淤泥地质管道顶管方式研究

淤泥地质管道顶管方式研究

【摘要】 本文针对淤泥地质地下水位高、土质差、易塌方的特点，着重

介绍了淤泥地段的管道顶管穿越时顶管方式的筛选。对全断面土压平衡掘进式顶管和全断面土压平衡挤压式顶管的施工技术进行了阐述，总结了各自施工技术的要点。

【关键词】顶管施工’滩於地质’土压平衡’技术特点

引言

顶管施工就是非开挖施工方法，是一种不开挖或者少开挖的管道埋设施工技术。顶管法施工就是在工作井内借助于顶进设备产生的顶力, 克服管道与周围土壤的摩擦力, 将管道按设计的坡度顶入土中, 并将土方运走。一节管子完成顶入土层之后, 再下第二节管子继续顶进。其原理是借助于主顶油缸及管道间、中继间等推力, 把工具管或掘进机从工作井内穿过土层一直推进到接收井内吊起, 与此同时, 把紧随工具管或掘进机后的管道埋设在两坑之间。

近几年，我公司在宁波、舟山和温州市郊施工的管道比较多，该地区属于典型的沿海地区，淤泥层巨厚，地下水位高、土质差，在施工过程中经常会遇到顶管穿越河流、公路等情况，给施工造成很大的困难。在这种情况下，根据现场施工条件，因地制宜，采取合适的顶管方法，既能保证安全施工，又能节约投资。

1. 淤泥地质顶管施工特点

淤泥具有高孔隙比、高含水量、高压缩性，抗剪性差，极易触变，含水量为50%~70%，常态为软塑，承载力差。在顶管施工过程中，工作井易塌方，深井顶管施工对支护要求高，而且工作井还要兼顾主管道预制、穿入和管道连头施工；机械顶管时，产生的泥浆量很大，对周围环境影响大；人工挖掘式顶管时，淤泥容易产生管涌，施工人员安全受不到保障。

2. 顶管方式的选择

2.1顶管设备的介绍

顶管设备的选择就决定了顶管方式。目前，市场上有很多不同种类的顶管机，其主要区别在于土压力及地下水压力的平衡方式以及工作面的掘进方式不同，由此可以将顶管机分为两种基本类型：

⑴开放式顶管机。特点：这种顶管机在工作面和后续的套管之间没有压力密封区，其优点在于：工作人员可以方便地进入工作面，便于采用机械作业。

⑵ 闭式顶管机。特点：这种顶管机的工作面与盾尾之间设有一压力墙。根据密闭顶管机所使用平衡介质的不同，又可以将其分为气压平衡顶管机、泥水式顶管机和土压平衡式顶管机。

根据工作面的掘进形式不同，可将顶管机分为如下三种：

⑴ 分步开挖式顶管机。特点：这种顶管机工作面土层的破碎是分步进行的。破碎下来的土石可以通过传送带或者螺旋钻孔输送后至后面的运输设备（如传送带、手推车或轨道式运输矿车等）排出。在特殊情况下，也可以采用水力的方法排渣。根据挖掘的方法，可以分为手掘式顶管机、机械挖掘式顶管机和水力破碎式顶管机。

⑵ 全断面掘进式顶管机。特点：这种顶管机采用旋转式的刀盘（安装有与地层相适应的破碎工具），在一个工作过程中，即可对整个工作面进行破碎。根据平衡的介质，可以分为全断面自然平衡式顶管机、全断面机械平衡式顶管机、全断面气压平衡式顶管机、全断面水力平衡式顶管机、全断面土压平衡式顶管机

⑶全断面挤压式顶管机（也称无切削刀盘式顶管机）。这种顶管机属于最简单的土压平衡式顶管机。特点：施工时顶管机的盾体和切削工具被一同顶进土层中，其中一部分土层被挤入周围孔壁，另一部分通过压力墙上的进土口（一般可开闭）进入顶管机，有时也可以采用一个螺旋输送装置来辅助输土。适用于均质的细粒粥状-软地层，其中小于0.06mm 的细颗粒成分应≥50%。其中具有代表性的顶管机有Intrusionsschild 工法顶管机和LUNDBY 工法顶管机。 2.2顶管方式的选择

根据各种顶管机的特点，结合淤泥地质高孔隙比、高含水量、高压缩性，抗剪性差，极易触变，含水量为50%~70%，常态为软塑，承载力差的特性，列出如下对比表格。

表1

表2

备注：气压平衡式顶管机设备复杂，施工成本高，虽然可行但不建议采用。

表3

根据以上3个表格对比分析，淤泥地段顶管最佳施工方式为全断面土压平衡掘进式顶管和全断面土压平衡挤压式顶管。

2.3全断面土压平衡掘进式和挤压式顶管的对比、分析 2.3.1土压平衡顶管介绍

土压平衡顶管施工是一种全新的施工概念和施工理论，一方面，顶管机在顶进过程中与其所处土层的土压力和地下水压力处于平衡状态；另一方面，其排土量与顶管机切削下来土的体积处于一种平衡状态。只有同时满足这两个条件，才算是真正的土压平衡。

顶进过程中，土仓内的压力P 如果小于顶管机所处土层的主动土压力P A 时，即P ＜P A 时，地面就会产生沉降；反之，如果顶进过程中，土仓内的压力大于顶管机所处土层的被动土压力P P 时，即P ＞P P 时，地面就会产生隆起。并且，这一过程的沉降是逐渐演变的，尤其是在黏性土中，要达到最终的沉降所经历的时间会比较长。然而，隆起却是一个立即会反映出来的迅速变化的过程。隆起的最高点是沿土体的滑裂面上升，最终反映到距顶管机前方一定距离的地面上。裂缝自最高点呈放射状延伸。如果把土压力控制在P A ＜P ＜P P ，就能达到土压平衡。施工中土压力控制流程见图1：

图1 施工中土压力控制流程图

2.3.2全断面土压平衡掘进式顶管的特点及注意事项

⑴特点

①适用的土质范围广。适用于N 值为0~50的软黏土和砂砾土层。 ②能保持挖掘面的稳定，地面变形小。

③施工时的覆土可以很浅，最浅为0.8倍管外径。这是其他任何形式的顶管施工所无法做到的。手掘式顶管覆土太浅，地面易塌陷；泥水和气压式易冒顶、气崩。

④弃土的运输、处理都比较方便、简单。

⑤作业环境好。没有气压式那样的压力作业环境，没有泥水式那样的泥水处理装置等。如果采用土砂泵输土，则作业环境更好。

⑥操作方便、安全。没有气压式的压缩空气系统，也不需要泥水式的泥水循环系

统。

⑦施工中平衡压力是间接通过螺旋钻杆的转数和可调节的排泥阀门的大小来调节的。

⑧缺点是在砂砾层和粘粒含量少的砂层中施工时，必须采用添加剂对土质进行改良。

⑵“泥粥”的注意事项

为使切削下来的土对工作面产生平衡作用，有时应向其中加入一些调节剂，并利用搅拌装置将其搅拌成均匀的粥状物，现场一般称之为“泥粥”。

①无论是在破碎室前面或者是破碎室里面的土，都要求是尽可能不透水，以便与工作面上的地下水和土压力建立平衡。

②“泥粥”的内摩擦力和研磨性应尽可能小，以利于和破碎下来的土混合以及减少切削刀具的磨损和所需顶进的功率。

③平衡介质应具有像触变性流体那样的黏塑性变形行为，以便能始终保持对工作面的平衡作用和防止“泥粥”的分解和固化。

④泥粥必须具有一定的可压缩性，以克服在平衡压力调节过程中，不可避免地出现的压力波动。

⑤切削下来的土应具有较小的黏附性，以保证顺利的排土和防止“泥粥”在破碎室中的黏结、架桥、硬化和密实等。

⑥对于“泥粥”浓度的要求是：在螺旋钻杆中形成的泥塞应具有保持压力的作用，同时还应有必要的密封作用。

2.3.3全段面土压平衡挤压式顶管的特点及注意事项

⑴特点

施工时顶管机的盾体和切削工具被一同顶进土层中，其中一部分土层被挤入周围孔壁，另一部分通过压力墙上的进土口（一般可开闭）进入顶管机，有时也可以采用一个螺旋输送装置来辅助输土。适用于均质的细粒粥状-软地层，其中小于0.06mm 的细颗粒成分应≥50%。

挤压式顶管有其局限性，它必须在覆土较深且土质有比较软的黏土中才能使用。挤压式工具管是否适用，可用排土率的标准衡量：排土率在95%~100%之间时，可以适用。

⑵注意事项

①在施工前，进行土仓内压力的计算，从而确定液体油缸的压力。 P = a ×C μ×（-6.9×lg （β/100）+π/3） 公式中：P ―挤压仓内的压力

a―挤压进土过程中，土黏聚力的下降值，取值范围为0.45~1.0 Cμ―土的黏聚力 β―进土口的开口率

从以上公式可以看出，土仓内的土压力P 由进土口的开口率β来调节。 ②在顶进过程中，在开口一定的情况下，调整液压油缸的压力，使排土率保持在95%~100%之间，避免地面隆起或沉降。 2.3.4两种顶管方式的对比、分析

3. 工程应用实例

我公司在岑港外钓岛至马目输油管道工程中，运用了全断面土压平衡挤压式顶管方式，成功的进行了西岑公路的3次穿越。

我公司在杭州-宁波天然气输气管道宁波段改线工程中，运用了全断面土压平衡掘进式顶管方式，成功的进行了河流和道路的5次穿越。

4. 结束语

通过对不同顶管方式的对比、分析，筛选出适用于淤泥地质的两种顶管方式：全断面土压平衡掘进式顶管和全断面土压平衡挤压式顶管。并通过在岑港外钓岛至马目输油管道工程和杭州-宁波天然气输气管道宁波段改线工程中的实际应用，证明了这两种顶管方式能够适用于沿海淤泥地质的顶管。