在水下软塑淤泥层中进行长距离顶管的施工技术

　　摘要：在水下软塑淤泥层中进行长距离顶管施工，有着一定程度的技术难度，本文介绍某厂顶管工程中的成功实例。
关键词：水下、软塑淤泥层、长距离顶管、施工技术。
随着城市建设的高速发展，在输水管、排污管、煤气管、地下人行道等采用顶管施工有着很好的前景，这样可避免大开挖（特别是地下水丰富的地区）带来的环境影响等不利弊病。但这样也给我们提出了更为艰巨的任务如：在含水量大的软塑淤泥、砂层、不均匀土层中的顶管技术；钢筋混凝土管的水下长距离顶管技术；在水下超长距离顶管使用的二铰三段式工具头、中继环接力、激光测量等，这些都有待于我们去解决、研究和使用。本文介绍在水下软塑淤泥层中进行长距离顶管施工的成功实例。
1、工程概况
某水厂顶管工程是从水泵房顶出钢管至河中引水作发电机冷却水源。顶管原设计长度122m，后增加到136m，共2根，钢材用量580t；钢管直径φ3000mm、壁厚28mm，设计管中标高－6.00m。钢管顶出岸后接至码头进水门。
顶管在水下软塑淤泥层中进行，钢管轴线在水深6~7m以下，如图1所示。淤泥层经打塑料排水纸板、吹填砂堆载预压排水固结处理。覆盖层以吹填砂为主，大部分小于6m（2D），最厚处是厂区简易道路处（厚度为7.3m）。

经钻孔取样，软塑淤泥层的质量密度1.7、天然含水量53.5%、孔隙比1.386、液限31.4%、塑限22.1%、液性指数3.19、塑性指数8.9、粘聚力4.9kpa、内摩擦角2.1度、标贯击数1.5击；经排水固结处理后质量密度1.8、含水量38.1%、孔隙比1.041、液限23.5%、塑限13.3%、液性指数2.73、塑性指数7.5、粘聚力10.2kpa、内摩擦角17.1度、标贯击数3.3击。该土层不稳定，纠偏难度大，容易出现冒顶、塌方、涌水等困难。由于顶管在砂层与淤泥交界面下及老堤穿过，碰到大量的坍落块石和塑料排水板等障碍物，给施工增添难度。
第一根钢管自2001年9月18日开始顶进，至11月26日结束，实际顶进长度135.26m，终端偏西70cm，偏下4.3cm；第二根钢管自2001年11月28日开始顶进，至2002年2月11日结束，实际顶进长度137.07m，终端偏东54cm，偏上9cm。对取得这样的施工成绩，该工程相关各单位都比较满意。
2、施工技术要点
2.1气压技术
土质虽经过处理，但仍是流塑淤泥，覆盖层薄且是吹填砂层，不稳定，钢管直径大，开挖面也大极易塌方，不但会增加泥量，造成地面沉降，覆盖层内块石易落入工具头前面，造成受力不均，钢管弯曲，顶进方向失去控制，还容易损坏触变泥浆套的完整性，给施工带来许多困难，同时顶管在珠江水位下施工，如何平衡水压力，制止正面塌方成了该工程顶管施工的关键问题。
该工程采用了局部气压及全气压技术。顶进过程中，土体进入格栅得到相应稳定，在冲泥舱前形成密封土墙，通过加气压，使土墙获得一作用力平衡管前水土压力。顶进过程中虽然土体被顶入格栅并被冲掉，但仍又补充新的土墙，气压始终起作用，防止塌方。在顶进时仅对冲泥舱加气压即局部气压，气压以不塌方为准、等于或略小于地下水压力。
当工具头遇到障碍物，格栅被堵，泥浆滤网堵塞或其他机械损坏须进入冲泥舱处理时，操作室也加气压，即全气压施工，这时操作人员、处理事故人员在气压下工作。
2.2顶进方法
<1>.正常顶进
安装好顶进设备及各系统运行正常后，可开动油泵千斤顶顶伸，同时对顶进冲泥舱的土体用水冲枪的高压水流冲刷、破碎，水力吸泥机械吸走排出，顶进速度根据冲泥出土情况确定，在这个过程中应对冲泥舱进行局部加气压，并不断补充触变泥浆。千斤顶伸出一行程后，回油安放另一顶铁又进行顶进至顶完一节钢管，拆除所有连接管路，吊开顶铁，吊开另一节钢管于轨道上，调整焊接、防腐，再装进相应一段管路并对接，即可开始另一循环顶进。每次顶进约6～7h，土方53m3左右。
<2>.穿墙顶进
钢管穿墙顶进时先对连续墙上预留孔封板进行割除，迅速把钢管顶过泥浆套，安装好止水装置，确保止水、挡土。更重要的是保证顶管尾部正位，便于对接下一条管子。
2.3测量
为使钢管按照设计的高程和方向要求顶进，应不断对工具头的高程、方向、转动进行测量，上下方向偏位采用连通管及水平仪测量，左右偏差采用2″经纬仪测量。在穿墙及在20～30m长度时，每顶进20cm测一次，以后每顶进60cm测一次，并及时提供给值班人员指挥纠偏。对扭转采用垂标测量。
2.4水力机械出泥
通过高压水主冲枪喷射水束，冲碎进入格栅的土体，使用副水冲枪把土块打碎与水混合成泥浆水。同时一路高压水通过水力吸泥机，高压水喷射形成高速水流，当流速大于30m/s时，形成真空，抽吸冲泥舱内的混水，并完成在管内的水平运输，排出去。
由于场地块石、石渣等杂物及大量塑料排水板塌落顶入管内，而吸泥器通过间距仅5cm，易堵塞，拆卸清理困难，这是造成劳动强度大，影响进尺的重要原因。
2.5触变泥浆压注
顶进前严格按配合比制备好触变泥浆；停置24h的压注10min，并控制压力为水压力的1～1.2倍左右；然后进行顶进。顶进过程中不断观测流量，使流量控制在需用量的1.2～1.5倍内。随时检查泥浆是否到位，是否渗漏，并及时处理。
2.6通风
为保证管内空气冲冲清新，采用鼓风机通风，φ300风管送风，风量每2000～3000m3/h。
3、施工控制
3.1顶力计算
顶管的顶推力是随着顶进长度的增加而增大的，随着土质变化和障碍物的出现而受到影响，也受管道强度的限制及顶进设备能力的限制。必须采取有效措施解决长距离顶管在管道允许强度范围内顶进的问题，较有效的是采用中继环接力顶进及设置润滑减阻的方法，在该工程中采用后一种方法。
顶管阻力主要有正面阻力、局部气压和管道与土的摩擦力组成。要精确计算土体阻力是难于做到的，根据经验估算总阻力R如下：[!--empirenews.page--]
R=л/4×D12（P1＋P2）＋ЛD2FL（1）
式中：D1—工具管最大外径，取3.106m；D2—顶管钢管外径，取3.056m；P1—正面阻力，取400kpa；P2—局部气压阻力，取90kpa；F—管壁与土层摩擦系数，取10kpat/m2；L—顶管长度，取136m。
把数据代入式（1）得R=16770kN。现有400t千斤顶4只，按80%效率考虑，N=1280t，偏小，宜采用触变泥浆减阻技术，把摩擦系数控制在取F=0.5kpa，则R=1024OkN<N。
由于采用了触变泥浆减阻技术，使四台千斤顶有了一定的顶力储备。实际顶力小于估算值。
触变泥浆以膨胀土为主通过制造、储备、压注系统压入，在管壁外形成厚度2.5cm的泥浆套，并间隔40～60m设置补浆孔，使钢管在泥浆套中向前滑行，达到减阻目的。
3.2方向控制
<1>.穿墙顶进
钢管顶出穿墙管及在20～30m长度范围内的偏差是影响全段偏差的关键，特别是出墙时，由于长度短，头部重，近出洞土体在穿墙时又受扰动，往往向下偏，在顶进过程采用改变后座千斤顶作用力合力中心及利用工具头的不均匀出土造成反方向的扭转力矩，达到控制顶管方向的目的。如图2所示。
<2>.顶进纠偏
按以往的工程实践，上下方向在20m内，左右方向在30m内采用改变后座千斤顶作用力中心来控制顶管方向效果较好，但随着顶进长度增加，效果就不佳了。这时除对土体进行不均匀冲刷外，重要的是根据偏差情况伸出活动纠偏铲，以增大引导方向正面阻力，并使管壁外侧土体形成空隙造成土体对工具头的压差进行纠偏。
纠偏应及时进行，使偏差消灭在萌芽状态之中。
由于覆盖层薄，又是软塑淤泥，且钢管直径大，当顶出一定距离后，浮力增大，易被浮起向上偏，这时利用纠偏铲适当向下超前控制，必要时在管内加配重或地面堆压砂袋。
<3>.钢管纠扭
由于吸泥机械在运行过程的振动、钢管的纠偏重量的不平衡，钢管顶进中会扭转，这时可采用均匀压重来纠扭。
参考文献：侯学渊.钱达仁.杨林德主编《软土工程施工新技术》安徽科学技术出版社1999年7月第1版。

《在水下软塑淤泥层中进行长距离顶管的施工技术》

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