冰川沉积物特性复合地质中的泥水平衡顶管施工

王天功

上海市基础工程集团有限公司 上海 200002

随着加拿大建设工程的展开，实施施工中的土质复杂性等对泥水平衡顶管机设备性能及顶管施工技术提出了更高要求[1-4]。

本文结合加拿大埃德蒙顿市南部排污管道SA1a段工程顶管面临的冰川沉积物特性复合地质条件，通过对顶管设备改良及顶管施工技术改进，进一步完善泥水平衡顶管的施工工艺，并为后续加拿大地区复杂地质条件施工提供了实用经验。

1 概述

1.1 工程概况

背景工程为加拿大阿尔伯特省的埃德蒙顿市南部排污管道SA1a段，工程范围为第91大街和第九大道的排污管道（管道内径2 200 mm）将向西南方向延伸约1 200 m。需要穿越安东尼亨迪公路，以及φ508 mm的HP燃气管。该段顶管范围划分为5个区间段，设置工作井2个、接收井2个。工程采用顶管施工，顶管机为1台泥水平衡顶管机。

1.2 地质条件

顶管施工涉及地质情况除了表层土之外主要还涉及②湖底性质黏土、③黏性冰碛土、④砂岩和黏土页岩基岩等。特别是顶管需穿越的③黏性冰碛土，在国内基本没有分布，施工人员对其参数、特性的认识相对不足。该层土含鹅卵石、微量细砾石、煤片和随机分散且不连续砂子区域，具有冰川沉积物特性。

2 风险分析

2.1 土体复杂，施工风险大

工艺选择及设备选型、设计等，应充分考虑土层适应性问题，并满足工程进度需要。机头选型采用适应性更强的泥水平衡式顶管机，头部增加高压水泵，增加水力切削效果。以此应对当地土质变化较快，且地质条件不熟悉的问题[5-9]。

2.2 施工复杂，需穿越构筑物和管线

顶管工程需要穿越安东尼亨迪公路（为当地一条重要的道路），及工作井附近的燃气管、油管等构筑物和管线。本工程除通过公路区域的覆土厚度为5.7 m左右外，大部分区间覆土为3.1～3.3 m，小于1.5倍的管径，属于浅覆土顶进。

同时地下水位除公路两侧处在管顶高程以上，其余位置都在管底标高以下，在地下水位较低的土层中顶管由于地下水压力作用效果较小，工具头到达前所产生的沉降较为明显，容易对现有构筑物和管线产生破坏。

3 可调节式泥水平衡顶管机

3.1 顶管机主要参数

工具头外径为2 640 mm，长4.0 m，质量为32 t，刀盘结构为圆盘式，开口率75%，纠偏方向千斤顶顶力1 500 kN，纠偏角度±2°，变频电机功率37 kW，刀盘旋转力矩414.9 kN·m，刀盘旋转速度2.2 r/min，旁通油缸关门推力31 kN、开门拉力16 kN，姿态仪双向±15°，行程仪纠偏距离0～100 mm，泥浆泵压力2.5 MPa，流量9 m3/h。

3.2 顶管机改良技术

根据本工程特点、地质情况及以往类似顶管经验，选用泥水平衡顶管机进行本次顶管施工（图1）。泥水平衡顶管工法具有工艺成熟且顶距长、能很好地控制地面隆沉、施工安全等特点，可适用于各类复杂地质条件，因此非常适合本工程穿越重要道路、建（构）筑物及特殊管线的施工特点，该工具管自主设计，刀头采用最新技术的截齿刀，同时超挖刀超出顶管机外径不大于1 cm，以减少超挖量，防止对土体产生过量扰动。

图1 可调节式泥水平衡顶管机

在刀盘上分布有5个加水口，4个布置于辐条式刀盘上，1个布置于刀盘中心，口径为6 mm。对开挖面土体进行水力切削，以提高切削速度，减小土体过硬而造成顶进速度慢的问题。头部加水高压泵使用BW150卧式泥浆泵，该水泵有多挡位可以进行调节，经过试验确定在使用快速3挡和慢速4挡时，单个出水孔可以达到4 MPa压力，该条件下单台水泵每小时需要用水7.5 m3，头部共配置3台水泵。将水泵启动与顶进进行联动，每次开顶时通过自动化控制系统对工具头操作顺序进行锁定，先开启水泵加水才能进行顶进。该工具头适用范围大，故障率低，生产效率高，通过多年来的施工设计改进，其设备性能质量能满足本项目的施工需要。

4 关键施工技术

4.1 泥浆减阻

顶管工具管穿越土体后被扰动的松动区域需要触变泥浆来填充弥补，需要在其间保持一个相当于土压力的触变泥浆压力，触变泥浆能够承受全部的土压力，隔离开土层与顶管管壁的直接摩擦。

压浆压力由主动土压力±120 kPa来计算，具体施工中根据覆土深度建立表格，分区段控制压力，再结合施工现场实际情况进行调节。本次工程工具管的外径2 650 mm，由于管节外径2 640 mm，同步注浆必须足以填充这一空隙，注浆量为Δv＝π×2.65×0.01＝0.083 m3。考虑到该部分建筑空隙为永久空隙，必须在工具管通过后迅速填充，将Δv乘以一个6～8倍的系数，则在顶进一节管子（2 m）时需要填充的建筑空隙为0.996 m3。

为满足本工程泥浆减阻的需求，工作井配置1套压浆设备，泥浆系统设备配置如下：

1）工具管后设置连续2道同步注浆环，其后的跟踪注浆环每隔4管节（4节×1.82 m）设置一环。注浆环每环设置4个压浆孔，呈90°环向布置。

2）压浆供给管路为2英寸管（外径约60 mm）1路，分别与各压浆环连接，为保证头部同步注浆压力，本次压浆泵采用活塞式压浆泵，保证压浆套的形成，减少摩阻力。

3）工作井地面上设置2台压浆泵（1台备用）。

4）本压浆系统与顶进系统信号联合控制。

泥浆配制时，最佳支承作用的触变泥浆应根据顶管穿越土层筛分曲线详尽地掌握土层的颗粒分布，并选择适当的膨润土微细颗粒所占的比例及膨润土的种类，从而保证配制出的支承泥浆能够具有一定的黏滞度和形成足够的注浆厚度。

润滑泥浆材料主要采用钠基膨润土，纯碱、CMC。物理性能指标：密度1.05～1.08 g/cm3，黏度30～40 s，泥皮厚3～5 mm。

拌浆时使用剪切泵，以缩短拌浆时间，减少拌浆人数。本次压浆采用人工进行，在每次起顶前先进行补浆，完成补浆后再开始顶进，以避免起顶顶力过大，减少管节出现失稳的可能。同时在每节压浆环分路器上安装膜片压力表，每次压浆过程中观察分路出口处的压浆压力，调节压浆压力，防止压力过大、流量过多。

顶管顶进结束后，对已形成的泥浆套的浆液进行置换，防止后期由于泥浆内水分流失造成的管节上方土体沉降而导致的上方构筑物被破坏。置换浆液为水泥砂浆并掺入适量的粉煤灰，由工作井上用压浆泵压注。压浆体凝结后（一般为24 h）拆除管路封闭注浆孔，将孔口用环氧水泥堵抹平。

4.2 中继环

4.2.1 中继环形式

每个中继环安装30个350 kN的油缸，额定顶力8 400 kN，最大顶力10 500 kN，正常情况许用油压范围为0.25 MPa。中继间止水橡胶可通过径向调节螺丝自由调节，在圆角方向可以根据需要局部或整体调节，具有良好的止水性能，并且可更换密封橡胶圈。每道中继环安装1 只行程距离传感器及油压压力传感器并安装限位开关。传感器模拟信号进入自动化控制系统。

4.2.2 中继环布置

为保证纠偏设计，第一个中继环设置在工具头后50 m位置，考虑到顶进长度640 m区间内土质主要为冰碛黏土层，国内类似施工经验较少，为减少由于顶力过大而产生轴线方向的失稳，所以在该区段增加中继环配置数目，第二个中继环设置在200 m处，第三个中继环布置在350 m处，共布置3个中继环。顶进长度303 m的区段则需要设置2个中继环，第一个中继环位于50 m处，第二个中继环位于200 m。其余几个顶管区段均只在工具头后50 m处设置1个中继环。

4.3 顶管施工自动化控制系统

1）自动化控制概况：顶管工程管内设备众多，若采用人工控制，不但需要大量操作人员，而且受顶管内信号屏蔽影响，操作人员联系困难，很难实现设备联动。

我公司自主研发的顶管计算机控制系统（图2）已顺利解决这一难题，并在多个国内大型顶管施工项目中实践运用过。本工程拟运用顶管PLC施工自动控制系统，该系统不仅可以控制后座主推千斤顶、中继间、变频泵、压浆泵、排泥泵等管内设备，而且对工具管及管内所有设备传感器数据进行采集、显示、保存，并对设备故障进行报警，实现了顶管自动化远程控制。

图2 顶管计算机控制系统

2）系统介绍：本系统通过CC-Link现场总线，将工具头、中继环、后座主顶等设备连接起来，最后连到地面中控室操作台，对管线所有设备进行集中监控，即构成上位机系统；再通过有线或无线方式组建局域网，将施工现场信息传送到项目部，形成远程客户端。本系统网络结构具有可靠性高、稳定性好、扩展性强、实时性快等优点；现场总线更是可以保证10 km的超长通信距离，能满足长距离顶管施工的需要。

4.3.1 穿越公路、构筑物及现存管线的措施及保护方法

顶管所穿越的公路包括2条东线、1条西线。从路基开始计算穿越距离为220 m。在穿越范围内覆土最大为5.9 m，最小为3.4 m。由于当地公路两侧没有积水渠道，所以积水会渗入公路两侧地势较低的位置。

穿越公路的区间长度为640 m，由于公路两侧覆土3.4 m左右，相对高速公路段较浅，出洞口距离高速公路只有20 m，且公路两侧地下水位在管顶标高上方，该段在不启动中继环的情况下后座顶力最大可达到14 000 kN。出洞口至高速公路范围覆土较浅的地方采用压密注浆的方式进行加固，以增加土质承载力，减少在穿越公路时由于顶力过大且覆土较浅导致洞口处发生隆起，影响后期顶进。压密注浆深度为3 m，间隔1.5 m设置1处压浆点，长度范围20 m。为保证压浆效果，采用跳孔压浆的方式进行压浆，水灰比1∶0.5。由于该处土质渗透性较差，压密注浆过程中采用低压进行逐步渗透，每次提升50 cm，保持固定压力一定时间后继续提升，直至提升至地表高程，出现冒浆现象后停止压浆。压浆管长度为1.5 m，接口采用耐压胶管连接。

在顶进过程中如果顶力大于设计顶力的60%则立即启用中继环，降低每个区间范围内的顶力，防止由于顶力过大而出现径向分力，导致管节出现隆起的现象。顶进过程中，由于只有一班组工人进行作业，与下次起顶间隔10 h左右，起顶过程中为防止起顶顶力过大，在每次起顶的时必须先进行全线补浆，然后使用中继环进行起顶。

4.3.2 穿越管线

穿越管线的过程中通过第三方的监测单位对管线沉降变化量进行监测。在工具头通过前和通过后监测频率为1次/d，通过过程中监测频率为2次/d。针对每日的监测数据调整进水压力和泥浆压力，如果数据显示管节有隆起现象，则在顶进过程中减小进水压力，反之则增大进水压力。

1）穿越φ508 mm燃气管区间。本段顶管采用人工开挖的形式掘进，其中工具管由普通管节制作：在雄头侧预埋厚10 mm钢板，再将与管节外径相同的钢环与雄头焊接，钢环宽度200 mm，同时钢环内侧均布20个肋板进行支撑。

顶进作业过程中开挖面不超过钢环长度，即每次人工作业向前开挖200 mm，掘进过程中先对作业面中心土体进行开挖，然后视土质情况决定其余区域的作业顺序。如果土质较软，则在中心土体开挖完成后通过后座顶进将周边土体挤入管内；如果土质较硬，则通过对周边土体进行松动后再用后座进行顶进，以减少作业量。由作业面挖出的土体通过2辆小车分别从管内运出后平铺在场地堆场处。该区间内的纠偏主要通过人工开挖及后座主顶油缸完成。在工具管两侧各安装一个相互水平的槽钢，每次测量时可以将测量板放置在上方，测量完成后将测量板取出，不影响人工开挖作业。同时在洞口安装4处限位板，可以辅助观测管节的顶进偏差。接近穿越φ508 mm燃气管时，计算好每日工作效率，保证在一个工作日内完成开挖面通过燃气管，确保燃气管2 m范围内不停止顶进，防止由于土体松动后影响上方现存管节。

2）穿越9条管线区间。在由工作井向接收坑顶进区间长度156 m内，其中长度46 m范围内共有9条燃气及输油管，对于该段现存管线也采取完全暴露监测的方式进行保护，该段计划在最后一段进行顶进。该区间顶进之前，确定在当地的土质下顶进的最优长度，并且对每日监测数据进行分析，及时确定第二日的控制参数，由于现存管线已经暴露，所以穿越区间覆土较浅，通过贝雷梁悬吊保护好现存管线，而后对工具头进行开挖，后续管节通过埋管施工工艺继续完成。

4.4 施工测量

4.4.1 施工过程中测量

由于本区段顶管为直线顶管，测量仪器采用激光经纬仪，由于出国人员数量有限，所以测量工作由施工人员自行完成。主要包括前期准备工作时的高程测量及顶管过程中轴线测量，所需要的仪器包括水准仪、经纬仪。

顶进过程中，在工具头中心位置安装1块测量板，将经纬仪设置在后座处，直接与沉井底板相连，不与油缸架等设备接触，减少由于机械振动引起的偏差，在短距离顶进过程中，通过人工观测和激光定位2种方式确定测量结果，偏差测量每顶进1 m进行1次。

控制点放样和轴线复核可以通过当地专业测量公司完成。

4.4.2 管节标高测量

按照当地工作要求，一周最多允许工作6 d，有1 d的休息时间，可以利用规定休息日对管节的管底标高进行测量，监测管节是否出现轴线上的失稳情况。同时对于重点位置（覆土较浅及出洞口附近的位置）采用仪器监测和平时施工过程中日常巡视相结合的方式进行监控，以便及时发现问题，采取措施。

同时在重点区域的管节内设置透明管，管内用水填充满，在管外侧设置刻度，顶进过程中观测该管内液位变化，从而能更快捷地观察出该位置的管节是否出现上下方向的失稳现象。

5 结语

本文结合背景工程的复杂地质条件、复杂施工条件的特点，对顶管机设备及顶管施工技术开展研究，得到以下成果：

1）自主研发、设计、制造了适应于冰川沉积物特性复杂地质条件的可调节式泥水平衡顶管机，可适用于不同性质土层、软硬不均地质条件下的顶管施工，并为顶管施工使用于各类复杂地质条件提供了设备支持。

2）进一步完善顶管施工工艺及施工技术，为今后解决不良性质土质、复杂地质条件顶管工程提供技术支撑。

本文的研究成果将实现泥水平衡顶管机适用于加拿大地区各类复杂地质条件的顶管工程，在加拿大工程建设中广泛应用，其社会效益和经济效益十分明显。