严寒地区矩形顶管施工技术研究与应用

李才波

（广东省基础工程集团有限公司 广州510620）

0 引言

哈尔滨市为我国东北三省重要的省会城市，近年来为了缓解交通压力、促进经济高速发展，开始进行地铁2号线、地铁3号线的建设。泥水平衡矩形顶管施工技术在哈尔滨轨道交通地铁2号线人行过街隧道中首次被应用，泥水平衡矩形顶管施工具有占地面积小、不开挖路面、不封闭交通、减少管线搬迁、低噪音、无扬尘、不扰民等优点。

冬季高寒低温是影响东北“三省四市”城市基础建设的主要因素，哈尔滨作为东北三省最北部的省会城市，冬季尤为漫长，在每年10月中下旬即进入冬季施工阶段，次年4月仍可能出现降雪天气，即冬季施工接近6个月。

哈尔滨地铁2号线某车站1号人行出入口矩形顶管工程恰在2020年11月进入冬季施工，为保障地铁2号线在2021年顺利通车，本项目拟定了《大耿家站冬季施工方案》，方案结合泥水平衡矩形顶管的施工特点，参考多个泥水平衡盾构冬季施工方案编制。

本文主要针对泥水平衡矩形顶管冬季施工方案施工过程中冬季泥水循环系统的保温、施工作业空间的供暖措施、管节吊装工序过程中暖棚内温度的控制、活动棚的合理性以及物料保温控制等方面进行论述，方案总结出一系列可以保障泥水平衡矩形顶管冬季施工质量的措施、可以提高建设效率的保温加热系统，为顶管工程今后在东北三省冬季施工提供参考依据。

1 工程概况

哈尔滨市地铁2号线某车站1号出入口工程顶管段自东向西穿越松北大道主干道（见图1），采用泥水平衡矩形顶管掘进机，管节截面尺寸7 700 mm×4 500 mm，顶管段长度48.4 m。工作井设置在南向北侧绿化带内，接收端位于车站站厅层，采用弃壳接收施工工艺，工期4个月，自2020年11月至次年2月。

图1 施工现场Fig.1 Construction Site

2 气候概述

哈尔滨冬季漫长寒冷干燥，多西北风，全年平均气温3.5℃，1月最冷，七八月最热，全年无霜期约150 d，结冰期约190 d。区内季节性冻土发育。从10月末开始冻结，至翌年3月中旬开始融化，最大冻结深度2.05 m，标准冻结深度2 m。哈尔滨近三年来10月至次年1月的每月平均/最低气温如表1所示。

表1 近3年哈尔滨气温Tab.1 Temperature in Harbin in Recent Three Years

3 冬季施工技术措施

某车站顶管施工10月底进入冬季施工准备阶段，在高寒气温下进入冬季施工的主要措施为保温、供暖及活动棚设置等其他保障措施。

3.1 顶管工程施工保温措施

该工程顶管工程施工设施根据部位不同可分为地面设施和井内设施，其中地面设施主要包括泥水分离器、进排浆管道、泥浆循环池、渣土池。地下设施包括顶进千斤顶、泥水循环管道、油泵站、管节顶管机程控室、配电室等。其中涉及泥水的设施均需进行保温。从顶管施工场地及顶管工程施工工艺特点方面综合考虑，顶管工程顶进施工保温主要分为4个方面：①泥浆池、渣土池及泥水分离器搭建保温棚；②搭设顶管施工工作井保温棚；③搭设物料保温棚；④泥水循环、降水井抽水管道保温。

泥水设施保温棚尺寸为20 m×10 m×7.5 m；工作井保温棚直接设置在工作井冠梁上，尺寸为14 m×12 m×2.5 m；物料保温棚位于人行出入口通道顶板上部，尺寸为14 m×12.5 m×6 m。保温棚采用轻钢结构进行搭设，钢屋架底部设置4个集装箱式扣件通过固定销直接扣在钢板上，钢板用膨胀丝与冠梁面连接。保温棚顶及侧壁采用120 mm厚挤塑聚苯乙烯泡沫板，挤塑板作为保温材料具有良好的保温性能、较高的抗压强度等［1］。导热系数为0.041 W/m·K，保温棚内外均设置温度计监控温度。

结合顶管机施工工艺特点，为方便管节吊装下井、井下设备维修，工作井保温棚不设侧墙直接采用三段屋架扣在井口冠梁上，如图2所示，尺寸分别为①14 m×5 m×2.5 m，②14 m×3 m×2.5 m，③14 m×4 m×2.5 m，其中②节为管节上下井活动棚，顶管管节尺寸7.7 m×4.5 m×1.5 m，考虑到活动棚在起吊过程中造成工作井的热量损失、吊装过程中的安全距离、场地受限等方面因素，方案策划在第③节，即顶进方向后部设置活动棚起落架，管节下井时将第②节棚就近放置在第③节起落架上方，该措施节约了管节下井时间，经施工过程统计约100 min，与无棚状态下的管节下放环节相比仅增加约20 min。

图2 工作井保温棚Fig.2 Working Well Insulation Shed

泥水循环管道是泥水平衡式顶管机施工必不可少的一部分，管道连接着泥水分离区及工作井施工区。在工作井保温棚及泥水设施保温棚间存在直接裸露位置，若不采取保温措施，管道泥水将会在极短的时间内冻结，为保证在高寒情况下泥水循环过程中泥水正常循环，通过组合试验方案拟采用伴热带、保温棉对管道进行加热保温，流程如下：泥水循环管道➝伴热带➝热量反射膜➝玻璃棉➝塑料带。

施工过程：泥水循环管道直径125 mm，布设管道时留有伴热带缠绕工作面，每间隔10 mm螺旋缠绕伴热带，如图3所示，为防止堵管时爆管在快速接头处预留500 mm长伴热带，而电伴热是用电能量来补充在工艺流程中所散失的热量，从而维持流动介质最合理的工艺温度［2］，故铺设完成后通电试热，测试通过后沿管道走向铺设热量反射膜及玻璃棉，每铺设一段后用塑料扎带扎紧，通电后采用水银温度计测量管壁及保温棉内部温度，确定温度在5℃以上视为验收通过，伴热带温度设置采用温控器随室外温度变化进行调整，验收通过后方可注入循环泥浆以确保泥浆不产生“挂壁”情况，在顶管机施工过程中，电工巡查人员定时监测管壁及保温棉内部温度，确保顶管正常顶进期间及工作间歇期间泥浆温度达到使用要求。

图3 伴热带缠绕Fig.3 With Tropical Entanglement

3.2 顶管冬季施工供暖系统分析

本次冬季施工室外温度-21℃～-32℃，室内温度的设置是关键分析内容。方案初步策划：根据人体穿着单衣在室内适宜的温度24℃为基数，需要考虑的因素如下：顶管施工作业人员需要随时进行室内外工作面切换、人员进出暖棚穿脱需要穿脱方便、室内外温差过大会产生人体不适（室内施工出汗现象、室外寒风侵袭），保温棚温度初步设置为：24℃-5℃=19℃。通过与多名作业人员交流温度对体感的影响，基本确定室内温度控制在18～19℃，作业人员在此温度区间脱去棉衣施工较为适宜，同时外出作业前穿戴厚棉衣后可较快适应室外温度。

暖棚内供暖加热措施分为2种：①热风炮供暖（供热功率100 kW，燃油动力），如图4⒜所示；②蓄热式电锅炉供暖（80 kW，电能，三档设置），如图4⒝所示。

图4 暖棚内供暖加热措施Fig.4 Heating Measures in the Greenhouse

热工计算参数：

泥水保温棚体积V1=20 m×10 m×7.5 m=1 500 m³；工作井保温棚体积V2=12 m×14 m×9 m=1 512 m³；物料保温棚体积V3=14 m×12.5 m×6 m=1 050 m3；环境温差△T=19℃-（-27℃）=46℃；聚苯乙烯泡沫板保温系数K=3.0；热风炮供热功率为100 kW/台；工作井井深为9 m。

3.2.1 热风炮数量计算

W1=△T×V1×K=46×1 500×3=207 kW＞100 kW

A1≈2台；

W2=△T×V2×K=46×1 512×3=208.65 kW＞100 kW

A2≈2台；

W3=△T×V3×K=46×1 050×3=144.9 kW＞100 kW

A3=2台。

式中：W1为泥水保温棚供暖所需功率；W2为工作井温棚供暖所需功率；W为物料保温棚供暖所需功率；△T为室外与室内温差；V1为泥浆保温棚总体积；V2为工作井保温棚总体积；V3为物料保温棚总体积；K为聚苯乙烯泡沫板保温系数。

泥浆保温棚热风炮所需数量A1=2台；工作井保温棚所需数量A2=2台；物料棚所需数量A3=2台。总计所需热风炮台数A=A1+A2+A3=6台。

3.2.2 电锅炉数量计算

电锅炉供暖采用XDDGL-80 kW柜式智能电锅炉，定额功率为80 kW/台，额定电压为380 V，有效供暖面积900 m2（普通民房），层高按3 m计算。

S1=20×10×（7.5/3）=500 m2；

S2=12×14×（9/3）=504 m2；

S3=14×12.5×（6/3）=350 m2；

S1+S2+S3=1 354 m2＞900 m2。

式中：S1为泥水保温棚供暖面积（m2）；S2为工作井温棚供暖所需面积（m2）；S3为物料保温棚供暖所需面积（m2）。

暖棚共需要2台智能电锅炉。

电费：0.68元/kW·h；热风炮燃油消耗值：8 L/h；柴油费用：5.5元/L。

经济对比：

电锅炉24 h使用费用=

80 kW×24 h×2×0.68元/kW·h=2 611.2元

热风炮24 h使用费用=

24 h×8 L/h×6×5.5元/L=6 336元

从安全、高效、节能、恒温、环保、清洁考虑，方案拟采用2台80 kW的电锅炉及若干组暖气片进行水暖供热。

电锅炉体积较小可放置在物料棚内，1号电锅炉负责给远距离的泥水分离器保温棚供暖，2号电锅炉负责给物料保温棚以及工作井活动棚供暖。泥水分离器保温棚内设置24个暖气片，均分布在泥浆池侧壁，确保泥浆保持在14℃左右；工作井活动棚内设置27个暖气片，主要分布在吊装管节以及洞门附近，目的是为了给隧道内提供热量以及快速提升因活动棚起落造成的温度损失，并对刚下井的管节进行升温，确保其在进入洞门前恢复至0℃以上；在物料保温棚设置9个暖气片，主要分布在膨润土搅拌处以及四周墙体上，保证物料保温棚的达到19℃，保证工作人员的工作效率，该类供暖方式为蓄热式电采暖，而蓄热式电采暖不仅经济效益好，而且可以有效地减少环境污染，提高工作质量，社会效益十分明显，电锅炉系统如图5所示。

图5 电锅炉系统Fig.5 Electric Boiler System

3.3 顶进施工温度控制

3.3.1 管节温控措施

泥水平衡式顶管掘进机在顶进过程中需要吊装管节下井，而管节插口位置需要进行密封胶圈的黏贴，管节密封橡胶圈其材质为氯丁橡胶及遇水膨胀橡胶的复合体，该类复合橡胶圈有良好的物理机械性能，耐油，耐热，耐燃，耐日光，耐臭氧，耐酸碱，耐化学试剂。缺点是耐寒性和贮存稳定性较差。在-28℃的气温下，该复合橡胶圈的塑性会下降，若直接在低温环境下进行管节的拼装，则可能导致密封橡胶圈脆性破裂。所以管节进场后粘贴密封橡胶圈，为保证密封橡胶圈及粘接胶的性能稳定，密封橡胶圈及粘结胶储存在泥水设施保温棚内进行恒温存储，在管节吊装下井前安排专人对承插口处进行喷灯预热后黏贴密封橡胶圈，以确保胶条拼装质量。

3.3.2 物料棚温控措施

触变泥浆在静置或受震条件下分别呈凝胶或溶胶状态。在泥水平衡式顶管施工过程中触变泥浆至关重要，触变泥浆在顶管顶进过程中主要起到减阻润滑的作用，减小管节对土体的扰动，为此，需往泥浆中加入化学处理剂（如纯碱），以增加粘土的分散性和浆液的稳定性，加强土颗粒的水化作用、降低泥浆的失水量，保持适当的稠度［4］。泥浆拌和后的停滞时间应在12 h以上。在泥水平衡式顶管机冬季施工过程中关于触变泥浆发酵温度的控制是影响触变泥浆效果的关键因素，物料保温棚温度通过水暖气片控制温度，保证在19℃，水暖气片如图6所示。

图6 水暖气片Fig.6 Water Radiator

3.3.3 泥浆及渣土外运措施

顶进过程中泥水循环分离后的土方存放在泥水设施保温棚内，泥水设施保温棚大门利用活动帘布进行遮盖，泥水分离器筛分出土时，门帘掀开后采用挖机进行倒运出棚，渣土完成倒运后归堆，渣土在-25℃的温度下，外部表层结冰，内部渣土温度保持在0℃以上，及时清运不影响渣土装车，渣土在运输过程中会与车体发生冻结，进入弃土场后需要挖机辅助卸渣。泥浆外运采用棉布对车身进行包裹，添加防冻剂，预防泥浆冻结在车箱内，冬季泥浆车如图7所示。

图7 冬季泥浆车Fig.7 Winter Mud Truck

4 结语

⑴本次冬季施工是泥水平衡式矩形顶管机在高寒地区的首次应用，方案采用电锅炉水暖系统的方式对保温棚进行供暖，有效的克服了低温对泥水循环系统的影响，确保了泥水平衡式矩形顶管机正常顶进。

⑵大耿家站人行通道在冬季顺利贯通，证明了泥水平衡顶管机在高寒地区的适应性，为今后类似工程在东北地区施工提供了参考依据，同时该工程的成功实施也加快了东北地区基础设施建设的速度。