泵送出渣技术在超大管径顶管工程中的应用

张伟

【摘要】 随着城市市政建设的发展，机械顶管技术得到了越来越广泛的应用。传统出渣工艺已不能满足部分工程的需要，混凝土地泵在土压平衡机械顶管中应用属于一种新型施工工艺，本文主要探讨该工艺在超大管径顶管工程出渣的应用。

【关键词】 超大管径 机械顶管 泵送泥浆 出渣工艺

一、 工程概况

本工程是将西安市南二环110kV高压架空线缆落地，便于架空线缆日常维护、管理。鉴于机械顶管的施工工艺对交通影响小，环保文明施工程度高。根据高压线缆的布设要求，在朱雀大街与南二环十字至雁塔变间采用电缆隧道D4000mm机械顶管施工。

二、 土压平衡—混凝土地泵泵送泥浆的顶管工艺研究

鉴于西安市渣土禁运期的有关规定，为保证施工工期、不显著增加工程费用的前提下，经试验、分析，发挥土压平衡顶管工程的优势，结合该工程的特殊性，首次在西北湿陷性黄土地层中采用泵送、混凝土搅拌罐车出渣的方式。

首先，采用泥浆泵送的方式，需要掌握泥浆的性能和作用，泥浆性能见表1：

表1 泥浆的性能

性能 定义 作用

物理稳定性 泥水经过长时间的静置，泥水中黏土颗粒式中保持浮游散悬状态 用来鉴别泥水中颗粒的沉淀程度

化学稳定性 泥水中混入带正离子的杂志水泥，泥水成膜功能减退的化学劣化现象 判断泥膜生成的难易程度

泥水相对密度 泥水的密度比 ①泥水相对密度大，流动的摩擦阻力流动性变差，泥水泵送可能产生超负荷运转。

②相对密度大，地表的水土分离难度大。

泥浆黏度 当泥浆流动时，泥浆中固体颗粒之间、固体颗粒与液体颗粒之间以及液体分子之间的内摩擦的反映 能以流体的形式把土砂运出

泥浆的稳定性 包括沉降稳定性及絮凝稳定性 ①泥浆中的固相是否容易下沉或沉降的快慢②泥浆中的黏土颗粒是否容易粘结变大。

其次，从该工程的地勘报告得知主要地层以湿陷性黄土为主。对该工程的地层土体性质做了相关的试验，详见表2：

表 2 土体粒径分布

试验编号 75-50um 50-10um 10-0.5um <5um

平均百分比 4.4 50.3 13.9 31.4

1、泥浆泵送原理

土压平衡顶管机在顶进时，将通过螺旋出土机输送出来的泥土，进行加水、搅拌，利用泵送设备，通过管路，将泥浆泵送至地面的运输设备运至弃渣场进行处理。

图 1 泥浆泵送原理图

2、 泵送设备选型

在泥水平衡顶管施工一般采用的泵送形式—砂土地泵泵送泥浆。砂土泵具有出口压力高、输送距离远、输送介质范围广等优点，但是，经过市场调查和查阅资料，砂土泵在实际应用中维修故障频率高、维修困难、维修费用较高、造成停工损失较大、通用性较差、单价较高等制约因素和限制条件。因混凝土地泵国内已有成熟的技术，在高层建筑、地下工程、地铁隧道混凝土施工中已广泛应用，维修故障频率低、技术成熟、价格适中。故该工程选用电动混凝土地泵将泥浆泵送至地面。

3、 可泵送性及泵送土体改良试验

混凝土地泵输送介质要有一定的和易性，如何达到地泵要求的泵送压力、将最大粒径4-5cm的骨料泵送至要求的距离和高度，需要进行试验和论证。

通过系列的实验、总结、分析，泥浆在泵送时，最直接、最有效、最经济的方法是改变泵送土体的含水量，提高和易性、泵送性。采取以下措施达到此目的：

（1）在螺旋出土机前端加设高压注水孔，该注水孔环向布置，渣土从螺旋排出后落入地泵前，对土体表面进行均匀喷水。如图1。

（2）通过在螺旋出土机出口处安装喷水装置，均匀地向地泵料斗内正在搅拌泵送的土体喷水。如图2。

（3）注水量通过水表加以控制。

图1注水孔 图 2 混凝土地泵搅拌过程注水

试验表明，随着对土体加水量的增加，在同等泵送距离时，混凝土泵的泵送压力逐渐降低，当含水量增加到34%时，地泵压力降至5-6MPa，输送连续性较好，堵管、爆管故障大大降低，泥浆流动性较好，泵送压力符合泵送要求。

4、泵送配套系统

1）、管路设置

泵送系统管路布设遵循“弯道少、接头密、固定牢靠”的原则。管路主要包括直管（平管）、弯管、锥形管（变径管）、胶管等规格。本工程管路布置及连接示意图如下图。

图 3 泵送系统管路布置及连接示意图

1.地泵 2.料斗 3.出料口 4.变径管 5.45°弯管

6.直管（φ125mm） 7.橡胶管（φ125mm） 8.垂直管（φ125mm） 9.支架

图 4 泵送系统管路连接示意图

1.出料口φ180mm 2. φ180mm 变φ150mm 3. φ150mm变φ125mm弯管 4. φ125mm直管

5、泵送过程中存在问题及解决办法

1）安装网状格栅，对土体粒径进行处理

泵送设备在泵送的过程中，对粒径有要求——粒径不能大于4-5cm，在螺旋出土机出口处加装可拆卸网状格栅，格栅孔径在2-3.5cm，在出土过程中，通过挤压作用，将土体的粒径切割成满足泵送要求的的粒径。

2）地层突变土体粒径的处理

顶进过程中，因地质条件发生变化，出现砂砾石、建筑垃圾等，为使螺旋出土机不因网状格栅而发生堵塞，此时需要拆除网状格栅，改为在地泵料斗上方安装滤网，人工筛除不适宜泵送的杂物。此法不仅保证螺旋出土顺畅、泵送流畅，而且可保证地泵不会因为异物而损坏。

3）、泵管密封

管路连接处密封采用“法兰——合金钢丝垫”的组合密封形式。该种密封的机理是将接合面间的间隙密封、隔离或切断泄露通道。

4）、堵管故障及其排除

（1）现象

输送压力逐渐增加，而料斗料位不下降，管道出口不出料，地泵发生振动，管路也伴有强烈的振动和位移时，可判定是管道堵塞。

（2）堵塞部位的判断

堵塞一般发生在弯管和锥管处有振动的部位。堵管发生时主要表现为以下几个方面：

未堵塞的管段会发生剧烈振动，堵塞部位以后的管路则无振动感。可以用听觉判断，未堵塞段混凝土被吸动时，会有响声；堵塞部分以后段则没有声响。还可以用木锤敲打管道检查，凭敲打时手感或声音判断，堵塞部位会有发“闷”的声音和密实的感觉。

（3）堵管故障的排除方法

发生堵塞时，可反复正、反转泵，排除堵管可在一边进行正、反转泵，一边沿管路检查用木锤反复敲打被认为是堵塞的部位，通常可使堵塞受振后松散而使泵送畅通；若敲打后仍然不畅，不得用铁锤或其它可能伤害管道的物件敲击。精确判断堵塞部位，然后将堵塞部位的管路拆除、清理后安装后即可继续泵送。如若不能确定，须尽快组织人力，拆卸堵塞的可疑范围，清除其中的渣土，并用水冲洗干净。

混凝土地泵在土压平衡机械顶管中应用属于一种新型施工工艺，现对其应用的优缺点总结如下：拓展混凝土地泵的应用领域，提高土压平衡顶管技术，促进土压平衡顶管工艺发展。真正实现了长时间连续出土、连续顶进。取得了较好的经济效益，施工受政策影响较小、文明施工程度高；但混凝土地泵体积较大，只适于大口径管道顶进，混凝土地泵对输送介质要求较高，只适合软土或经过处理和易性到达要求的土质。

参 考 文 獻

[1] JGJ/T10-2011，混凝土泵送施工技术规程，P4、5、8、11、25、33、34、35

[2] GB/T 13333-2004，混凝土泵，P5、11、34