泥水平衡顶管技术在南水北调穿越高速公路工程中的应用

□白建峰 □曹 宇

（1河南省水利水电工程建设质量监测监督站；2中国葛洲坝集团基础工程有限公司）

0 前言

河南省安阳市南水北调配套工程37号线穿越京珠高速工程顶管长度165m，38号线穿越京珠高速工程顶管长度125m，施工均采用泥水平衡顶管施工技术，顺利完成穿越任务。

1 施工难点及关键点

1.1 难点

1.1.1 施工质量与安全

京珠高速为南北大动脉，交通繁忙，顶进施工时必须保证施工质量，控制地表沉降，确保车辆正常通行。同时应加快施工，减少高速公路保通工作量，因此选择顶进作业方式满足进度和质量要求是本工程关键。

1.1.2 适应不同地质特点

37号线穿越京珠高速段原为鱼塘，高速施工时采取抛石处理地基，为避免穿越施工遭遇大块抛石，设计管顶埋深距离地面14m。根据地勘报告，顶管水平管身主要位于第②层粘土和第③层低液限粉土，层内可见1～3cm钙质结核，含量一般约占2%～5%。地下水位比管线高，对顶管施工方式选择影响较大。

38号线穿越京珠高速段管身段岩性主要为中、重粉质壤土，局部夹轻质壤土、砂壤土。沿线广泛分布，部分出露于地表。另外，在管线穿越高速公路及公路处，表层为路基人工填土，土质较杂。

四是提升国有农场统一经营管理及服务职能。加强产业集团对农场经济发展的带动作用，完善产业集团与国有农场的利益联结机制，把农场培育为产业集团的生产基地。加快培育农场特色种养业，重点发展红江橙、茶叶、菠萝、蔬菜等特色产业，设立特色产业专业化公司，以市场为导向，增强企业盈利能力。建立完善以效益为核心的经营考核制度,强化农场企业定位，制定农场三年扭亏增盈方案，将三年扭亏增盈指标纳入考核。

1.2 关键点

1.2.1 设备选型

不同地质需要选用不同的顶管设备，既不能因设备性能达不到地质要求造成质量不达标，进度滞后，甚至出现机械抱死，影响施工的现象，也不能过分追求顶管设备性能，出现经济上的浪费。

1.2.2 顶进触变泥浆减阻

现代顶管施工中,浆液的作用越来越重要，必须在泥浆的配置、注浆控制上下功夫，充分发挥减阻、填补及支撑的作用。

2 设备选型与对比分析

不同的土质需要选用不同的顶管机，这样才能充分利用资源，避免浪费现象，尤其是在使用液压顶管机时更是需要提前考察好土质和地形，才能确保顺利施工过程。

根据37号线工程特点，选NPD型多边形偏心破碎泥水平衡顶管掘进机进行施工。该款机器具有以下特点：

结构紧凑、操作方便、精度高、便于操作和维修；具有破碎含量不超过12%卵石的能力；适用土质广，是一种全土质泥水平衡顶管机，获得2002年日内瓦国际发明金奖；顶进速度快，可靠性高，设置有观察仓，机头前端有异常情况可以观察排除。

根据38号线工程特点，选GDDT普通型泥水平衡顶管掘进机进行施工。该款机器具有以下特点：

结构紧凑、操作方便、技术成熟，是泥水平衡顶管机的最早期产品；适合粘土、沙土等，顶进速度快。

3 在顶进施工中触变泥浆减阻技术注意点

3.1 触变泥浆的作用

触变泥浆的作用主要包括:减阻，浆液可将顶进管道与土体之间的干摩擦转换为液体摩擦,从而减少顶进摩阻力;填补，浆液可填补施工时管道与土体之间产生的空隙;支撑，在注浆的压力下,可减少土体变形,使管洞变得稳定。

3.2 注浆控制措施

3.2.1 37号线注浆控制及施工异常情况处理

在长距离顶管施工时，应重视顶管机压浆和沿线补浆。因为顶管机后的同步压浆是为了及时填充机头与管节之间的空隙以及纠偏产生的空隙，在泥土接触管节之前先一步填满空隙，建立泥浆套。沿线的补浆可以采用粘度小、流动性好的泥浆，以便在已有泥浆环的基础上迅速填补缺失的泥浆。两者对泥浆的要求存在差别。

37号线工程结合现场实际情况，采取以下措施，保证注浆效果。

3.2.1.1 注浆分三条线，以便形成完整的泥浆润滑套。

第一条线：机尾同步压浆

同步压浆的目的是为了及时填充机头与管节之间的空隙以及纠偏产生的空隙，在泥土接触管节之前先一步填满空隙，建立泥浆套。粘土或纠偏动作小时少些，动作大时就多些。在每节管材开顶时打开机尾控制阀之前先确定机尾的泥浆压力表是否已建立起压力，以确保浆液通达。

第二条线：沿线补浆

沿线补浆的目的是对管外壁渗透到土层中造成的泥浆套缺损进行修补。具体操作是在顶进过程中逐一开启，逐一关闭。切忌浆液单侧大量分布，这些有压力的浆液把管节压到对面的土体中，常常会造成顶力的剧烈上升。沿线补浆一般是2～3节管材设置一个端面，并与同步压浆分开来，分别计量。

第三条线：洞口注浆

管节刚进入洞口如果没浆填充，土体就会塌落而裹住管节。洞口是泥浆套破坏源，在洞口要进行专门针对性的不断填充，可在洞口止水圈内安装专门的控制阀。

3.2.1.2 注浆质量控制（见表1）

3.2.1.3 减阻效果

该顶管工程在顶进施工前90m时施工顺利，顶管机排泥及压力表读数均正常，平均每天可顶进30m。千斤顶压力表在8～10MPa之间（顶力约为2030kN）,顶进90m时，排泥管排泥异常，电机电流增大并发热，顶进压力表骤然上升至25MPa(顶力约为6400kN）。根据观察分析，并不是触变泥浆套减阻出现问题，应是地质条件发生变化，出现大量卵石富集，由此造成机头迎面阻力过大，顶管机无法正常排泥。结合现场实际情况，决定通过机头观察舱口人工清仓，清仓后顶进50～100cm后机头刀盘再次卡死。继续采取人工清仓方式，每次清仓大约4h，平均顶进距离约0.50～1m，继续顶进20m后恢复正常。千斤顶压力再次恢复到10～15MPa(顶力约为3800kN),实际顶力仅为规范计算顶力的40%，管道摩阻力仅为计算摩阻力的33%，触变泥浆减阻取得良好的效果，见图1。

表1 注浆质量控制表

图1 减组效果图

3.2.2 38号线施工异常情况处理

该顶管工程在顶进施工前70m时施工顺利，顶管机排泥及压力表读数均正常，平均每天可顶进20m。千斤顶压力表在12～15MPa之间（顶力约为5800kN）,在顶进70m时，顶进压力表骤然上升至28MPa(顶力约为11000kN），且泥浆管不再排泥，初步分析是地质条件发生变化，由粘土变为沙土而没及时更换触变泥浆配合比（砂土中应增加泥浆粘度），引起管道上部塌方造成管道阻力增大，管道抱死。结合现场实际情况，考虑本工程还内套钢管，同时机头在高速路面无法开天窗挖除，决定更换泥浆配合比，全线补浆，增加顶力。在全线补浆后第3天管道启动，顶力很快下降到8000kN，随着管道移动顶力又继续下降，最终顺利完成穿越任务。管壁摩阻力可以逆转这一规律在这一工程中得到验证。

4 结语

通过南水北调配套供水管线工程穿越高速公路的工程实践，泥水平衡顶管机能够安全、优质、高效的完成顶进施工任务。要结合现场实际情况，选择合适的顶管机，才能做到经济合理、优质高效，同时在施工过程中严格控制施工工艺，把不利因素降到最低，遇见异常情况不能盲目顶进施工，以免造成质量事故。

泥水平衡顶管施工时触变泥浆润滑套的质量直接影响顶进过程中的顶力，可以直观的从顶进系统的压力表上反应。完整的触变泥浆润滑套的建立是与管道密封、中继间密封和洞口止水装置密封直接有关的。当然,泥浆材料的质量及配比、注浆工艺的管理和施工过程的停顿时间过长,都可能对顶力产生很大的影响。注浆效果好坏，关系到能否有效减少顶进阻力，进而影响工程造价甚至工程成败。由于注浆减摩施工属隐蔽性工程，对其进行定量分析难度较大，故注浆工艺各参数的选取一定要根据具体的施工情况、地质条件及现有条件，并参照国内外已有的施工先例进行。在本次工程37号线施工时采用三条线分别注浆，同时对不同注浆线采取不同浆液配合比，实际施工中形成了完整的泥浆润滑套，减阻效果明显，通过本工程的施工，为更长距离或更大口径的顶管施工积累了经验。

[1]马军峰.南水北调城市供水管道顶管施工技术及应用[J].河南水利与南水北调,2014(21).

[2]王明玉.顶管施工技术及常见问题分析[J].广东建材,2015(10).

[3]成晓君.泥水平衡式机械顶管施工抱管成因分析[J].山西建筑，2012(7).