泥水平衡顶管技术在隧洞工程中的应用

李成花，王庆凯，冯灿

（淮河工程集团有限公司，江苏 徐州 221018）

1 项目概况

高湖西头新引用水源地建设工程中的恒茂隧洞顶管施工区，位于江西省靖安县高湖镇西头村－靖安县城自来水厂沿线，工程区内水文地质条件较简单，地下水的类型主要为松散层孔隙潜水、基岩裂隙水。区内工程地质条件及岩土工程特性主要体现在顶管通过地形山体较雄厚，山坡较陡，顶管穿越山体高程最高点为350m，桩号0+387～0+422 为鞍部，高程为230m，桩号0+900～0+922m 为鞍部，高程为290m；顶管沿线分布地层自上而下依次为含砂粘土、全风化花岗闪长岩、强风化花岗闪长岩、弱风化花岗闪长岩，厚度依次为1～10m、7.3～19.6m、10.5～19.4m，弱风化花岗闪长岩钻探未揭穿。

2 泥水平衡顶管技术

2.1 工作井与接收井开挖支护措施

围护结构使用了倒挂井支护墙，采用倒挂逆向循环往下施工，即自上而下循环开挖支护的方式。覆盖层人工填土方采用长短臂挖机开挖，保护层采用人工开挖，利用1.0m3斗容反铲挖土机将开挖的渣土装入密闭式的自卸载重汽车内，运输至弃渣场。井壁护壁支护墙采用倒梯形钢筋混凝土结构。

工作井及接收井与功能井外空间采用粉质黏土回填，一般含水率25%～30%，压实度≥90%。

2.2 管机、管材选用

本项目采用D1800mm 二次破碎岩石顶管机，型号为NPD-1800；该顶管机对强风化、弱风化、微风化具有极强的适应性、针对性。为降低当地软硬岩和顶管机械的综合作用，避免顶管内外表面出现开裂问题，提高成品输水管的质量，降低输水安全隐患，本项目将输水工程中常采用的PCCP 管更改为新型JPCCP 管。

2.3 出土方案

泥水输送方式采用全自动形式，挖掘出的土渣在机舱内通过搅拌与泥水混合形成泥浆后，由泥浆泵抽至泥水循环系统。泥浆循环系统由在工作井旁设置的三个泥浆池（长×宽×深=6m×3m×2m），将抽排出的泥浆循环至泥浆池内，当泥浆浓度达到一定稠度（一般是1.65）不能循环利用后，通过环保吸污罐车运输至指定地方，同时再调制新的工作泥浆供顶管施工循环利用。本项目采用环保吸污罐车抽排，不会污染沿途道路环境。

2.4 主要工序及措施

2.4.1 井下准备工作及井内布置

工作井的井内布置包括：主顶油缸、油泵动力站、后靠背、导轨、钢制扶梯等；井内留有800mm×800mm×1200mm（长×宽×深）的集水坑，用于井内抽水，并设置了引水槽至积水坑；顶管基座位置的放样以管道设计轴线为准，并进行安装固定；准确放置基座导轨并对其进行加固，以保证基座的稳定。

2.4.2 导轨及后顶的安装

轴线确定后，先安放后靠背，后靠浇筑混凝土，并以2cm 后钢板作为受力面板。副导轨需经导轨安装完毕后，在预留洞口内安装，且保证其轴线和高程与主导轨保持一致，以防止机头进洞后低头。

2.4.3 泥水系统控制措施

泥浆系统的主要作用是输送挖掘出的渣土和平衡地下水。当掘进风化岩时，在泥浆中加入膨润土等粘性材料，增加泥浆的粘度来达到排渣的最终目的。通过振动筛、循环沉淀器、干燥器等方式处理夹带泥砂的泥浆。经三级沉淀分离后，泥浆可以循环利用，渣质积累后弃置处理。

2.4.4 进出洞口的措施

在顶管顶进之前，在工作井内洞口处安装环形橡胶止水圈，既能防止洞口处的水、土和泥浆从管外壁与洞门的间隙涌入工作井中，又能防止减摩浆在顶进施工过程中从间隙处流失，保证完整的泥浆套来达到减小顶进阻力的目的。现场需实时监测洞口漏泥、漏水等，并设置排污泵及时进行抽排。

2.4.5 顶管顶进与地层形变控制措施

在经过对企业战略管理与项目管理耦合重要性和必要性的分析以后，相关企业就要充分地意识到在企业实际的发展过程中促进战略管理与项目管理耦合是一种可行性建议，并且还要积极地采取有效的措施来进一步实现两者有效合理的耦合。因此，企业可以通过强调企业战略管理与项目管理耦合需要具有策略性、互动性、共生性以及关联性提供优质的发展条件。

由于地下水位高，土体松软，机头进洞时应加固机头防止下落，保证机头顶进安全。用拉杆将机头与后续管节连接起来，并在导轨上每间隔1m 设置两个手拉葫芦拉紧，保证机头顺利沿着导轨方向顶进。控制好顶进轴线偏差和纠偏量是保证管节沿设计轴线顶进的关键。为保证顶进方向持续控制在设计轴线范围内，现场通过控制台显示屏上的激光点及时调节纠偏油缸，要求操作规程严格、持续纠偏（单项纠偏角度为10′～20′，小于1°），及时出报表。

在顶管施工中，根据土质类型、覆土厚度和地面沉降量以及测量报表的分析，来调整泥水与土压的平衡值，且要求保持相对平稳的坡度，控制纠偏量从而减少对周围岩层的扰动。根据顶进速度、排泥量、地层变形量及时调整注浆量和注浆压力，从而将轴线和地层变形控制在最佳状态。

2.4.6 触变泥浆减阻措施

在顶进过程中，采用多点对称压注方式，在顶管机尾部与管道上的预留孔向管节外壁压注泥浆，使泥浆均匀地填充在管节与土体的空隙，来减小管节外壁和土体间摩阻力，从而减小顶进阻力；减摩泥浆采用触变泥浆，要求泥浆保持不失水、不沉淀、不固结的状态，根据不同的地质情况及时调整泥浆的配比以达到预期的减摩效果。

泥浆套一方面起润滑作用，减少顶管推力，另一方面可以支撑管道，防止周围岩层变形；膨润土具有叠层结构，水分子进入叠层之间产生膨胀，从而与顶管间形成泥饼，其具有高膨胀、低渗透、封闭性的特点，在顶推中，停留时间不宜过长，否则会产生较大的摩阻力；同时顶推扰动会增加膨润土的润滑作用，其剪切力使膨润土流限降低，顶管可以悬浮在泥浆套之中[1]。本项目通过不断循环压入新鲜泥浆，保持管道周围泥浆的润滑性。

2.4.7 出洞口的土体加固措施

根据顶管顶进情况，在掘进机到达接收井前，对地质较差的洞口土体进行注浆加固，范围包括：洞口前5m 开始，洞口距管道外侧2～3m的土体。

进入接收井前，提前凿除洞口的护壁砼，洞口直径一般比管外径大300～400mm。

进入接收井后，掘进机头必须迅速、连续地顶进管节，以缩短出洞时间。整个掘进机进洞后，要及时分离机头和管节，并按设计要求处理好管节和接收井的接头，避免水土流失。

2.4.8 注浆措施

顶管顶进完成后及时对顶管四周的缝隙进行水泥浆充填，以防原始地形沉陷和地下水系流动，水泥浆充填密实坚固，所用设备参照触变泥浆设备。注浆要求逐孔依次，水泥浆液要求均匀，无结块和杂物。

在管道顶端空隙处每隔4～6m 打孔作为压浆孔，同时使用管内原泥浆减阻所使用的3 个Φ25 压浆孔。

第一次注浆，每段注浆从第一孔开始，注浆时间以下一孔出浆为止，每段注浆完成后静止6～8h 后进行第二次注浆。第二次注浆压力不变，直至合格为止，依次注完所有。为保证管道加固效果，测试后按需及时进行补浆，注浆结束后及时进行清理设备，以防止注浆设备堵塞。

3 顶管施工重难点分析

3.1 刀盘刀具设计及处理

顶管机头刀盘分为腹板式和面板式，据研究结果表明，腹板式刀盘开口率更大，尤其中心区域开口大，针对粘土、泥砾等复合地层，“结泥饼”现象较低；面板式刀盘的类“米”滚刀布置产生的经向不平衡力和倾覆力矩更小，适合本项目的岩层地质情况[2]。

另外，由于长距离顶管，刀盘长期破碎切削岩体造成刀具磨损，当刀具磨损过度将难以继续破碎岩体，造成无法顶进。

现场顶管机具备机内开仓更换刀具功能，当刀具磨损过度无法顶进或顶进太慢时，采用机内开仓更换刀具，及时更换新刀具后继续向前顶进。

3.2 长距离顶管电压损失较大导致无法顶进

原因：由于长距离顶管电压损失较大，现简单计算全长1332m 电压损失情况需要采用多大截面积电缆，计算电压降以ΔU ≤19V 为符合要求，铝芯电缆ΔU=18.78V ≤19V 或铜芯电缆ΔU=17.29V ≤19V。

解决措施：通常标准使用的机头主电缆因电压损失的问题已不能满足长距离顶管施工的要求，动力主电缆可采用五芯铝芯电缆4×185+1×95 或五芯铜芯电缆4×120+1×50 即可解决电压降问题。同时考虑温度对于电压降的影响，变压器应安装带档位调节装置，初期机头进洞可将变压器电压档位调至385V，顶进800m 时可将变压器电压档位调节至400V，顶进1000m 以上可将变压器电压档位调至415V 以上，解决了因温度影响的电压降问题。

3.3 顶力过大

原因：长距离顶管时，因地质的变化情况会导致摩擦力及迎面阻力逐步增加，经理论计算会与实际顶管过程中产生偏差，实际顶力会出现超过管材承受的顶力或超出油缸顶力或超出后靠背能承受的顶力，则判断顶力过大无法顶进，如强行顶进会导致管材破碎、后靠背开裂、油缸无法提供足够的顶力等情况。

解决措施：该问题主要由地质变化带来的不确定因素，因此顶管始发前应做好地勘的研究，判断土质变化的区间调整顶管参数，同时提前准备注浆减阻和工作泥浆的制备，时刻监测出渣的情况，不断根据出渣的情况判断土质情况，不断调整顶管参数和泥浆的比重，即可将顶力控制在可控范围[3]。另外，根据实际情况，经过受力分析增设中继间确保施工安全顶进。

3.4 中继间数量确定

在顶管施工中，考虑顶管顶力与油缸提供的推力、管材允许承受顶力、后座墙提供的反作用力的对比，取其中最小值与顶管顶力进行对比，考虑是否增加中继间，经计算本工程最大顶力为42936.22kN；油缸提供的推力为9600kN；管材允许承受顶力为4600kN；后座墙反作用力为16675.17kN，经对比均不满足施工顶力要求，需要增设中继间。中继间的设计原则以三者中最小能承受顶力管材许用顶力（F′=4600kN）为限值计算中继间增设的数量，同时施工中应重点关注管材的质量，包括龄期、强度及外观等。中继间增加计算如式1。

中继间的数量n 计算：

式中：n 为中继间的数量（取整数）；D 为管道外径，取2.26m；f 为顶管外表面的综合摩阻力，取0.45t/m2；f0为中继间的设计允许顶力，取管材许用顶力4600kN。

本段顶管需设置13 个中继间，第一道中继间的间距计算（按60%中继间顶力计算），中继间设置位置如式2。

式中：S′为中继间的间隔距离（m）；k 为顶力系数，宜取0.5～0.6，取0.6；F2为顶管机迎面阻力，取400.4kN；F3为控制顶力，取4600kN；D 为管道外径，取2.26m；f 为管外壁与土层平均摩阻力取4.5kPa。

取第一道中继间布置位置L1=78.9m。后续中继间间距按80%中继间顶力计算，即k ＝0.8；后续中继间顶推时，取F2＝0。

中继间的间隔距离⊿S＝k（F3－F2）/（πDf）＝78.9m。中继间的增设根据主成分析法分析，考虑顶力计算、经济成本和施工安全3 个要素层面，本项目安装13 个中继间。

4 结论

泥水平衡顶管施工技术在各类岩层中使用逐年增多，相比之前的爆破法施工，此类技术的最大优势是安全性，正确使用本技术，可以100%确保人员和设备安全；同时此技术针对本项目的岩层长度在国内也较为罕见，施工过程中难免会遇到其他各种问题，针对现场可能出现的情况制定了对应的措施和方案，同时做好施工记录，以为进一步提高类似施工质量和效率提供施工参数和经验