泥水平衡机械顶管技术在燃气工程项目中的应用

闫喜彬

（北京市燃气集团有限责任公司工程建设管理分公司，北京 100083）

1 概述

随着城市建设步伐的不断加快，大量地下燃气管道的敷设与管网改造工程也随之产生。传统的开槽管道施工方法存在破坏已有路面和基础设施、影响交通、扰乱居民生活等缺点，而非开挖施工技术可以通过不开挖（或少开挖）地表的情况下完成管线的敷设、维修和更新，有效地减少开槽管道施工的影响，在大城市被广泛采用。作为非开挖施工技术的一个主要分支，机械顶管施工技术日趋成熟，在穿越建（构）筑物、河流、道路、管道施工中发挥了越来越重要的作用。

目前常用的机械顶管施工法有土压平衡和泥水平衡两种方式，土压平衡顶管施工法采用螺旋输送机排土，主要适用于大口径顶管施工，而泥水平衡机械顶管施工法适用性相对较广，该项技术近几年在北京的燃气工程施工中得到了广泛的应用。

2 泥水平衡机械顶管原理及特点

2.1 原理

泥水平衡顶管掘进施工法是通过输送泥水管道将配置好的泥水送至掘进机泥水仓，并通过建立一定的压力来平衡切削刀盘前部的地下水压和切削面的泥土压，保证切削面稳定；而被切掘出的泥土或经过碾碎的石块与泥水混合后，通过流体输送系统将混合泥水排送到地面，进行泥水分离处理，经沉淀后的泥水再循环利用，土渣运走。在整个施工过程中，操作人员通过操作台上的监视屏必须随时观察顶进土压、泥水压力、切削力矩、调节顶进速度，保证施工地表隆起或沉降控制在最小的范围内。泥水加压顶管掘进系统是由顶管掘进机、主顶装置、泥水循环输送系统、测量系统、注浆装置、地面起重设备以及泥水处理装置等组成。

2.2 顶管特点

（1）适用的土质范围广。可根据土质条件的不同，选择安装与之相适应的刀盘。安装在切削刀盘上的滚刀可对砾石等进行一次破碎，圆锥破碎机对进入破碎室的石块进行二次破碎，使石块被破碎成能进入排泥管的尺寸，即在压缩强度高的砂砾、岩石层和地下水压力很高以及变化范围较大的地质条件下，都能进行高效率的施工。

（2）地表沉降小。通过泥水加压，可有效地保持切削面的稳定，对顶管周围的土体影响较小，引起地表面的隆起或沉降也比较小，可以有效地控制地表沉降小于10mm。

（3）顶进速度快且能够长距离一次顶进距离。使用泥水输送方式排土，可连续进行掘进施工，提高了顶进速度。与其他类型的顶管施工比较，泥水加压顶管所需要的总推进力相对比较小，尤其在黏土层中施工更为突出，特别适用于长距离顶进施工。

（4）工作环境优越。通过中央控制盘进行远程遥控操作，实现了机内无人化，工作井内作业环境较好，安全性高，不存在吊运弃土、搬运土方等容易发生危险和危及工作人员安全的问题。

3 不同土质下泥水平衡机械顶管设备及施工方法的选择

为了使泥水压力能在顶管机刀盘前部形成一层泥膜，保证挖掘面土层的稳定，根据土质不同，一般要求泥水的比重在1.05~1.25kg/m³ ，动黏度在15~60Pa.s，另外在较软的黏土层中，需要适当提高泥水压力。在渗透系数较小或比较适中的砂土层或砂性土层中，由于切削断面容易失稳，应相应增加泥水的相对密度，必要时在泥水中除加入一定的黏土外，还须加入一定比例的膨润土或其他添加剂，以保持泥水性质的稳定。在砂砾层中施工，泥水管理尤为重要，必须保持泥水有较高的黏度和较大的相对密度，施工时需要在反复循环的泥水中不断地加入一些黏土，才能使切削断面不会因为泥水的不稳而产生变化。

3.1 设备的选择

在施工准备前，顶管的设备选型尤为重要。施工人员可根据土质条件的不同，选择安装与之相适应的刀盘，这也是泥水平衡适用的土质范围广泛的原因之一。由于土质情况非常复杂，在实际应用中，刀盘的形状、刀头的数量等都会有变化。其中，采用砂砾型刀盘，可破碎的最大砾石直径一般为管径的1/3；当砾石的大小超过这一范围时，应选用巨砾型刀盘。根据砾石性质、巨砾的含有率、强度等指标的变化，设计更适用的刀盘形状，可破碎砾石的大小可达到管径的2/3。在巨砾石地质情况下需仔细分析后再选择刀盘形式。

3.2 施工方法的选择

3.2.1 砂性土层

对于泥水平衡机械顶管施工来讲，砂性土比较密实，是一种良好的土质。在顶进过程中，砂砾被水流冲散带出不易堵塞管道，切削阻力小，无需刀盘破碎，顶进速度较快。根据流体力学，通过一定通流截面的含砂水流流量（流速）越大，水流中所能饱和的含砂量也越大，故可以通过较大的流量来完成快速掘进。

3.2.2 淤泥质土层

淤泥质土很软且粒度小，在该层中掘进的切削阻力比在砂性土中的还要小，也不会堵塞管道。由于无论顶进速度如何，顶管的切削阻力几乎不变，因此管道可以在流量较小的状态下被快速顶进。在顶进过程中，机头前方的土层容易被冲空，导致机头下沉，故要控制流量、注意下沉纠偏，并且避免在停止顶进时开阀冲刷机头。

3.2.3 黏土层

在该土层顶进时会存在一个明显的特征，当水中含泥浓度较高时，管道易被堵塞，顶进速度变慢，而当水中含泥浓度较低时则情况相反。

因为在冲刷进水口时，清水可以有效地把黏土溶解带出，而含泥浓度较高时就很难把堵塞点冲开。所以，顶进时有条件的频繁换水可以有效解决管道堵塞问题，加快顶进速度。

3.2.4 岩石土层

一般来讲，选择具有切削和破碎能力的刀盘便能在岩石土层中掘进，但还要控制顶进速度，尽量放慢。慢速顶进可以减少刀盘上的切削量从而降低切削阻力；同时调低刀盘转速，以减少刀盘被岩层卡住时发生的瞬间冲击力。

3.2.5 杂填土层

地下工程施工经常会遇见木桩土层或者回填土地质，这种土质往往还会伴随着柳钉、铁块等，它们在弯曲的泥水管线中不易被水带出，会滞留在管道转折较大的变截面处，此后不断地堆积会造成管道堵塞。碰到此类情况时，可以放弃排泥泵，将泥水直接排放到工作井中，这样做就会直接去除最易堵塞的部位，同时要尽量加大进水流量，冲洗掉滞留在管道中的杂物。由上述可知，通过设备选择和施工方法的变化便可以发挥泥水平衡机械顶管在各种土层中的适用性。在施工前还需要注意的是，施工过程中泥水平衡机械顶管覆盖的土层厚度应大于管外径的1.5倍，覆盖土层最小值应为2.5m，最大砾石直径应在适应范围内；在不能更换刀盘和刀头的情况时，刀头的磨损度应在所规定范围内。

4 泥水平衡机械顶管在燃气施工案例应用

在近年来北京市燃气集团的管线建设中，非开挖技术的利用主要集中在穿越道路、河流等地段，其中泥水平衡机械顶管技术的使用较为频繁。下面就简要介绍分析怀密天然气供气工程以及燃气地下管线隐患消除工程（和平里05中压线）这两个工程中泥水平衡机械顶管技术的应用。

4.1 卵、砾地层顶管工程

该工程为怀密燃气一期工程（穿越京密路段），施工长度约为140m。京密路为交通枢纽、交通流量大，道路管理方对于工程的沉降控制、工期均有严格要求，且施工段以卵石层为主，部分卵石粒径400~500mm，砾石含量60%~70%，含砂率为20%~30%，轴线段无地下水。通过综合考虑工程地质勘察结果、项目工期要求、穿越段京密路的现况等诸多因素，决定采用破碎式泥水平衡顶管施工工艺代替原有的明开挖方案。

在设备选型方面，与设计单位、施工单位讨论研究后选取了DH-1350型号顶管机。作为大功率且具有二次破碎能力的顶管机，该设备可以能通过各类切削刀盘的更换来满足不同地质条件下的项目施工，当然也适用于本工程。由于卵石会对刀盘产生较大的磨损，从而影响顶进速度，为降低这种影响，采用耐磨焊条堆积对刀盘进行强化。

在实验段施工期间，发现被破碎排出的砾石粒径均小于20mm，低于正常值。排泥管道经常被泥水仓内的渣土堵塞，渣土排出变得不连贯，以致于顶进过程被中断，同时掘进面上方地表有泥浆冒出，造成严重的泥浆损失，泥浆循环无法正常进行，渣土便无法顺利排出。针对该问题，经多方讨论后提出以下解决方法：

穿越段的土层砾石含量大，土壤渗透性强，为解决泥水仓砾石未能及时运出导致排泥管被堵塞这一问题，采取增大泥水比重来配合开挖面的泥水平衡，而且通过增加管道内液体流速来提高泥浆的携渣效率；采用注浆加固的措施来对穿越段影响范围内的地表薄弱处进行填补，可以在一定程度上稳定开挖面的泥浆压力。这些方案的实施保证了工程质量和工期，这也是破碎式泥水平衡顶管技术和设备在北京地区燃气工程施工中的首次应用。

4.2 砂层顶管工程

该工程为燃气地下管线隐患消除工程（和平里05中压线）穿越北护城河段，穿越长度为71 m，穿越的土层主要粉细砂层，有地下水。施工中的难点是顶进坑靠近现况居民楼，水平距离9.2 m，坑深12.7 m，开挖工作坑时不能对居民楼造成任何伤害且不能采取降水施工；粉细砂层在地下管道污水、河水共同作用下形成流沙，影响了顶进坑的开挖施工。

经过多方讨论后，对原方案进行调整：由土压平衡机械顶管改为泥水平衡机械顶管，采用NP-1050泥水平衡顶管机，管径也由DN1550调整为DN1050，从而减少了顶进坑的深度；迅速封底，采取措施尽快使底板强度达到要求，待底板强度达到要求后，在井内采用小导管方式，从底部向上注浆填充井壁后空隙，此后直到重新开挖之前可停止抽排水；采取地面注浆方式加强帷幕注浆效果；加强对周边构筑物的监测。

顶进过程中为防止管道与土体摩擦造成的土层结构破坏，同步注入润滑泥浆，并保持泥浆压力，泥浆压力在0.08~0.12MPa。经过调整后，泥水平衡顶管工艺保证工程顺利完工，也确保了工程安全和质量。

5 结束语

通过以上两个案例可以了解到，泥水平衡顶管施工技术在燃气工程项目中的作用。总结来说，泥水平衡顶管施工管理的重点是保证挖掘面稳定的同时，维持线形、构筑管线结构、尽早填充土体空隙。由此在施工前必须根据环境情况、地质及水文条件、设计文件要求等，在实验段的基础上，确定具体施工参数及管理重点；施工过程中要根据监控量测的数据结果不断优化参数控制，最终确保施工安全、质量、进度、成本预期目标的实现。