工程材料与设备器 Ｅｒ￣ｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ 无水砂卵石地质条件下泥水平衡顶管机的应用 张韶伟。段永涛，李国力 （北京建工路桥工程建设有限责任公司，北京 １００１２４） 摘 要：在北京地区进行顶管施工时经常会碰到砂卵石、卵砾石地层，由于很多地方地下水埋深较大，当选用泥水平衡顶 管机施工时，往往需要穿越无水砂卵石地层，在这种地层中顶进施工远比在黏土、粉土和一般砂土层中困难。笔者结合工 程实例，从机型选择、施工中出现的问题及解决措施等方面，对如何使加泥式土压平衡顶管机顺利地穿越该类地层加以 介绍和探讨。 关键词：顶管施丁；无水砂卵石地层：泥水平衡；注浆 中图分类号：ＴＵ ６８７ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００９—７７６７（２０１３）０３—０１３９—０３ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｌｕｒｒｙ Ｂａｌａｎｃｅｄ Ｐｉｐｅ Ｊａｃｋｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ ｉｎ Ｗａｔｅｒｌｅｓｓ Ｓａｎｄ ａｎｄ Ｃｏｂｂｌｅ Ｓｔｒａｔｕｍ Ｚｈａｎｇ Ｓｈａｏｗｅｉ，Ｄｕａｎ Ｙｏｎｇｔａｏ，Ｌｉ Ｇｕｏｌｉ １工程概况 ４）顶管穿越区主要为城市主干道，地下管线多， 草桥燃气热电厂天然气供气管线工程管线穿越 对施Ｔ沉降敏感，需要很好地控制地面沉降量。 丰台南路段，采用具有破碎功能的泥水平衡式顶管机 ５）一次性穿越长度较大，２５３ ＩＴＩ需要一次性穿越。 头敷设钢筋混凝土套管。顶管长度为２５３ １ＴＩ，套管 ４机型选择 ＤＮ２４００，ＩＩＩ级管，钢承口。丰台南路车辆流量大，为沥 青混凝土路面，管道埋深为１２ ｍ。 ２地质情况 根据工程环境、地质条件等综合考虑，施工单位 决定使用机械化顶管进行施工，考虑选择土压平衡式 或泥水平衡式的顶管机 结合该工程的地质条件．选择顶管机时应满足以 下要求： 根据地勘资料，顶管施工穿越卵石、圆砾⑤层．细 ４．１考虑因素 砂⑤一１层、黏质粉土、砂质粉土④一１层。顶管机主要 在圆砾、卵石层中顶进。 ３工程面临的主要问题 １）所选机头必须具备破碎功能，刀盘、破碎刀具、 １）该工程施］＿中顶管穿越地层主要为砂卵石地层， 螺旋输送机等关键部件的耐磨损性能要高，满足一次 卵、砾石的粒径大，石英含量高，刀盘等关键部件必须 穿越较长距离的要求。 具备较强的破碎能力和良好的耐磨性。 其承载力高，颗粒之间以及颗粒与刀盘之间的摩擦系 ２）由于一次顶距较大且砂卵石密实坚硬、阻力大， ３）由于顶力大、掘进困难，顶管机姿态较难控制， ２）由于刀盘所切削的地层为级配良好的砂卵石， 设备的顶力、扭矩等须满足施工要求。 数大，因此顶进过程中切削扭矩和推进阻力大，顶管机 对地面沉降敏感，所以要求施工过程的间断越少越好， 姿态控制难度较大。 施工顶进过程相对连续的机型施工效果优于中断过 ３）由于穿越的是无水砂卵石地层，地层透水性强， 程较多的。 切削下的土体流塑性、和易性差，掘进过程中密封舱 ４）针对该工程的土质情况，优先选用仓内（土压、 泥水平衡的建立和有效传递都较困难。由于穿越地层 泥水）平衡建立较容易且平衡压力较容易传递的机型。 无水且孔隙率较大，很容易跑浆，无法建立泥水平衡 ４．２比较分析 掘进 由于土压平衡顶管机要靠螺旋输送机出土，排出 ２０１３￣３期（５一）第３１卷，；｝荭投术１３９ 器工程材料与设备 Ｅｎｇｉｎｅｅ￣ ］ｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌ拣Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ 的砂卵石对其磨耗很大，而该工程的穿越长度较大．可 ２．５ ｍ，厚度为５ ｍ。 能在顶进过程中就会磨损破坏，失去出土功能；并且 地表监控采用地表和深层观测相结合的方法。对 由于出土需要，土压平衡顶管机顶进过程中须有中断， 沿线沉降敏感的管线和道路交通区段增加每天监测 而泥水平衡顶管机顶进过程相对连续，不需要螺旋输 次数，进行２４ ｈ跟踪监测。正常情况下地面的观测点 送机出土 每天进行１～２次沉降跟踪观测．经数据处理分析后作 通过压浆系统注射触变泥浆使管节周围形成泥浆 对于土压平衡式顶管机，舱内土压平衡的建立有 为及时调整顶管机参数的依据，减小地面沉降量。 赖于切削土体的和易性、流塑性和不透水性，需要配 制性能适宜的泥浆，以填充砾、卵石之间的孔隙，达到 套，管道在泥浆套中滑行以减少阻力。顶管注浆压力和 减阻、润滑、传递平衡压力之目的，必要时须要配以性 注浆量是直接影响地面沉降的关键因素。为精确控制 能良好的泡沫。该＿丁程穿越无水砂卵石，切削下的土 体透水性强，和易性及流塑性都很难获得，土压平衡 建立较困难。相比较。泥水平衡顶管机掘进施工中向 泥水仓内注入一定压力的泥水．泥水在压力作用下向 土体内部渗透，在开挖面形成一定厚度的泥皮，通过泥 皮阻止泥水继续向土体内部渗透，另外，通过泥皮将 平衡压力传递到开挖面上弥补由于开挖卸载所需之 平衡压力 综合以上分析。选择带破碎卵石功能的泥水平衡 式顶管机能够完成在砂砾层的顶进施工任务。该类顶 管机前端设有用于破碎砾石的切削滚刀。切削刀盘与 机械动力室之间有破碎室，破碎室能充分承受破碎砾 石和切削的压力。经二次破碎后的砂砾石进人泥水仓， 在泥水的带动下经排泥泵送到地面。 该工程选用的泥水平衡顶进设备主要包括千斤 顶、高压油泵、顶铁、工具管及运土设备等。千斤顶是掘 进顶管的主要设备，根据理论计算和实际情况。该工 程采用６个千斤顶，分２列布置，主顶千斤顶为单冲 程千斤顶，总行程为３．０ ｍ，单个最大顶力为３００ ｔ。主 顶最大总顶力１ ８００ｔ。 ５施工中发现的问题及处理措施 ５．１顶进施工 １）Ｔ艺流程 测量放线一做顶进及接收坑一设置平台一安装 后背一铺设道轨一安装机头一顶镐、顶铁、油泵就位一 复测高程及中心线一机头穿墙入洞一顶进一管壁注 射触变泥浆一复测、矫正管道中心线一机头出洞一泥 浆置换一Ｔ作坑回填。 ２）施工＿丁艺 顶进前确保所有顶进设备及顶管掘进机安装就位。 设备试运转正常。为确保出洞时的安全，在工作井外侧 洞门处进行压密注浆加固，以起到挡水隔泥、减少洞 口周边土体变形的作用，注浆范围为穿墙孑乙四周向外 １４０，｛｝荭投术２０１３ Ｎｏ．３（Ｍａｙ）Ｖｏ１．３１ 注浆压力和注浆量，施工中应用“综合信息控制法”， 有效地将地表沉降量控制在所要求的范围内。 在工作坑内设有水准点和预设的方向线，采用激 光水准仪直接测量前端管底高程和方向。每顶进５０ ｃｍ 时，测量１次，如果在顶进中发现偏差，利用纠偏千斤 顶进行校正，使其复位。在顶进过程中，顶管前面的第 １节管道作为工具管，不和后面的管道焊接在一起．有 利于在顶进过程中调整管道的顶进误差…。 ５．２施工中发现的问题 １）刀盘破碎能力不足。在顶进和接收坑下挖施工 过程中发现，顶管施工穿越的位置砂卵石粒径较大，最 大粒径有１０ ｃｍ，比地勘资料反映的５～７ ｃｍ要大。该 段顶管长度为２５３ ｍ，需要一次性完成穿越，顶管机头 前端刀盘上的破碎刀头很可能在顶进的途中就磨损 殆尽，失去破碎功能。 ２）在顶进过程中出现偏差增大，顶力增大，纠偏 困难的现象。 ３）掘进受阻。在顶进１６８ ｍ后，顶管＿丁具管刚好位 于丰台南路北侧，京开高速西侧辅路下．在该处出现严 重跑浆现象，无法建立泥水平衡，顶管无法正常顶进。 ５．３解决方法 １）刀盘破碎能力不足问题处理措施。根据施Ｔ经 验，必须加强刀盘的破碎切削能力 经过技术讨论研 究，决定在原有破碎刀盘上均匀增加８个同规格的破 碎刀头，以增强和延长机头的破碎功能，加强机头的 掘进能力和耐磨损性能。保证工程顺利进行。 ２）偏差增大，顶力增大问题处理措施。经分析认为， 由于刀盘上增加了８个刀头、砂卵石粒径较大、穿越地 层无水等原因，顶进需要更大的切削力和顶力，密封室 平衡压力的建立及传递较为困难。根据现场情况．分别 采取增加膨润土含量，缩短触变泥浆形成泥浆套的时 间，减小混凝土管在泥套中滑行的阻力等措施。经过调 整，发现顶进阻力减小，偏差进入了可控范围内。 工程材料与设备器 Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａ｛躐Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ３）掘进受阻问题处理措施。考虑到交通安全和施 ③每Ｅｌ注意路面沉降观测，测量频率为３～４ ｈ １次，路 工人员安全，最终采用外部注浆的处理措施，在不影响 面沉降允许值１５ １Ｔｌｌｒｌｒｌ，报警值为１０ ｍｌＴｌ，达到报警值后 正常交通的前提下，为避免丰台南路及京开西侧辅路 应立即停止施丁［”。 沉降．采用对丰台南路北侧、京开西侧辅路路面以下 ６施工效果 ｌ２～１４ １１１范围内进行水泥水玻璃双浆液注浆固化止 该工程泥水平衡顶管机在一次性穿越２５３ １ＴＩ无水 砂卵石地层后顺利到达接收井。工程质量符合验收标 水施工，待达到一定强度后，再开始顶进施工。 注浆范围以机头丁具管为中心，前后各延长１０１１１ 准，获得了北京市市政基础设施长城杯奖。顶管机头出 共计２０ ＩＴＩ长，宽４ １１１，注浆孔布置４排，间距１．０ ｍ，呈 洞后．刀盘上的刀具磨损严重，说明在机头刀盘上增 梅花状布置，注浆深度１２ ｉｎ。注浆材料选用无收缩注 加刀具的做法是正确的。该工程的成功表明，在穿越无 浆液，由ＰＯ ４２．５水泥浆（加防腐材料）和水玻璃混合 水砂卵石地层时，选用泥水平衡顶管机辅以适宜的技 而成。浆液酉己合比：ｍ水：ｍ水泥＝１：１，ｍ水泥浆：，ｎ水玻璃＝１：１， 术措施是可行的、成功的。＿ 水玻璃模数２．８。注浆压力０．２～１．５ ＭＰａ，最大不超过 ２ ＭＰａ：扩散半径０．５ ｍ，注浆孑Ｌ １ ｍ间距布置：注浆水 参考文献： 泥用量为被加固土体体积的２０％～２５％。土密度取 ［１］周勇，王建伟，陈豪．顶管工程施工清障的处理措施ｆＪ］．中国 １ ４００ ｋｇ／ｍ 。 给水排水，２００８，２４（１２）：１０２—１０４． ４）其他措施：①注浆完成后２ ｄ，取孔检查注浆质 量，取孑Ｌ率３％，对不合格的区域要重复补注；②在路 草包和土垫平以减小路面震动，防止路面发生坍塌； （上接第１３８页） ２５ ２Ｏ ｚ 收稿日期：２０１２—１２—２６ 地下构筑物、道路Ｔ程和综合管线施工Ｔ作。 面上顺顶管走向铺设６ １１１跨钢板（３ ｃｍ厚），钢板下以 作者简介：张韶伟，男，工程师，学士，主要从事盾构工程、地铁施工、 ２）热再生沥青混合料的运输与普通热拌沥青混合 料的要求相同，摊铺、碾压等施工Ｔ艺除温度要求外， 其余均与普通热拌沥青混合料相同。 ●◆◆● ． ◆◆●● ● 鑫１５ １０ ◆●●． ’’ ●◆◆●◆， Ｔ，◆●◆ ３）通过严格有效地控制现场再生混合料的出料温 度、混合料级配、油石比、马歇尔试验指标等，可以使 采用再生沥青混合料铺筑的实体］一程达到与普通热 糖 ５ ０ ０ ５ ｌ０ ｌ５ ２０ 数据点 拌沥青混凝土路面相同的效果。 参考文献： 图３稳定度分布情况 ４ ● ● ◆ ● ●●●● ●● ◆．． 【１］交通部公路科学研究院．ＪＴＧ Ｆ４１—２００８公路沥青路面再生 ●’ ’● ●●●●● ◆●● ◆●●● 技术规范『Ｓ］．北京：人民交通出版社，２００８． １ ［２］吕伟民，孙大兴．沥青混合料设计手册［Ｍ］．北京：人民交通出 版社，２００７：１１０． １０ １５ ２０ ３０ Ｏ ０ ［３】交通部公路科学研究所．ＪＴＧ １７４０—２００４公路沥青路面施工 技术规范【Ｓ】．北京：人民交通 版社，２００４． 数据点 图４流值分布图 １４】姚奇，黎侃．厂拌热再生沥青路面施１二质量控制技术［Ｊ］．广东 公路交通，２０１ １（Ｓ１）：２１—２５． ５ 结论 【５】李海军．沥青路面热再生机理及应用技术研究【Ｄ］．南京：东南 大学，２００５：７８—８０． １）进行热再生沥青混合料拌制时，新矿料的加热 温度宜比普通热拌沥青混合料矿料的加热温度高。且 干拌时间和总拌和时间比普通热拌沥青混合料长１０ ｓ， 另外再生沥青混合料出料温度、摊铺温度及碾压温度 收稿日期：２０１２—１２—０１ 均比普通热拌沥青混合料高５～１５ ｏＣ。 作者简介：王胜来，男，工程师，学士，主要从事道路施工方面的工作。 ２０１３￣ｔ ３期（５一）第３１卷瘩荭投术１４１
