泥水平衡顶管在长输管道中的应用

李文成

（中石化天然气分公司工程建设管理处，山东 聊城 252000）

1 工程概况

榆林—济南输气管道工程经过山东省聊城市茌平县，地势平坦，为典型的黄河中下游平原地貌。地层以第四系冲洪淤积成因粉质粘土组成，12米以上为粉质粘土、粉土或粘土。地下水位较高，距地面0.5m-2m。管道穿越一、二级公路大部分采用非开挖顶进钢套管方式，套管为D914×14.3，材质为L320螺旋缝埋弧焊钢管。如采用传统的开放式人工挖进顶管方式，需提前1-2周进行降水，且道路中间部分降水效果不好，增加工期和工程投资。为此，现场选用泥水平衡方式顶管施工。

2 工作原理

以泥水压力来抵抗开挖面的土压力和水压力以保持开挖面的稳定，同时，控制开挖面变形和地基沉降；在开挖面形成弱透水性泥膜，保持泥水压力有效作用于开挖面。

图1 泥水式盾构工作原理

在开挖面，随着加压后的泥水不断渗入土体，泥水中的砂土颗粒填入土体孔隙中，可形成渗透系数非常小的泥膜（膨润土悬浮液支撑时形成一滤饼层）。而且，由于泥膜形成后减小了开挖面的压力损失，泥水压力可有效地作用于开挖面，从而可防止开挖面的变形和崩塌，并确保开挖面的稳定。

土体一经盾构机开挖，其原有的应力即被释放，并将产生向应力释放面的变形。此时，为控制地基沉降，保持开挖面稳定，必须向开挖面施加一个相当于释放应力大小的力。泥水式盾构机中由泥水压力来抵消开挖面的释放应力。在决定泥水压力时主要要考虑开挖面的水压力、土压力以及预留压力。

在泥水式盾构机中支护开挖面的液体同时又作为运输介质。开挖工具开挖的土料在开挖室中与支护液混合。然后，开挖土料与悬浮液的混合物被泵送到地面。在地面的筛分场中支护液与土料分离。随后，如需要，添加新的膨润土，再将此液体泵回隧洞开挖面。

3 主要技术措施

3.1 施工准备

施工前做下列工作：

（1）办理公路部门的施工许可证，编制可行的施工方案。

（2）完成施工现场三通一平工作。

（3）施工机具设备摆放到位，完成技术交底工作。

3.2 开挖操作坑及加固

发送坑的尺寸和坑深应根椐施工机具、施工方法和管线深度而定。一般按如下方法计算：

(1)底宽

底宽=D1+S

式中：D1为套管外径，本工程0.9m，取1m

S：两侧操作宽度，本工程取3m

故工作坑底部宽度为：4m

(2)长度

式中：L1为工具管长度(m)，取1m

L2：管节长度(m)，本工程取11m

L3：出土工作间长度(m)，本工程取1.5m

L4：液压油缸长度(m)，本工程取1.2m

L5：后背所占工作井长度，包括横木、立铁、横铁取0.8m

所以计算工作井长度1m+11m+1.5m+1.2 m+0.8m=15.5m，取 16m。

接收坑尺寸为4m×2m×4m（长×宽×深）

由于地下水位较高，为防止塌方，同时保证后背推力，在发送坑两侧边用钢板进行围护，φ89×4钢管支撑在两侧钢板之间，支护高度为距离坑底2m；后背挡板采用δ=20mm钢板和φ76×6钢管排组成，尺寸为2.5×3m，坑底用石子(3-5cm)厚30cm做坑底垫层，垫层上等距离（约250mm）放置标准枕木，枕木上铺δ＝20mm厚钢板，保证施工精度。

3.3 安装调试设备

钢板上安装工字钢（10#）作为导向架，用水准仪找平，两轨道高程误差±10mm，轨道工字钢与底层钢板焊接。将主机吊入轨道，将电力电缆、信号电缆和油路连接，进行设备电力系统、自控系统和泥水处理系统进行调试。一切正常后，即可进入预备顶管阶段。

3.4 顶进作业

使机头刀盘贴住前方土体，调节好送水压力，然后打开机内止水阀，转动刀盘，关闭机内旁道，待流量达到额定值的80%时即可开始顶进。

顶进时按以下程序进行：安装顶铁→开油泵使千斤顶伸出活塞→千斤顶伸出活塞额定长度后开阀门回油→下管。

第一节套管顶进方向的准确性是整个顶管施工的关键。第一节套管的入土点和安装角度应准确。顶进过程必须勤测量、勤微调，纠偏角度应保持在10'～20'不得大于0.5°。

第一节套管顶完后及时与第二节套管组对焊接，重复上述步骤进行顶进。

4 关键环节控制要点

4.1 顶进方向控制

在饱和土或淤泥土中顶进长距离钢套管时，由于机头较重，钢套管弹性变形容易导致机头下沉，造成顶进下偏。施工中一是要求钢套管与机头连接必须牢固，套管与套管焊接采用双人对头焊，尽可能减少停机时间；同时必须勤测量、勤微调，及时纠偏。

4.2 泥浆压力控制

粉土饱和土流动性强，稳定性差，当泥浆压力小于土体压力和水头压力时，容易导致挖掘面失稳，严重时地面下沉；而当泥浆压力大于土体压力和水头压力时，容易导致泥浆冒顶。为此必须随时观察泥浆舱工作压力、土体压力和水头压力，保持压力平衡或泥浆压力略大于土体压力和水头压力，在挖掘面形成良好的泥皮护壁。

5 结语

通过该工程实例证明泥水平衡法顶管比传统的人工开挖法施工风险小、效率高，目前，该施工技术在市政工程中提到广泛应用，施工中遇到的问题均可以得到很好控制和解决。在长输管道饱和性软土中顶管中应加以推广应用。

[1]任晓娥.膨胀水泥在管道接口中的使用.山西建筑，2008-07-01.