泥水平衡顶管施工技术和质量控制

杨 晋 魁

(太原市市政公用工程质量监督站，山西 太原 030012)

0 引言

在城市快速发展过程中，地下隧道工程建设也大幅增加。由于顶管施工法可以极大降低工程对周围环境的影响，因此顶管施工法在城市地下工程建设中广泛应用。在地下隧道工程建设中，由于顶管开挖面会卸载周围岩体的压力，因此会对周围的建筑造成破坏，这就需要保证掘进面的强度和稳定性。在地下掘进过程中进行相应的支撑，如果支撑力大于最大压力就会造成地表隆起；如果支撑力小于最小压力就会造成地表塌陷，因此要保证支撑力介于最大压力和最小压力之间。

本文针对清徐对太原煤层气输气管道施工工程第三标段进行研究，管线全长约5 722 m，管径为φ820×15.3 mm和φ820×20.5 mm。管线设计压力5.0 MPa，输气管材料为螺旋缝埋弧焊钢管和直缝埋弧焊钢管，材质为L415。该项目施工场地的复杂等级为二级，工程地基的复杂等级为三级，管道线路的勘察等级为丙级，该段的土质主要为填土层，粘土层，砂土层及强风化花岗岩。本文就泥水平衡顶管施工技术和质量防治进行分析探讨。

1 泥水平衡顶管施工原理

泥水平衡顶管施工是顶管施工的一种常用方式。泥水平衡顶管施工是通过流入的泥水压力来平衡掘进过程中的岩体和地下水的外部压力，泥水主要是通过泥浆泵来控制泥浆的输出量。泥水平衡顶管施工的工作原理是在掘进机顶管机头后方预制密闭隔段，掘进机的刀盘与密闭隔段之间的空间形成泥水舱。泥水通过相应管道高速输送到泥水舱，泥水在掘进面上形成一道不透水的泥水薄膜，薄膜压力会阻止泥水向掘进面渗透。高压泥水所产生的压力会平衡掘进过程中的岩体和地下水的外部压力。掘进机在施工过程中，刀头切削的岩土会直接送入泥水舱，泥水舱内的搅拌机将岩土与水搅拌均匀，搅拌后的高浓度泥浆通过输出管流入泥水分离系统，刀头切削的岩土通过分离系统排出泥水舱，经过分离处理后的泥水再次被压入泥水舱使用。

2 泥水平衡顶管施工技术

2.1 泥水的配制

泥水一般是在顶进施工前配制好，其一般由水、黏土及添加剂按照一定比例配制而成，配制比例一般会根据地质条件来做出相应的调整。因此针对不同地质条件下的泥水配制比例是不同的，包括泥水压力的及时调控是泥水平衡顶管施工的关键措施。如果泥水配制没有达到预定要求容易引起地表塌陷或隆起、泥浆突涌等安全事故。可调控的泥水一般具有流动性好，物化性能优良，泥水膜性能优良，泥浆的黏度适中等优点。泥水在掘进过程中主要起到平衡岩土压力、输送切割岩土等功能。本工程第三标段的土质主要为填土层，粘土层，砂土层及强风化花岗岩。在掘进过程中通过对不同的岩层结构的泥水相对密度配制比例进行相应的调整，可以保证掘进工作线上方路面的安全性和强度，通过控制路面的上下位移来提高路面的刚度。该标段内岩土的性能参数如表1所示。

表1 清徐对太原煤层气输气管道施工工程第三标段的岩土性能参数

掘进面安全性和稳定性通过稳定安全系数来确定的。顶管施工掘进面的稳定安全系数与泥水相对密度的关系如下：

(1)

其中，β为掘进面稳定安全系数;ρ为岩土密度;ρm为泥水的相对密度;φ为岩土的内摩擦角。

结合表1的参数可计算得到各岩土段的掘进面稳定安全系数，或者通过稳定安全系数反推出相应的泥水的相对密度，然后根据泥水的相对密度来随时调整泥水的配比。根据计算，对于本工程填土层的内摩擦角较小，泥水的相对密度约为0.325～0.568。对于粘土层的内摩擦角大于填土层，泥水的相对密度约为1.122～1.356。对于砂土层的内摩擦角接近于填土层，泥水的相对密度采用1.122～1.356。对于风化花岗岩的内摩擦角远大于填土层，但是该层厚度远低于其他层，因此泥水的相对密度采用1.558。

2.2 泥浆分离技术

泥水的再次利用是工程作业的关键，因此泥浆的分离技术就显得很重要。泥浆的分离技术采用泥浆净化处理设备，该设备的工作原理为：输出管排出的混合泥浆通过泥浆分流器进入泥浆处理系统，泥浆处理系统设置筛分器，筛分器可以将粒径在一定范围内的渣料振动筛选出来。筛渣通过管道进入泥浆净化装置，通过振动、沉淀、脱水等工序反复处理。

2.3 顶管的测量和纠偏

顶管在掘进过程中，掘进路线测量和纠偏是非常重要的一环，如何高效且安全的施工就必须随时配合顶管的精确测量和正确纠偏。顶管在掘进过程中的进度测量和方向控制，主要是通过激光经纬仪和水准仪来实现的，纠偏过程是通过液压千斤顶实现的，测站的分布数量与顶管掘进误差关系如下：

(2)

其中，L为一次最大测量距离；D为顶管直径；R为掘进曲线段半径；l=60 m为顶管曲线段弦长。

通过计算误差后，需要对顶管进行曲线误差纠偏，纠偏工作主要侧重几点：1)认真核算，做好记录。2)布设在顶管内部测量仪器需要避免掘进位移，数据要进行重复3次测量。3)纠偏角度应该保持10°～20°。4)纠偏过程，液压千斤顶要时刻注意顶进角度和顶进位移。

3 泥水平衡顶管施工的质量防治

3.1 泥水控制

在顶管施工过程时，应严格控制顶管机压泥水和补泥水的工序。顶管施工的压泥水要及时补充，随时填充掘进机头与隔板之间的距离以及纠偏产生的空隙。补泥水根据地质情况随时配制和补充，该工程主要使用动压粘性系数较小、流动性好的泥水，以便在已有泥浆环的基础上迅速填补缺失的泥浆。

3.2 掘进过程旋转过大

掘进机在掘进过程中，由于刀头不断旋转极容易产生掘进机头以及顶管旋转的现象。掘进过程旋转过大的原因主要是因为顶管无法克服刀头旋转所带来的反向力矩。如果掘进机旋转角度过大将导致纠正失败，同时掘进距离会随着旋转角度的增大而增大，整体的掘进误差会随着掘进距离的增大而增大。这给顶管的测量和纠偏带来不良的影响，因此项目部在顶管掘进前要采取以下工作方法：

1)在顶管掘进过程中，工程技术人员要随时观测预支偏转仪的即时数据，如果旋转角度超过允许的范围内时，可采用控制刀头的旋转方向来进行纠偏。如果旋转角度恢复到允许的范围内时，就恢复刀头原来的旋转方向。

2)为了防止刀头旋转所带来的反向力矩，可在顶管掘进机内需要纠偏的一侧增加一定的配重，来平衡刀头所产生的反向力矩。

3)如果刀头出现较小的旋转，判断旋转方向后，需要准确计算刀头的掘进距离，并且要立即关闭泥水输送管的作业，然后将刀头反方向慢慢向前掘进，通过此法来提高刀头的正向力矩来平衡旋转角度，如果旋转纠正后，再将刀头的旋转方向改成正常掘进形式。

4 结语

清徐对太原煤层气输气管道施工工程段的泥水平衡顶管施工技术和已完成的成功实践，证明了泥水平衡顶管施工技术是适用的，且应用该顶进技术的曲线轨迹误差能控制在±5 cm以内，顶管施工对周边环境的影响小，为泥水平衡顶管施工技术的应用提供参考。