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1、2 2 内蒙古石油4 L-r - 2 0 0 9 年第l 8 期 泥水平衡顶管在管道穿越河流中的应用 胡乾彬 ( 华东管道设计研究院 ) 摘 要 ： 本文通过分析手掘式与泥水平衡 顶管各 自特点及适用范 围， 经比较， 针对川 气东送管道工 程 穿越 白马塘的淤泥质 ， 高含水地层的具体情况 ， 选 用了安全性好的泥水平衡顶管施工工 艺。对泥水平 衡顶管工作原理 ， 工作关键 步骤及施工经验进行 了介绍， 可为类似地质条件下的河流穿越提供参考。 关键词 ： 泥水平衡 ； 顶管； 穿越 ； 河流 顶管施工是盾构施工以后发展起来的一种地下 管道施工方法 ， 它不需要开挖面层 ， 并且能穿越各种 地
2、下构筑物和管线。 从1 9 5 3中国第一次引进手掘式 顶管施工开始 ， 顶管施工陆续在燃气、 自来水管 、 光 缆施工 中得到应用。 而对于南方水网地带 ， 地下水位 高且土质多为流塑 ， 渗透率高 ， 导致顶管施工中出现 渗水、 方 向偏差等事故， 制约 了顶管施工技术 的发 展。随着泥水平衡顶管的引入， 其所具有的多土质、 长距离， 安全性等特点使得顶管施工方式应用更为 普遍 。 1 工程概况 川气东送管道工程为国家重点工程 ， 主管道直 径为 1 0 1 6 mm， 设计压力为 i O MP a ， 穿跨越段管道壁 厚 2 6 2 mm。 管 道在浙江省南浔段需穿越 6 0 m宽 白马
3、塘河 ， 考虑河流通航要求 ， 采用了投资较小的顶管施工。 本工程地基土层 自上而下描述依次为第层灰 黄色粘土 、 第层灰色淤泥质粉质粘土 、 第层灰黄 色粘土、 第层灰黄色粉质粘土、 第层灰色淤泥质 粉质粘土 、 第层灰黄色粘土、 第层灰黄色粉质粘 土 。 地下水位为一1 8 m。 综合考虑河流冲刷、 顶管施 工安全及技术经济性 ， 顶管作业层深度 一1 0 7 5 m， 位于第层灰色淤泥质粉质粘土 中， 为流 塑， 夹粉 土、 粉砂薄层 。顶管长度 9 8 m。 2 穿越施工工艺的选择 对于 p 1 0 1 6管道穿越 中等宽度的河流 ， 一般而 言， 有定向钻， 顶管 、 开挖三种穿越方
4、式。 由于 白马塘 航运繁忙 ， 不允许开挖 ， 本项 目项 目有定向钻与顶管 两种常见的非开挖穿越方式可选择。大 E l 径管道定 向钻穿越时 曲率半径大 ， 穿越 长度长 ， 单价高， 相对 顶管， 费用相差大。因此， 选择经济性好的顶管方式 穿越白马塘 。 以下对手掘式顶管和泥水平衡顶管两种施工工 艺的特点进行对 比。 2 1 手掘 式 顶管施 工特 点 手掘式顶管有很大的局限性 ，由于手掘式没 有引入土压平衡理论，因此对于顶进面土压很难控 制； 采用手掘式顶管工法是对于顶进面土质有较 高的要求。 首先 ， 要求顶进面土体的自立性要很好 ， 其次 ， 要求顶进面的地下水压力要很小 ； 手
5、掘式顶管的纠偏通常采用顶进面局部超挖 的方式，如果顶进 面发生流沙现象 就无法局部超 挖，因此也就很难纠偏了。 2 2泥水 平衡 顶 管特 点 针对本工程地下水位高， 土质为流塑的特点， 需 采用泥浆泵运送弃土 ， 因此考虑采用泥土平衡式顶 管。 适用的土质范围比较广 ，如在地下水压力很 高以及变化范围较大的条件下 ， 它也能适用 ； 可有效地保持挖掘面的稳定 、 对所顶管子周 围的土体扰动 比较小。因此，采用泥水平衡式顶管 施工引起的地面沉降也比较小 ； 与其他类型顶管 比较，泥水顶管施工时的总 推力 比较小 。 尤其是在粘土层表现地更为突出。所 以， 它适宜于长距离顶管 ； 收稿 日期 ：
6、 2 0 0 9 一O 5 2 5 作者简介 ： 胡乾 彬( 1 9 8 2 ) ， 男， 助理工程师 ， 2 0 0 4年毕 业于石油大学 ( 华东) 工程 管理专 业， 现就职 于中国石油化工股份 有限公 司华东管道设计研 究院 ， 从事长输 管道设计 工作 。 2 0 0 9 年第 l 8 期 胡乾彬 泥水平衡顶管在管道穿越河流中的应用 2 3 工作坑 内的作业环境比较好 ，作业也 比较安 全。由于它采用泥水管道输送弃土 ， 不存在 吊土、 搬 运土方等容易发生危险的作业 。它可以在大气常压 下作业 ， 也不存在采用气压顶管带来 的各种问题及 危及作业人员健康等问题 。 因此 ， 根 据
7、本次河流工 程地质情况 ， 对以淤 泥 质 ， 高含水地层为主的河流， 从安全性考虑应采用泥 水平衡顶管 。 3 泥水平衡式顶管工艺原理 泥水平衡式顶管是 以含有一定量粘土和一定相 对密度的泥浆水充满掘进机 的泥水仓 ， 并对它施加 一定的压力来平衡地下水压力和土压力 ， 掘进机在 液压千斤顶的作用下实现掘进 ， 使掘进机及紧随其 后 的套管穿越土层， 达到预先设计位置 的一种顶管 施 工方 式 。 图 1 泥水平衡顶管工作示 意图 4 泥水平衡顶管施工 泥水平衡式顶管主要工作步骤如图 2 。 沉 掉 制 作 和 接 收 坑 开 挖 章 安 装 蟹鞔 、 没 髓 承璀 壁 I l簧 蔫J 倥
8、箭， 臀 上 一 L _一 竺 l _ 。 - 。 。 一 l停 、 删 氍 、 枷 寰竹 清 除 硅 竹 肉 溅 l 壶 rI 洲 爨 、 州 填、 夯 耍! 测量放线后 ，在穿越河流两侧设顶进沉井和接 收工作坑 。根据现场情况 ， 顶进沉井设在河流北侧 尺寸 为 7 m5 m， 沉井底标高 比套管底标高低 I m， 接收坑尺寸为 3 O m3 O m，坑底标高 比套管底标 高低0 3 m。再安装轨道 ，固定设备 。人工开挖基坑 深约 1 5 m， 刃脚沙垫层厚度 2 0 c m， 宽 9 0 c m。c 1 0混 凝土垫层厚度 2 0 c m，宽 5 5 c m， 平 整度控制在 5 ra
9、m 内，以防在沉井制作前就 出现不必要 的倾斜，内外 井 壁用建筑模板 ， 支撑采用 4 8钢管 ，井内为满堂 脚手架 ，井外为 1 2 m 宽钢管脚手架模板支撑 。 沉井下沉 图 2 泥水平衡式顶管主要工作步骤 以下分别对泥水平衡顶管的沉井施工 、 顶进 、 测 量、 纠偏等关键步骤介绍 。 4 1 沉 井施 工 沉井制作 沉井下沉采用人工挖土 ，通过从井 口出土，清 除刃脚正面阻力及沉井 内壁摩擦阻力后 ，依靠沉井 自重下沉 。在井壁浇注和下沉过程中，经常测量倾 斜度 ，注意沉井的下沉均匀性 ， 沉井下沉过程 中还 要随时掌握土层变化情况 ，分析和检验土壤阻力与 沉井重量关 系，选用适宜的
10、挖土下沉方法，控制其 出土部分及 出土量 ，使沉井均匀平衡地下沉 。如果 沉井不下去时，采用压重下沉 ，注入触变泥浆的方 法，以减少淳擦阻力。井外壁用红漆标注井壁所在 的设计标高 ，以便检查。根据每小时所测定的下沉 2 4 内蒙古石油4 L-r - 2 0 0 9 年第1 8 期 量， 确定 自然下沉量来决定最后的挖土深度。 沉井封底 当沉井达到离设计深度 l m 时， 放慢速度取土 ， 测 量沉降量 ，到离设计标高 1 5 c m 时 ， 停止沉井取 土 ， 观测 3 h ，每 3 0 mi n检查一次 ，累计沉 降量不足 5 c m 时进行 封底 。 4 2 顶进 顶管机头选型 。根据地质
11、状况 ， 在顶管范围 内均为冲积流域，含水量大 ， 挤压式出土机头和土 压平衡顶管机械都不能满足使用要求 ， 使用前舱注 水搅拌泥水平衡掘进 目前是最理想的顶进工具。 顶力估算。 根据顶力计算公式 FF 。 +丌 B C r L F 一总推 力 k N F o一初始 推力 k N B c 一管外径 m r 一管子与土之间的剪切应力 k P a 其中 F 0 一( Pe +P w+AP)丌 B c 。 4 P e 一挖掘 面前土 压力 一1 5 0 k P a P w一地下 水压 力 P 一 附加压 力 ( 一般 为 2 0 k P a ) 按顶进长度为9 8 m、 套管外径 2 m 计算，最大
12、顶 进阻力 F ： = = 4 1 2 T，配备 3 2 0 T2台液压千斤顶能完 全 满足顶力需要 ，活塞行程 1 2 0 0 mm，主油泵最大 供油压 5 0 MP a ， 供油量 1 0 I r n i n 。 顶进 顶进工作流程如下： 安放钢筋砼管工艺一安装 承插 口钢环一安装顶铁一安装轨道连接电缆 、 油路、 注浆管路接头一伸出主顶千斤顶活塞杆一顶进一缩 回主顶千斤顶活塞杆一拆除管内轨道 电缆、 油路、 注 浆管路接头一吊开顶铁一退出承插 口钢环一安放钢 筋砼管节一继续再顶 。工具管切入土体后应严格控 制其水平偏差不大于 5 mm， 其高程为设计标高加以 抛高数，工具管与第一节砼管连
13、接时 ，其尾部留少 许放在导轨上 2 O - - 3 0 c m，并立即进行砼管的连接。 机头进入洞 口后把机头推进 土、 砂 层， 待 有应力后 再进行机头运转。运转的同时向前舱注入清水，然 后再开启泥浆泵把舱 内泥浆抽出至泥浆池 ， 每次停 止顶进后要随时启动清洗泵以免造成堵塞或密封不 严 ， 当因故暂停时或较 长时间停止顶进时 ，为防止 工作面的松动或坍陷 ， 应停止 出土顶进 、 待压力升 高后再停止顶进。 4 3 测 量 顶管测量工具采用激光经纬仪进行水准及中心 线的测量 。顶管按照设定的管道 中心线和工作井位 建立地面和地下测量控制系统 ， 控制点应设在不易 扰动，视线清楚 ，方便
14、校 核的地方 ，并加以保护 ， 必要时增设控制二个 以上便于校核中线桩。顶进坑 内应设置 由地面水准点引入的临时水准点 ，以便进 行仪器高程的校对和调整 ， 顶进轴线由设计管道中 心通过经纬仪引入坑内，然后对中观测。工具管进 入 土层过程中，每顶进 3 0 c m， 测量至少 1次 ，当进 入土层后正常顶进时 ， 每顶进l m 至少测量1次 ， 纠 偏时增加测量次数。 4 4 纠偏 顶进过程中由于地质条件变化及不均匀， 预设 顶进方向会发生偏差 ， 如不及时进行纠偏 ， 会导致纠 偏困难甚至无法调整 ， 导致顶进施工的失败。 纠偏应 贯穿在顶进施工 的全过程， 尽量做到纠偏在偏位发 生的萌芽阶
15、级。 对于发生滚动偏差， 由于刀盘正反向均可以旋 转 ， 因此通过反转顶管机刀盘就可以纠正滚动偏差。 当滚动偏差超过设定值时， 顶管机 自动控制系统会 报警 ， 提供操作者 切换刀盘旋转方向 ， 进行反转纠 偏 。 当管道发生横 向或竖向偏差 ， 控制顶进方向的 主要方法是改变单侧千斤顶 的顶力 ， 当顶管机机头 出现下俯时， 可加大下侧千斤顶的顶力 ； 当顶管机机 头出现上仰时 ， 可加大上侧千斤顶的顶力进行纠偏。 与竖直方向纠偏的原理一样， 左偏时加大左侧千斤 顶的顶力 ， 右偏时则加大右侧千斤顶的顶力。 发现较大偏差应分析发展趋势 ，采用分次逐步 纠正 。 显示器上随时显示顶管顶进过程的偏差数据 ， 操作人员可以根据电脑数据随时调整纠偏 ， 并保持 书面 记 录 。 5 结束语 本次河流泥水平衡顶管穿越在南方水网地带进 行 ， 克服了淤泥、 高含水的恶劣地质条件 ， 成功穿越 了白马塘。此次穿越为 E t 后在类似地质条件下的河 流顶管穿越积累了宝贵的施工经验 ， 同时也为河流 穿越提供了一个有效的解决方案。 参考文献 1 余彬泉， 陈传灿 顶管施工技术f-j 北京： 人民 交通 出版 社 ， 2 0 0 3 2 刘灿 生 给水排水 工程施工手册 F J 北京： 中 国建筑工业出版社， 2 0 0 3
