泥水平衡顶管技术及应用

泥水平衡顶管技术及应用章涛（中原石油勘探工程建设总公司）摘要：泥水平衡技术是管道穿越技术的一种操作简便、效果显著，且适用于地质环境复杂的施工工艺。

由于该技术逐步成熟、应用日趋广泛，在长输管线，特别是大口径长输管线施工中，越来越多的被施工承包单位青睐。

在西气东输二线平顶山-泰安支干线工程中，该技术被成功运用于地下水位高、沙化严重地区的穿越中，取得了显著的成效。

本文从泥水平衡的施工流程开始，以施工过程为依托，逐步阐述泥水平衡技术在工程施工中的技术特点、施工要点及注意事项，总结该技术的优点及使用限制。

随着国家管网建设的大规模开展，泥水平衡技术也将逐步的改进和完善，广泛应用于工程建设项目中。

关键词：泥水平衡；进排泥；顶进；测量中图分类号：TU74文献标识码：A文章编号：引言：西气东输二线平顶山-泰安支干线属于国家重点工程建设项目，起至平顶山市鲁山压气站，终于泰安站，途径河南省平顶山、许昌、郑州、开封、商丘五市，山东省菏泽、济宁、泰安三市，线路总长514公里，地形以平原居多，在平顶山、许昌、泰安地区有局部山区，开封兰考地区、菏泽地区以盐碱沙地为主。

大型河流采用定向钻或大开挖方式，公路、铁路采用顶管、顶箱涵方式。

2011年9月，河南、山东地区连续降雨20余天，降水量平均达到155mm，为60年一遇【1】，造成地下水位饱和，很多地区地下水位达到0.3m，而管沟设计埋深2.3m-2.6m，穿越地区的设计埋深4m-6m不等，对于特殊天气原因造成的地下水位超高，对管沟开挖及穿越造成了严重的影响，特别是盐碱沙地地区，饱和沙土形成流沙现象，对开挖和顶管造成了相当大的困难。

在对兰考境内的X020公路的顶管过程中，由于地下水位高、流沙严重，造成顶管3次均为成功，其中沉井坍塌2次，顶管偏移1次。

对失败原因的分析，是由于地下水位高，流沙运动强烈，对沉井壁形成巨大的侧压力，且沉井结构不稳定，造成沉井坍塌；流沙的不稳定性和运动型，造成顶管过程中，千斤顶顶进过程中，顶进轴线被流沙干扰，造成偏移。

鉴于以上分析原因，我们采用了泥水平衡技术，该技术掘进后高速注水，混合泥浆高速输出的方式，有效的解决了流沙不规则运动造成的影响，并在引黄南干渠的穿越中成功应用，一次穿越成功。

1泥水平衡技术1.1泥水平衡施工流程顶管施工结束1.2现场布置示意图Array泥水平衡顶管施工现场布置的示意图1.3施工准备工作及现场布置顶管施工的现场布置可分为三部分：工作坑地面上布置，工作坑内布置。

工作坑地面上布置的内容有：供电系统的布置、存管及起吊设备的场地布置、润滑浆设备及材料放置、进水泵、泥水输送管路、泥水分离设备、控制室等的场地布置，另外，还有生产用水、现场排水和施工道路安排等。

起吊设备采用汽车吊，在工作坑轴线与顶进方向平行的两侧工作。

可存放顶进用管又可运输弃土，汽车吊的起吊重量和高度应与顶进管相适应。

工作坑内布置的主要内容有基坑导轨、后靠板、主顶油缸、激光经纬仪的安装等，有排泥泵、环形顶铁、U型顶铁、爬梯及其他附件的放置，有集水坑、排水管的布置等等。

1.4测量定线首先根据现场提供的、经复核无误的高程控制点，其次复核已给坐标点的位置和标高，当与设计无误时，即可进行设计管线、工作井、接收井的放线定位工作。

1.5工作坑尺寸规格定位复核确定后，进行工作坑开挖。

工作坑内空尺寸为12×5.5m（底部长×宽），埋设深度根据设计深度确定（需考虑垫层、底板、导轨等深度）。

接收坑内空尺寸规格为7.5×4.5m（底部长×宽），埋设深度同工作坑。

由于现场地形条件，接受坑深度可根据现场情况而定。

1.6工作坑制作步骤工作坑采用从上向下分层开挖的施工工艺,由于地段限制，基坑开挖保持垂直开挖，并配合护壁墙制作安装开挖，同时对工作坑壁进行检测，这样可以有效降低坑壁的坍塌。

工作基坑开挖采用长臂挖掘机进行，并迅速将挖出土方运出工作场地，确保挖出土方远离基坑，降低基坑上部荷载，从而减少对基坑影响。

开挖步骤：按照测量结果，放出开挖线。

按开挖线先采用切割机切割路面，再采用机械开挖至设计深度左右，或挖机挖不到的深度时，改用人工开挖、清底。

为防止基坑开挖时出现垮塌现象。

开挖完成后立即进行清边捡底，在四壁混凝土浇筑范围内铺设木板，使四壁受力均匀。

完成清边捡底后迅速完成钢筋制作安装和模板安装，模板安装为单边安装。

完成钢筋和模板安装工作后，立即进行混凝土浇筑工作。

基坑开挖浇筑完成之后，立即浇筑0.1m厚的垫层。

然后进行测量，准确定位出底板位置。

明确定位底板后，进行钢筋安装和模板支护。

1.7工作坑内设备制作安装在工作基坑开挖完成、且护壁喷锚制作好以后，应尽快进行人工清底、平底、铺砂工作，然后开始进行工作基坑底板的钢筋布置及浇筑，底板500mm厚采用C30混凝土，并在混凝土浇筑前预留插筋，使底板与护壁墙保持整体性。

待制作完毕后开始制作混凝土护壁墙，并安装工作坑内设备。

1）混凝土护壁墙及钢筋后背底板浇筑完成后，进行工作坑混凝土护壁墙的浇筑，工作坑混凝土护壁墙承担着保护工作坑不受顶进力破坏的作用，在顶进过程中保证工作坑不移位，不变形，是顶进能成功的关键。

在工作坑两侧后背墙位置加厚护壁墙保护工作坑，护壁采用C30混凝土浇筑500mm厚，在顶进方向两侧浇筑500mm厚。

工作坑混凝土护壁墙浇筑完成后，即可进行顶管后背墙的制作安装，本工程采用250mm厚分体式钢板后靠背，规格为2000×1500×250mm。

后靠背与后背墙预留150mm 的缝隙，采用C30混凝土填实，使后靠背与后背墙连接紧实，受力均匀。

在顶进过程中，可加垫厚木板起缓冲作用，一起满足顶进力要求。

在工作坑内合适位置制作爬梯，方便施工人员上下。

2）顶管导轨顶管导轨应选用钢质材料制作，其安装应符合下列规定：两导轨应顺直、平行、等高，其纵坡应与管道设计坡度一致。

导轨安装的允许偏差应为：轴线位置：3mm；顶面高程：0～+3mm；两轨内距：±2mm。

安装后的导轨必须牢固可靠，严禁在顶管过程中产生位移或变形，并应经常检查校正。

3）主顶油缸的安装主顶油缸的安装应符合下列规定：主顶油缸宜固定在支架上，并与管道中心的垂线对称，其合力的作用点应在管道中心的垂直线上。

选用四台主顶油缸共同作业，同时备用一台，且其规格相同，四台主顶油缸在支架上呈对称布置。

主顶油缸的油路应并联，每台主顶油缸应有进油、退油的控制系统。

4）油泵安装主顶油缸安装好后，进行泵站安装，泵站安装和运转应符合下列规定：泵站宜设置在离主顶油缸较近的工作井外，油管应顺直、转角少。

泵站应与主顶油缸相匹配，并应有备用油泵，泵站安装完毕，应进行试运转。

顶进开始时，应缓慢进行，待各接触部位密合后，再按正常顶进速度顶进。

顶进中若发现油压突然增高，应立即停止顶进，检查原因并经处理后方可继续顶进。

5)顶铁顶铁作用于管道口，将顶力均匀传送到管道上，使顶进正常进行，其质量应符合下列规定：顶铁应有足够的刚度。

顶铁宜采用铸钢整体浇铸或采用型钢焊接成型，当采用焊接成型时，焊缝不得高出表面，且不得脱焊；顶铁上应有锁定装置。

顶铁的安装和使用应符合下列规定安装后的顶铁轴线应与管道轴线平行、对称，顶铁与导轨之间的接触面不得有泥土、油污；更换顶铁时，应先使用长度大的顶铁，顶铁拼装后应锁定；顶铁与管口之间应采用缓冲材料衬垫，当顶力接近管节材料的允许抗压强度时，管端应增加U形或环形顶铁；1.8工作坑地面上设备制作安装1）控制室、泵站控制室与泵站等设备集中放置于6×2×2m的集装箱中，放置在工作坑上口。

技术人员均在该集装箱中工作，远程遥控泥水平衡顶管机机头的工作。

2）泥水分离设备、蓄水池蓄水池采用集装箱制作而成，规格为6×3×2m。

主要为泥水平衡机的用水存储场所及泥水分离设备分离的泥水收集场所。

放置于工作坑地面上。

3）起重设备根据混凝土套管的大小和重量选择移动式起重设备，在采用起重设备下管时应符合下列规定：正式作业前应试吊，吊离地面10cm左右，检查重物捆扎情况和制动性能，确认安机动车道机动车道机动车道1.9顶管施工1）测量系统测量工作是一切工作的先导，测量工作的好坏直接影响到后续工序质量的好坏。

因此，安排优秀测量人员，配置精密仪器，确保施工放样工作精准、及时、高效完成。

顶进过程中测量的具体方法为，在顶进井后座位置设置测量机座，测量基座由地面引入地下，避免工作井的变形引起的误差，将激光经纬仪放置在其上调平后，使激光经纬仪发射的激光沿着顶进方向水平射出，打在顶管机的测量靶位上，通过望远镜读出顶管机的偏差（包括轴线偏差和旋转量），每隔1.5m记录一次。

如遇偏差纠偏时，加强测量的频率，每顶进0.5m测量一次，正确引导顶管机纠偏。

2）工具头吊装落井、全套设备调试工作井上下设备安装完毕后，将运到现场的工具头吊装下井，将电力电缆、信号线、油管接好，对整机进行现场调试、对整体式顶进构架进行调试、对泥水处理系统进行调试、调好测量系统的激光经纬仪，调试工作必须全面细致，确保正式顶进时设备的万无一失。

3）顶进、调整进出渣浆泵流量达到平衡工具头的操作全部采用在管道外(工作井上)控制台控制，可实现对工具头刀具的转动、纠偏控制、压力显示、实时监控(工具头安装了摄像头、控制台上安装了电视机)。

顶进千斤顶，观察工作仓的土压力表，调节渣浆泵的流量达到工作仓的泥水平衡，其平衡的原理是，当进泥和吸泥泵稳定工作时，调节进泥和吸泥的泵量，使工作仓内应保持一定压力，仓内泥水压力应与地下水压力相平衡，泥水压力过大，地面隆起；泥水压力过小，地面沉陷，所以控制顶进与出泥的速度相当关键。

4）采用泥水平衡式顶管法时，应符合下列规定顶进中发现管位偏差5mm左右，即应进行校正。

纠偏校正应缓缓进行，使管节逐渐复位，不得猛纠硬调。

校正方法采用顶管机自身纠偏法：控制顶管机的状态(向下、向上、向左、向右)，这种方法纠偏方法良好，每次纠偏的幅度以5mm为一个单元，再顶进1m时，如果根据顶管机的测斜仪及激光经纬仪测量偏位趋势没有减少时，增大纠偏力度（以5mm为一个单元），如果根据顶管机的测斜仪及激光经纬仪测量偏位趋势稳定或减少时，保持该纠偏力度，继续顶进，当偏位趋势相反时，则需要将纠偏力度逐渐减少。

5)接口处理对管道的设置位置、标高进行检查，确实无误后，才进行管道接口处理。

接口是管道的薄弱环节，易发生渗漏，若管接口施工质量差，管道接口在外力作用下容易产生开裂。

混凝土管节表面应光洁、平整，无砂眼、气泡，接口应保持清洁无油污，在顶进完成后，在内管壁采用纯水泥砂浆对管进行抹带处理，再用1：2水泥砂浆对接口进行封抹，最后采用纯水泥浆进行两次封堵，直到达到闭水要求。

6)出土方案泥水平衡式顶管的出土采用全自动的泥水输送方式，被挖掘的土通过在机舱内的搅拌和泥水形成泥浆，然后由泥浆泵抽出，高速排土。