，待泥水平衡后，再切换到“停止状态“。(4) 顶进管理系统顶进管理系统由顶管机主机及泥水输送两大系统组成。该系统能在电脑中反映出施工过程中的切口水压、
9、送排泥流量、送排泥密度、主顶速度、主顶行程、刀盘油压和顶管的平面、高程、转角等一系列施工参数。顶进过程中，中央控制室操作人员通过此管理系统反映的各类施工参数及时作相应调整。3泥水平衡顶管主要施工参数的设定与调整(1)切口水压设定泥水平衡顶管顶进时，开挖面不断被刀头切削，此时泥膜被刀头切削并将泥水压力传递给土体，由于刀头的介入使传递给土体的外力增加，因此开挖面处于动态平衡之中。切口水压的上、下限值设定可根据常用土体力学计算公式计算得到。实际顶进过程中的切口水压是根据切口水压设计设定值、实时的土砂量和干砂量积算值等重要参数设定。其中切口水压设计设定值可根据近 1050m 掘进过程中较佳的设定值回归
10、所得，见图 5。图 5 50100m 设定切口水压与理论计算关系图(2) 顶进速度顶进速度的控制过程中，应注意以下几点： 主顶启动时，必须检查千斤顶是否靠足，开始顶进和结束顶进之前速度不宜过快。每节顶进开始时，应逐步提高顶进速度，防止启动速度过大。 在利用中继间(一级或多级)作接力顶进时，必须确保后级中继间及主顶所用千斤顶充分均匀受力，避免顶管机后退造成切口水压剧降，从而影响开挖面的稳定。待前级中继间顺利顶进到位后依次将后级中继间及主顶顶进到位。 一节顶进过程中，顶进速度值应尽量保持恒定，减少波动，保证切口水压稳定和送、排泥管的畅通。 顶进速度的快慢必须满足每节润滑泥浆注浆量的要求，保证润滑泥
11、浆系统始终处于良好工作状态。根据实际施工经验，正常顶进条件下，顶进速度应设定为 253.5cm/min；如正面遇到障碍物或地基加固土，顶进速度应低于1cm/min。(3) 泥水质量控制 密度泥水的密度是一个主要控制指标。泥水密度比重不宜过高或过低，过高将影响泥水的输送能力，过低将破坏开挖的稳定。实际施工和室内实验结果表明，适用于本工程的泥水密度范围应在 1.121.20g/mm3。下限为 1.12g/mm3，而上限需根据顶管机中心轴所能承受的最大扭矩来定。 粘度泥水的粘度是另一个主要控制指标。从土颗粒的悬浮性要求而言，要求泥水的粘度越高越好，根据泥水处理系统的自造浆能力，随着顶进节数的增加，泥
12、浆越来越浓，粘度也呈直线上升，而粘度的增加并非说明泥浆的质量越来越高，因此，泥水粘度的范围应在2025S，考虑到粘度的调整有一个过程，应在泥浆粘度为 22S 时(调整槽粘度)，即可逐渐添加 CMC，添加量的多少视粘度下降的趋势而定。 析水量析水量是泥水管理中的一项综合指标。泥水的析水量应小于 5%，降低土颗粒和提高泥浆的粘度，是保证析水量合格的主要手段。本工程采用的指导配比见表 2、表 3。单位：单位：kg 指导配比指导配比 表表 2天然泥土CMC纯碱水4002.211770单位：单位：kg 指导配比指导配比 表表 3膨润土CMC纯碱水3302.211870泥水监控是一个使用小调整使用大调整使
13、用的无限循环过程，是一个动态变化过程。检查配比是否合理的标准是地面沉降量，沉降量得到控制后就要注意泥水指标的变化趋势，使之稳定在某一区域内。(4) 逆洗时的压力控制逆洗是顶进过程中较为常用的防止和消除排泥管吸口堵塞的方法。在逆洗过程中，由于土仓或顶管机内的排泥管处于堵塞状态，因此逆洗时应提高排泥流量，但不能降低切口水压，整个逆洗过程必须密切注意开挖面稳定情况。推进、逆洗和旁路三状态切换时的切口水压控制偏差值为：0.02MPa。(5) 开挖面稳定的判断方法开挖面稳定是泥水平衡顶管顶进施工中最重要的管理项目之一，它直接影响着顶管施工质量。控制每节掘削量是开挖面稳定的必要保证。 掘削量的控制根据地质
14、情况进行理论掘削量计算：w=V(1-n)rW：理论掘削量(m3/Ring)V：砂性土在顶管机断面内所占的体积(m3)n：砂性土的孔隙度(%)r：砂性土的密度实际掘削量 W：W：实际掘削量(m3/Ring)rs：土的比重Q1：排泥流量(m3/min)p1：排泥密度(kg/m3)Q0：送泥流量(m3/min)p0：送泥密度(kg/m3)t：掘削时间(min)实际掘削量直接显示在计算机屏幕上，它较真实的反映实际掘削过程中的掘削量。实际掘削量 W(干砂量)与偏差流量 q 的关系：偏差流量 q 瞬时计算式：q=Q1-(AVS+Q0)q：偏差流量(m3/min)A：刀盘面积(m2)VS：顶进速度(m/mi
15、n)上式变换可得到排泥流量计算式：Q1=(AVS+Q0)+q 掘削量的判别方法偏差流量为正值时，顶管机处于“超挖“状态，干砂量比标准值大；偏差流量为负值时，顶管机处于“溢水“状态，干砂量比标准值小。当发现掘削量过大时，应立即检查泥水密度、粘度和切口水压。在查明原因后应及时调整有关参数，确保开挖面稳定。4泥水平衡顶管施工引起的地面沉降规律施工过程中的地面沉降过程分两个阶段。第 5 节和第 10 节顶进结束后的地表沉降变化见图 6。由图 6 可知，泥水平衡顶管在顶进过程中引起的地面沉降变化可分为两个阶段。第一阶段是指开挖面达到测点之前的沉降或隆起。它主要是由于泥水压力引起的，泥水压力过高，使开挖面
16、受挤引起地面隆起；泥水压力过低，使开挖面应力释放引起地面沉降。第二阶段是指从顶管机切口达到测点至顶管机尾离开测点时间范围内引起的沉降或隆起。该段的地面变化主要是由顶管机及隧道移动对地层的摩擦和剪切引起的。此外，平面或高程纠偏引起的单侧土体附加应力也将影响此阶段的地面沉降。图 6 第 5 节和第 10 节顶进结束后的地表沉降变化图5 泥水平衡顶管特殊施工技术(1) 洞门止水技术 封门形式在工作井洞门外侧无法设置有效的钢封门，虽制作时采用由双榀16组成的直排内封门，但无法在井壁洞圈上安装有效的出洞止水装置，洞门与顶管机及管节间的建筑空隙难以处理，而内封门拔除时的土体损失又是巨大的。本着安全第一的原则，出洞过程中采用井内外封门的形式，以便于在
