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1、尚庄河机械顶管施工技术中铁十八局集团三公司新密项目部 刘建国1 工程概况新密电厂二期中水管线穿尚庄河机械顶管。管径1220mm，管道埋深92m，坡度0.1，由东北工作井向西南接收井顶进施工，穿越尚庄河整个河道，顶进距离为120m。该河道，施工正值夏季，要求尚庄河汛期保障河道防汛、排水功能，不能打坝截流，不能在河道上设置加装任何设施。2 施工技术难点该地区地质情况复杂，土质条件差。管道处于软塑-流塑的中压缩性亚粘土土层和粉性土，土层厚度及砂性较大，遇水成流砂，土的摩阻力大，顶管掘进中容易卡管、抱管。要求在地下水位高，流量大的条件下，不降低水位施工。顶进过程中管道偏差控制要求高。过河危险性大，顶进
2、时不能破坏河床的土层，否则会造成河底透水，地下水、河水会窜入管道危及人身安全。过河施工条件差，河床底与管顶之间覆土层较浅，采用机械式平衡压力顶管，土压力不足、容易造成掘进机机头上浮，控制不好造成顶管顶进失败。3 施工方案的确定与实施31 施工工艺选择(1)采用传统人工掘进式顶管进行施工，首先要在地面上打孔做井，降低水位。降水会造成地面下沉，但若不降水，由于砂性土含水量高，人工挖土工作面很容易塌方。管口前方土塌方时，挖掘面的土形成斜坡，随着塌方规模加剧，造成路面严重损坏。工程确定采用日产MEP型机械式泥水平衡式顶管掘进机施工。泥水平衡式顶管机具有以泥水压力平衡地下水、以机械方式平衡土压力的双重平
3、衡功能，无论在顶进或停止时，切土口都可以关闭，即使遇到流沙。也能有效地防止挖掘面塌方。顶管不必降低地下水，能确保地面不沉降。(2)采用公式F=IOKDL+F0确定顶力，经计算顶力为5771kN。在顶进中由于土质变化、地面振动、纠偏校正时的阻力增加等因素使实际中的顶力与计算结果产生偏差。(3)管道处于沙性土中，必须采用注浆减摩降低顶力。为保证顶管顺利进行，本工程设计安装中继间一套。在顶进推力达到设计顶力的60就需投入，把一次顶进长度分成两个推进区间。中继间采用外套筒式，内设6台360kN千斤顶，行程120mm总推力4300kN。管子贯通后将中继间千斤顶拆卸下来，只留有外套筒管子直接合拢。(4)管
4、材：设计管材选用T型接口混凝土管，强度C40规格16002500mm，接口采用T型钢套环，管接口选用橡胶圈进行接口密封，橡胶圈与外套环、管材、凹槽处被压缩，能切实保证接口严密防水。32 工作坑施工根据工程需要及现场地质条件，确定采用工字钢打桩，尺寸为宽4m长8m。由于工作坑较深，地下水的水量及流动难以控制，因此在钢桩外侧打水泥搅拌桩做防水帷幕，搅拌桩长12m、桩径600mm、桩与桩之间咬合200mm能够严密防水，保证制作坑的顺利。坑内两侧打间隔桩卡板。顶管坑后背打密排工字钢桩，钢桩工作坑设置3部支撑框架。在顶进方向的桩旁设置止水墙，墙内预留龙门口。坑内用C20砼打底，厚30cm。坑内后角设一座
5、集水井，便于及时排水。在河对岸离河岸边5m处，设置副坑；尺寸4m4m。坑深95m。为防止河水，流砂及淤泥的渗入，在副坑周围作水泥搅拌桩进行防护。33 掘进机系统技术管理泥水平衡式顶管采用机械挖土，水输送弃土，以泥水压力来平衡地下水，在采土排泥时设定控制土压力，以保持工作面稳定。作业流程是：泥水池-给水泵-基坑旁通-压力调节装置-给水管-掘进泥仓室-泥水挖掘面-排泥管-基坑旁通-排泥泵-泥水处理装置-泥水沉淀池。为使泥水平衡掘进机系统可靠、稳定、便于管理，施工前又在主要六个分系统中设有仪器仪表装置计量显示，随时掌握机器动态。(1)掘进机头改进：原引进机头切削刀盘直径小于机壳直径6cm，使得管线摩
6、阻力增大，该切削刀盘不适于防水帷幕在硬土层作业，为解决这个问题我们改造了切削刀盘，在刀盘外沿焊接两把加长槽刀(超挖刀)用来扩孔，使切削泥土的外径与管材外径相等。减少管外径的阻力，为长距离顶进创造了良好的条件。(2)主顶系统：设置两套压力32MPa后方液压站，流量25L/min的液压泵作为液压动力，其中一套为中继间单独设立。主顶千斤顶采用4台2250kN32MPa，行程1200mm，主顶千斤上配有顶进速度显示仪进行监控。(3)泥水系统：给水排泥采用DN100mm钢管，每根长3m，钢管接口采用快速接头连接。给水排泥选用DN100AH型重型渣浆泵，配有基坑旁通，在排泥管道上装有LDF型电磁流量变送器
7、，检测排泥管中水流速度和流量。(4)注浆系统：使用螺杆泵注浆，并加大了储浆罐，使浆液充分反应。另外注浆泵经改装、增加压力可调节装置，便于注浆压力的控制。(5)设计电气总控制系统：将载波电话、给水排泥控制系统、注浆润滑系统、液压站控制系统、顶速仪和机内刀盘转矩监视仪等，都集中在总控制盘上，用来监控各系统操作。(6)沉淀装置：现场设计一座长12m、宽4m、高15m、砖砌中间带堰口的二次沉淀池，配有泥水检测，对泥水相对密度等方面进行管理，满足施工使用要求。34 控制土压力的设定(1)过路控制土压力设定：土容重186kN/m3，内摩擦角23，土粘聚力11kPa，含水量30，砂含量71，地下水位12m，
8、管顶处覆土深度75m。主动土压力强度Pa为46kPa，被动土压力强度Pp为351kPa。通过计算可见主动土压力和被动土压力相差较大，由于土压力范围宽、控制调节需比较精确，控制土压力与地下水压力的值越接近，施工后的地面沉降最小，在施工中，我们又用主顶千斤顶推动掘进机，即“闷顶”以对正面土体施加一定压力静待一定时间，当土体压力自然消散到一个值时，土压计的读数即为实际静止土压力，而该值一般在主动土压力和被动土压力之间，该数值的确定对顶管施工意义是重要的。经论证我们把过路控制土压力设定在120kPa左右。(2)过河时控制土压力设定：过污水河的土质条件：河宽35m，水面宽23m，水深18m。经测量河床底
9、部到掘进机顶部最大覆土深度为20m，土层中是淤泥状粘土，污水渗透粘土中呈饱和状态、相对密度较小。由于过河底覆土浅、不能按路面土压强度公式计算。在刀盘可伸缩的泥水平衡式顶管中，刀盘通过机械浮动可以平衡掘进机所处的土层土压力，管顶与复土垂直土压力数值应计算泥水仓前有效高度内的静止土压力，计算泥水仓前有效土拱高度，用来指导实际操作。经计算修正后，过河控制土压约为30kPa。(3)过河顶管辅助措施泥浆护壁：把控制土压力设定在30kPa范围，施工时就不会引起河床土层下产生较大的隆起和河床沉陷。在覆土较浅时主动土压力的控制比较复杂。调整掘进机给水阀增减泥水压力，泥水压力要适当大于地下水的承压力，同时要使过
10、河时挖掘面保持稳定性，准备浓泥浆护壁。设计沉淀池内的水有一定的浓度，比重约125左右。含有一定浓度的泥水经给水泵在给水压力增减阀的调整下，进入开挖面上形成浆套。这种浆套阻止泥水向土体的继续渗透，也防止前方软泥的坍塌，能使掘进面稳定。泥水渗漏损失小，在顶进时泥浆能达到护壁作用。在下管和停止掘进时，将给水阀排泥阀关闭，保持掘进面泥浆浓度和压力。35 顶进泥水式顶管工艺比较复杂，涉及到机械、电气、液压、土力学、水力学等专业，施工的相关工程技术人员不但要掌握顶管理论，具备专业知识，还应熟悉泥水式顶管设备的结构，机器的性能，操作规程，协调地面和地下相互配合等。根据不同的土质，选用不同的操作方法，才能较好
11、掌握及操作平衡式顶管机。顶进中、机内操作人员在动力舱操作，前方的刀盘、切削刀、泥水舱的情况是不通视的。土质硬度、水压力、土压力、排泥流量、刀盘力矩、机头状态、切削刀口开关量等，只可通过机内仪表反映出来。机舱操作人员监视这些仪表上数据，通过调整各液压操作杆、电气开关、按钮来控制顶管机。如土层比较硬的地方，还需提高设定的土压力，遇流动性淤泥层，把土压力设定的比较低一些，刀盘转矩过高时，就需把设定土压力降下来等。刀盘前装有的切削刀该刀头与刀盘都有各自的液压加压装置，刀头与刀盘均可以做相对运动，操作时注意观察做出判断。顶管掘进机的导向系统，是用激光经纬仪定位，以激光束作为设计管道轴线的原点，直线顶进时
12、固定不动。在顶进中由于土质软硬引起机头迎面阻力变化等诸多原因，使顶进管的中线与设计管中线产生偏差，有时是高程(上下)偏差、有时是方向(左右)偏差，偏差值通过激光测量接收靶显示出来。机舱内倾斜仪显示机头偏高或偏低倾斜角度。要纠偏操作时，机舱操作人员开启机舱内的液压站，为纠偏千斤提供液压动力，通过机内千斤“伸或缩”的操作来进行纠偏。经常出现的偏差情况是既有高程又有方向偏差，在顶进中要同时进行两项纠偏是不容易做到的，在这时要先高程纠偏，然后再进行方向纠偏，纠偏的原则：勤纠、缓纠，看趋势纠偏操作，避免纠偏过头。施工管理水平反映在管道顶进质量上。掘进机的性能反映设备在顶管作业中可操作及控制的能力。工作坑
13、内设置基坑旁通，在机舱内有机内旁通，基坑旁通、机内旁通是为泥浆的互换设置。变换给水有防止排泥管道堵塞打反循环排泥和调整压力等作用，给水泥浆的压力过高会引起跑冒泥水的问题，甚至有时会窜出地面。在初始顶进时掘进机出洞后不久，过龙门El前方2171处冒水(机器在进行调试)，使得道路边的雨水沟内窜出高于水面几十厘米较大的泥水流，用于减阻浆液也跑冒许多。经分析就是由于给水压力过高造成的，该地方虽然覆土距离管顶较深，但由于土质较松散、密度差，易被有压力水流冲起。经采取措施给水减压后，情况得以控制，越过沟后地面就没有在出现冒涌泥浆现象。但如排泥管线长在泥水压力低时排泥管的泥水流速过慢，泥沙沉淀在泥水管内会引
14、起泥水管堵塞，使顶管无法进行排泥。36 施工监测在顶管顶进时为了监测外环线的路面，外环河河底施工前设置了监测系统。从主顶坑开始掘进70m后，管道就越过外环线路基进入河坡，掘进机进入河坡后要改变原操作参数，更换过河制定的施工操作方案，在机头进入河道后，在河岸上设置一个观测点，密切监视河水动静，与电气控制室和机内操作员用对讲机保持联系。处于软淤泥条件的泥水平衡式过河顶管，我们属首次施工，为慎重，做了比较充分的准备工作。由于顶管掘进穿越河床土层，河水压力、土层中水压力等因素难以把握，计算出土压力也要调控得当，才能保证施工安全。当机头进入河道5m后，河面上曾翻起一阵浪花，监视点人员及时通知机内，机内操
15、作人员重新调整土压力和泥水压力的操作后，消除了“水内翻花”的现象。在过河开始时，顶速为8cm/min，通过激光接收光靶显示机头高程为+1cm，当顶进河道5m后，光靶数值为+4cm。这时机头高了4cm而机头纠偏油缸已接近在最大位置上，但机头仍调整不下来。原因是由于河床土压力小、管子顶进速度快造成的。我们又改变了操作方法，将主千斤顶速降至34cm/min使土压力减小些，经过调整，继续顶进2m后，管子开始降低，纠正了“爬高”的现象，回到正常数值。泥水平衡式顶管适应任何多变地层，设备本身具备多项可调装置；通过调整土压力、切泥口、纠偏量、给水压力、顶速、刀盘伸缩，以及技术人员的一些经验，可保证过河项目的顺利完成。37 注浆减阻注浆减阻是降低顶力的一项重要工作。施工设计布置：将带有注浆孔的管材排列在顶管机头，后面采取间隔布置，使其管道外形成良好浆套。注浆材料选用钠基膨润土。由于注浆方法得当减阻效果显著，(中继间没有启用)110m的顶进距离，最大顶力推力4650kN。4结语120m的管道用7天就顶进完成，经有关单位测验：管道高程最大误差为：+4cm、-3cm，右偏差为1cm，质量属优良。工程表明采用泥水平衡式顶管顶进技术对河床扰动较小，不需降低地下水位，减少施工干扰，降低工程造价。在今后大口径管道穿越河流中，平衡式顶管施工是一种比较理想的管道施工技术。6
