上海過江倒虹管泥水平衡頂管施工技術(shù)

1、上海過江倒虹管泥水平衡頂管施工技術(shù)    1、工程概況    本工程為上海市污水治理二期1.1標(biāo)黃浦江倒虹管工程，沿線共設(shè)有兩座豎井，即一座工作井及一座接收井。其中工作井位于浦東耀華支路三渣攪拌站內(nèi)，西靠黃浦江，東接耀華支路，接收井位于浦西龍華機(jī)場附近，西靠豐溪路，東臨黃浦江，南北分別與石化公司及電力公司相鄰，見圖1。    圖1 合流二期1.1標(biāo)倒虹管工程總平面、剖面圖    隧道部分為兩條長度均為610m的平行頂管隧道，隧道坡度均為i=0.162%，兩條隧道中心

2、間距為5m，隧道頂最大覆土約24.8m。頂管機(jī)將穿越寬510m的黃浦江，江中段隧道頂最小覆土約7.5m。    圓隧道首次采用隧道股份設(shè)計、制造的適用于各種軟土地質(zhì)的2660mm泥水平衡式頂管機(jī)頂進(jìn)施工，頂管主頂機(jī)械總頂力為10000kN。    圓隧道結(jié)構(gòu)全部采用"F"型預(yù)制鋼筋混凝土管節(jié)，其外徑2640mm，內(nèi)徑2200mm，每節(jié)長度為3000mm，相鄰兩管節(jié)間由特制接頭承插連接，接縫防水采用由氯丁橡膠制成的齒形橡膠圈，襯墊材料為多層膠合板。    本工程范圍內(nèi)的土層及各地層土質(zhì)物

3、理力學(xué)指標(biāo)，見表1。    地層土質(zhì)物理力學(xué)指標(biāo) 表1    層號    土層名稱    層底標(biāo)高    含水量W(%)    密度kN/m3    孔隙比e    凝聚力C(kPa)    內(nèi)摩擦角°    地基承載力kPa    1  

4、  填土    3.53    34.6    17.6    1.08    2    沖填土    -5.47    33.8    17.8    1.03        灰色粘質(zhì)粉土    -

5、10.07    34.    17.9    1.04    8.0    29    90    1    灰色淤泥質(zhì)粘土    -10.67    47.7    17.2    1.37    65&#

6、160;   2    灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾砂    -13.07    35.4    17.8    1.07    10.0    24    80    2    灰色砂質(zhì)粉土    -25.87    31.7

7、    17.9    0.99    3.0    28    100    3    灰色粉質(zhì)粘土    -42.67    33.3    17.8    1.04    20.0    19 

8、   100     2、泥水平衡頂管系統(tǒng)    泥水加壓平衡頂管工法的特征是在機(jī)械掘削式頂管前部的刀盤附近安裝隔板，形成泥水壓力倉，將加壓的泥水送入泥水壓力倉，使開挖面穩(wěn)定，刀盤切削下來的土砂以泥水形式被輸送到地面。    泥水平衡頂管系統(tǒng)主要由頂管機(jī)、泥水輸送、泥水處理及頂進(jìn)管理四個系統(tǒng)組成。    (1) 泥水平衡頂管機(jī)    泥水加壓平衡頂管機(jī)主機(jī)    ·工作原理： 

9、   工具管在正常作業(yè)前，刀盤與殼體外圈接觸，刀排與刀盤盤體接觸，泥水倉處于密閉狀態(tài)，以延緩泥水壓力泄漏。同時在泥水旁路切換大循環(huán)時，使泥水壓力的波動對開挖面的擾動降到最小，待泥水倉中壓力穩(wěn)定后，啟動中心軸動力泵站帶動中心軸及刀架向前運(yùn)動，使刀架與刀盤分離，在兩者之間形成四條70mm的進(jìn)土間隙，并由中心軸及刀架的繼續(xù)伸出帶動刀盤盤體的運(yùn)動，使之與殼體保持一定距離，此時機(jī)頭即處于待工作狀態(tài)，啟動刀盤驅(qū)動電機(jī)，通過第一級減速(105k行星齒輪減速機(jī))，其輸出軸上的小齒輪帶動中心軸上的大齒輪(即第二級減速i=131/17)最終帶動刀盤及刀架，以1.5rpm轉(zhuǎn)動(可正反轉(zhuǎn))切削土體

10、，見圖2。    圖2 頂管機(jī)主機(jī)示意圖    ·主要技術(shù)參數(shù)：    A.外形尺寸：直徑(外徑)2660mm，長度42404300mm。    B.刀盤：最大扭矩277kNm，轉(zhuǎn)速1.516rpm，驅(qū)動電機(jī)功率22kW×2，最大移動量40mm。 C.中心軸：最大移動量110mm，油缸最大壓力32MPa，最大平衡力2050kN，最大平衡土壓范圍0-368.9kN/m2。    D.糾偏裝置：千斤頂數(shù)量8臺，最大工作壓力32MP

11、a，單臺最大推力900kW，糾偏行程60mm，糾偏角度±1.8°。  頂進(jìn)裝置    頂進(jìn)裝置分主頂進(jìn)裝置及中繼頂進(jìn)裝置兩部分。主頂進(jìn)裝置的主要功能是完成管節(jié)的頂進(jìn)，其由底座、油缸組、頂進(jìn)頭、V形頂塊、鋼后靠及液壓動力泵站等組成；中繼頂進(jìn)裝置主要是為中繼接力頂進(jìn)所用。    (2) 泥水處理    泥水處理系統(tǒng)主要由粘土溶解槽、調(diào)整槽、剩余槽、清水槽、泥水分離旋流器和沉砂池等組成，起處理泥水(由盾構(gòu)開挖面排出)和制造新鮮泥水的作用。    泥水處

12、理采用一次沉淀的方法，沉淀后的泥水送入調(diào)整槽，調(diào)整粘度、密度后重新利用。    江中設(shè)置一臺潛水泵引水入清水槽，清水槽內(nèi)設(shè)潛水泵一臺，用于向調(diào)整槽內(nèi)加注清水，調(diào)整槽內(nèi)設(shè)攪拌裝置，調(diào)整后泥水通過P1(PH)泵送入頂管機(jī)內(nèi)使用，粘土溶解槽內(nèi)攪拌濃泥漿，加入調(diào)整粘度、密度。粘度控制在25S左右，密度在1.2g/mm3左右，并且根據(jù)實際情況再作調(diào)整,見圖3。    圖3 泥水處理簡圖    (3) 泥水輸送    泥漿輸送系統(tǒng)是由一根6送泥管、一根6排泥管、送泥泵和排泥泵等部分組成。

13、經(jīng)處理后的泥水由調(diào)整槽通過P1-1泵或PH泵由地面送至井下，頂管內(nèi)排出的高密度泥水，經(jīng)安裝在地面和隧道內(nèi)的接力泵送回至地面泥漿沉淀池，見圖4。    圖4 泥水輸送系統(tǒng)流程圖    泥水輸送系統(tǒng)啟動時，先開啟VP閥，啟動PI泵，開啟V3、V5閥，再逐個啟動P2、P3、PE泵。系統(tǒng)啟動數(shù)分鐘后，當(dāng)送排泥水壓力和流量趨于穩(wěn)定，送泥水壓力和切口壓力基本相同時，才可操作到"頂進(jìn)狀態(tài)"。    進(jìn)入"頂進(jìn)狀態(tài)"時，開啟機(jī)頭閥，開啟V1、V2閥，關(guān)閉V3閥。泥水輸送系統(tǒng)可逐漸達(dá)

14、到泥水平衡，調(diào)整送泥水壓和排泥流量，使推進(jìn)過程中一直保持泥水平衡，若在推進(jìn)過程中，切口水壓值偏高設(shè)定值，操作人員應(yīng)采取措施，使之恢復(fù)正常。若切口水壓繼續(xù)偏差達(dá)限值，應(yīng)立即切換到"旁路狀態(tài)"。    如果切口水壓的偏離原因是泥水管道堵塞引起的，就應(yīng)操作至"逆洗狀態(tài)"，對堵塞管道進(jìn)行沖洗。管道暢通后，應(yīng)先轉(zhuǎn)換到"旁路狀態(tài)"，最后才轉(zhuǎn)換到"頂進(jìn)狀態(tài)"。    頂進(jìn)結(jié)束后，應(yīng)將"頂進(jìn)狀態(tài)"切換到"旁路狀態(tài)"，待泥水平衡后，再

15、切換到"停止?fàn)顟B(tài)"。    (4) 頂進(jìn)管理系統(tǒng)    頂進(jìn)管理系統(tǒng)由頂管機(jī)主機(jī)及泥水輸送兩大系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)能在電腦中反映出施工過程中的切口水壓、送排泥流量、送排泥密度、主頂速度、主頂行程、刀盤油壓和頂管的平面、高程、轉(zhuǎn)角等一系列施工參數(shù)。    頂進(jìn)過程中，中央控制室操作人員通過此管理系統(tǒng)反映的各類施工參數(shù)及時作相應(yīng)調(diào)整。    3、泥水平衡頂管主要施工參數(shù)的設(shè)定與調(diào)整    (1)切口水壓設(shè)定  &#

16、160; 泥水平衡頂管頂進(jìn)時，開挖面不斷被刀頭切削，此時泥膜被刀頭切削并將泥水壓力傳遞給土體，由于刀頭的介入使傳遞給土體的外力增加，因此開挖面處于動態(tài)平衡之中。切口水壓的上、下限值設(shè)定可根據(jù)常用土體力學(xué)計算公式計算得到。    實際頂進(jìn)過程中的切口水壓是根據(jù)切口水壓設(shè)計設(shè)定值、實時的土砂量和干砂量積算值等重要參數(shù)設(shè)定。其中切口水壓設(shè)計設(shè)定值可根據(jù)近1050m掘進(jìn)過程中較佳的設(shè)定值回歸所得，見圖5。    圖5 50100m設(shè)定切口水壓與理論計算關(guān)系圖    (2) 頂進(jìn)速度  

17、0; 頂進(jìn)速度的控制過程中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：    主頂啟動時，必須檢查千斤頂是否靠足，開始頂進(jìn)和結(jié)束頂進(jìn)之前速度不宜過快。每節(jié)頂進(jìn)開始時，應(yīng)逐步提高頂進(jìn)速度，防止啟動速度過大。    在利用中繼間(一級或多級)作接力頂進(jìn)時，必須確保后級中繼間及主頂所用千斤頂充分均勻受力，避免頂管機(jī)后退造成切口水壓劇降，從而影響開挖面的穩(wěn)定。待前級中繼間順利頂進(jìn)到位后依次將后級中繼間及主頂頂進(jìn)到位。    一節(jié)頂進(jìn)過程中，頂進(jìn)速度值應(yīng)盡量保持恒定，減少波動，保證切口水壓穩(wěn)定和送、排泥管的暢通。  &#

18、160; 頂進(jìn)速度的快慢必須滿足每節(jié)潤滑泥漿注漿量的要求，保證潤滑泥漿系統(tǒng)始終處于良好工作狀態(tài)。    根據(jù)實際施工經(jīng)驗，正常頂進(jìn)條件下，頂進(jìn)速度應(yīng)設(shè)定為253.5cm/min；如正面遇到障礙物或地基加固土，頂進(jìn)速度應(yīng)低于1cm/min。    (3) 泥水質(zhì)量控制    密度    泥水的密度是一個主要控制指標(biāo)。泥水密度比重不宜過高或過低，過高將影響泥水的輸送能力，過低將破壞開挖的穩(wěn)定。實際施工和室內(nèi)實驗結(jié)果表明，適用于本工程的泥水密度范圍應(yīng)在1.121.20g/mm3。下

19、限為1.12g/mm3，而上限需根據(jù)頂管機(jī)中心軸所能承受的最大扭矩來定。    粘度    泥水的粘度是另一個主要控制指標(biāo)。從土顆粒的懸浮性要求而言，要求泥水的粘度越高越好，根據(jù)泥水處理系統(tǒng)的自造漿能力，隨著頂進(jìn)節(jié)數(shù)的增加，泥漿越來越濃，粘度也呈直線上升，而粘度的增加并非說明泥漿的質(zhì)量越來越高，因此，泥水粘度的范圍應(yīng)在2025S，考慮到粘度的調(diào)整有一個過程，應(yīng)在泥漿粘度為22S時(調(diào)整槽粘度)，即可逐漸添加CMC，添加量的多少視粘度下降的趨勢而定。    析水量    析水量

20、是泥水管理中的一項綜合指標(biāo)。泥水的析水量應(yīng)小于5%，降低土顆粒和提高泥漿的粘度，是保證析水量合格的主要手段。    本工程采用的指導(dǎo)配比見表2、表3。    單位：kg          指導(dǎo)配比      表2    天然泥土    CMC    純堿    水 &#

21、160;      400    2.2    11    770    單位：kg            指導(dǎo)配比     表3    膨潤土    CMC    純堿  

22、60; 水     330    2.2    11    870     泥水監(jiān)控是一個使用小調(diào)整使用大調(diào)整使用的無限循環(huán)過程，是一個動態(tài)變化過程。檢查配比是否合理的標(biāo)準(zhǔn)是地面沉降量，沉降量得到控制后就要注意泥水指標(biāo)的變化趨勢，使之穩(wěn)定在某一區(qū)域內(nèi)。    (4) 逆洗時的壓力控制    逆洗是頂進(jìn)過程中較為常用的防止和消除排泥管吸口堵塞的方法。 

23、0;  在逆洗過程中，由于土倉或頂管機(jī)內(nèi)的排泥管處于堵塞狀態(tài)，因此逆洗時應(yīng)提高排泥流量，但不能降低切口水壓，整個逆洗過程必須密切注意開挖面穩(wěn)定情況。推進(jìn)、逆洗和旁路三狀態(tài)切換時的切口水壓控制偏差值為：±0.02MPa。    (5) 開挖面穩(wěn)定的判斷方法    開挖面穩(wěn)定是泥水平衡頂管頂進(jìn)施工中最重要的管理項目之一，它直接影響著頂管施工質(zhì)量?？刂泼抗?jié)掘削量是開挖面穩(wěn)定的必要保證。    掘削量的控制    根據(jù)地質(zhì)情況進(jìn)行理論掘削量計算： 

24、60;  w=V×(1-n)×r    W：理論掘削量(m3/Ring)    V：砂性土在頂管機(jī)斷面內(nèi)所占的體積(m3)    n：砂性土的孔隙度(%)    r：砂性土的密度    實際掘削量W：    W：實際掘削量(m3/Ring)    rs：土的比重    Q1：排泥流量(m3/min)  

25、60; p1：排泥密度(kg/m3)    Q0：送泥流量(m3/min)    p0：送泥密度(kg/m3)    t：掘削時間(min)    實際掘削量直接顯示在計算機(jī)屏幕上，它較真實的反映實際掘削過程中的掘削量。    實際掘削量W(干砂量)與偏差流量q的關(guān)系：    偏差流量q瞬時計算式：    q=Q1-(A·VS+Q0)    q：偏

26、差流量(m3/min)    A：刀盤面積(m2)    VS：頂進(jìn)速度(m/min)    上式變換可得到排泥流量計算式：    Q1=(A·VS+Q0)+q    掘削量的判別方法    偏差流量為正值時，頂管機(jī)處于"超挖"狀態(tài)，干砂量比標(biāo)準(zhǔn)值大；偏差流量為負(fù)值時，頂管機(jī)處于"溢水"狀態(tài)，干砂量比標(biāo)準(zhǔn)值小。    當(dāng)發(fā)現(xiàn)掘削量過大時，

27、應(yīng)立即檢查泥水密度、粘度和切口水壓。在查明原因后應(yīng)及時調(diào)整有關(guān)參數(shù)，確保開挖面穩(wěn)定。    4、泥水平衡頂管施工引起的地面沉降規(guī)律    施工過程中的地面沉降過程分兩個階段。第5節(jié)和第10節(jié)頂進(jìn)結(jié)束后的地表沉降變化見圖6。    由圖6可知，泥水平衡頂管在頂進(jìn)過程中引起的地面沉降變化可分為兩個階段。第一階段是指開挖面達(dá)到測點(diǎn)之前的沉降或隆起。它主要是由于泥水壓力引起的，泥水壓力過高，使開挖面受擠引起地面隆起；泥水壓力過低，使開挖面應(yīng)力釋放引起地面沉降。第二階段是指從頂管機(jī)切口達(dá)到測點(diǎn)至頂管機(jī)尾離開測點(diǎn)時間

28、范圍內(nèi)引起的沉降或隆起。該段的地面變化主要是由頂管機(jī)及隧道移動對地層的摩擦和剪切引起的。此外，平面或高程糾偏引起的單側(cè)土體附加應(yīng)力也將影響此階段的地面沉降。    圖6 第5節(jié)和第10節(jié)頂進(jìn)結(jié)束后的地表沉降變化圖    5、泥水平衡頂管特殊施工技術(shù)    (1) 洞門止水技術(shù)    封門形式    在工作井洞門外側(cè)無法設(shè)置有效的鋼封門，雖制作時采用由雙榀16組成的直排內(nèi)封門，但無法在井壁洞圈上安裝有效的出洞止水裝置，洞門與頂管機(jī)及管節(jié)間的建筑空隙

29、難以處理，而內(nèi)封門拔除時的土體損失又是巨大的。本著安全第一的原則，出洞過程中采用井內(nèi)外封門的形式，以便于在井內(nèi)拔除封門和封堵建筑空隙，見圖7。    圖7 封門改造圖    在井內(nèi)封門外側(cè)安裝一只方形鋼箱，使其包絡(luò)內(nèi)封門所有雙榀16，兩側(cè)焊接在內(nèi)封門外緣雙榀16上，上部開口，以拔除雙榀16，下部與底板預(yù)埋件相連接固定。方箱上設(shè)一預(yù)留孔。    在方形鋼箱外側(cè)安裝一只圓形鋼套，鋼套與方形箱采用焊接方式連接可靠。其內(nèi)布置有三道盾尾鋼刷，并在相應(yīng)兩道鋼刷之間沿外圈各布置球閥。另外，在鋼套后部安裝兩道鋼環(huán)板，以安

30、裝簾布止水橡膠帶。    ·止水橡膠帶安裝：    頂管機(jī)殼體與洞口的建筑空隙的止水密封，是保持倉壓力的先決條件，必須在洞口設(shè)置密封性能良好的止水裝置。其緊貼頂管機(jī)及管節(jié)外殼，在泥水壓力作用下能更緊貼殼體，形成良好止水效果。    洞門內(nèi)油脂壓注和粘土填充    ·油脂壓注：    為了確保頂管機(jī)正常出洞，防止?jié)櫥酀{漿液及切口泥水后竄至井內(nèi)，利用圓形鋼套上所預(yù)留的壓注孔在三道鋼刷之間充分壓注油脂，并且在頂進(jìn)過程中不斷地加注。

31、    ·洞門內(nèi)填充粘土：    由于泥水平衡式頂管機(jī)必須具備正常的泥水壓力后才能正常施工，所以洞門內(nèi)一定要填充粘土，并具備一定的土壓力，以形成正常的泥水平衡系統(tǒng)。    (2)管節(jié)止退技術(shù)    在頂管出洞段拼裝管節(jié)過程中極易引起頂管機(jī)的后退，導(dǎo)致刀盤正面的切口水壓突降，從而造成正面土體坍塌、泥水平衡效果破壞等嚴(yán)重后果。    特殊管節(jié)制作    由于頂管正面泥水壓力偏大，較難采用常規(guī)的抱箍剎形式止退，需

32、考慮在管節(jié)結(jié)構(gòu)不受影響的前提下在管節(jié)前部設(shè)置預(yù)埋鋼套環(huán)。    止退裝置安裝    在鋼套上焊接螺栓(F36mm)的固定支座，每節(jié)管節(jié)頂進(jìn)結(jié)束后，在管節(jié)的預(yù)埋鋼環(huán)上對應(yīng)焊接固定支座，然后用螺栓將鋼套和管節(jié)連接牢靠，避免在拼裝過程中的管節(jié)后退，見圖8。    圖8 止退裝置圖    (3)隧道減阻技術(shù)    對于長距離頂管來說，為減小頂力，確保頂進(jìn)順利，其關(guān)鍵是在頂管頂進(jìn)過程中向隧道外側(cè)壓注潤滑泥漿以形成高質(zhì)量的泥漿套。  &#

33、160; 漿液配比    頂管出洞試驗段施工及室內(nèi)試驗證明，適合本工程的漿液配比(1m3)見表4：    注漿量    頂管全斷面處于灰色砂質(zhì)粉土層內(nèi)，該土層土體流塑性大。    注漿量=理論建筑空隙×500%    單節(jié)管節(jié)注漿    單位：kg           指導(dǎo)配比  

34、0;   表4    膨潤土    水    純堿    CMC    稠度    400    850    6    25    1214    漿液質(zhì)量指標(biāo)為：稠度1214cm b.pH 910 c.析水率2%量  

35、0;     V=3×3.14×(2.662-2.642)/4×500%=1.25m3    注漿順序    地面拌漿啟動壓漿泵總管閥門打開管節(jié)閥門打開送漿(頂進(jìn)開始)管節(jié)閥門關(guān)閉(頂進(jìn)停止)總管閥門關(guān)閉井內(nèi)快速接頭拆開下管節(jié)接2寸總管。    注漿原則    合理布置注漿孔，使所注潤滑泥漿在隧道外壁形成比較均勻的泥漿套。同時嚴(yán)格控制注漿量，防止單個注漿孔注漿量不足或超量。    壓漿時

36、必須堅持"先壓后頂，隨頂隨壓，及時補(bǔ)漿"的原則，泵出口處壓力控制在030.4MPa。    利用中繼間接力頂進(jìn)時，使泥漿迅速填滿工具管后管節(jié)周圍出現(xiàn)的空隙，形成完整的泥漿套，達(dá)到最佳的減阻效果。同時，由于在頂進(jìn)中泥漿的流失、滲透，在一號中繼間以后的隧道沿線經(jīng)常進(jìn)行補(bǔ)壓漿，保證整條頂管處在一個良好的泥漿套中。    根據(jù)實際施工經(jīng)驗，在深層砂土中，靜態(tài)和動態(tài)的周邊阻力相差極為明顯，一旦頂進(jìn)中斷時間較長，管節(jié)和周圍土體固結(jié)，在重新起動時就會出現(xiàn)"楔緊"現(xiàn)象，一般頂力要達(dá)到正常情況的1.41.6倍。在

37、頂管施工中，采取24h連續(xù)施工，使管節(jié)基本處于動態(tài)平衡之中，見圖9。    圖9 總頂力圖    (4) 穿越江中段主要防范措施    防止江底冒漿(防冒)措施    ·合理控制頂進(jìn)速度：    初始頂進(jìn)時，頂進(jìn)速度應(yīng)緩慢調(diào)節(jié)至正常頂進(jìn)速度。由于土倉體積較小，速度的突變將造成土倉外建筑空隙變小，導(dǎo)致泥水壓力急劇上升。    ·嚴(yán)格控制切口水壓波動范圍：    頂進(jìn)過程

38、中嚴(yán)格控制切口水壓的波動范圍，將切口水壓控制在0.2±0.01MPa之間，若切口水壓波動較大，則應(yīng)立即轉(zhuǎn)換到"旁路"狀態(tài)，待切口水壓恢復(fù)正常后方可繼續(xù)頂進(jìn)。  ·嚴(yán)格控制潤滑泥漿的注漿壓力：    注漿壓力一般控制在0.3MPa以下，以免注漿壓力過高而發(fā)生泥漿冒頂現(xiàn)象。    ·江底冒漿對策：    當(dāng)發(fā)現(xiàn)江底冒漿時，如果是輕微的冒漿，在不降低開挖面切口水壓下適當(dāng)加快頂進(jìn)速度，提高管節(jié)拼裝效率，使頂管機(jī)盡快穿越冒漿區(qū)。當(dāng)冒漿嚴(yán)重，則應(yīng)采取如下措施

39、：    將開挖面切口水壓降低到與土壓和水壓之和相平衡為止。    適當(dāng)提高泥水密度和粘度。    將開挖面水壓返回到正常狀態(tài)進(jìn)行掘進(jìn)。    防止江底土層沉降(防塌)    ·按設(shè)計值設(shè)定切口水壓：    頂進(jìn)過程中應(yīng)按設(shè)計值設(shè)定切口水壓，并根據(jù)頂進(jìn)時刻的潮位變化情況對其進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。由于設(shè)備原因使切口水壓低于設(shè)計值時，應(yīng)停止正常頂進(jìn)，待切口水壓恢復(fù)至設(shè)計值后，方能繼續(xù)進(jìn)行正常頂進(jìn)。