上海過江倒虹管泥水平衡頂管施工技術

1、上海過江倒虹管泥水平衡頂管施工技術    1、工程概況    本工程為上海市污水治理二期1.1標黃浦江倒虹管工程，沿線共設有兩座豎井，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，西靠黃浦江，東接耀華支路，接收井位于浦西龍華機場附近，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計、制造的適用于各種軟土地質的2660mm泥水平衡式頂管機頂進施工，頂管主頂機械總頂力為10000kN。    圓隧道結構全部采用"F"型預制鋼筋混凝土管節(jié)，其外徑2640mm，內徑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。    本工程范圍內的土層及各地層土質物

3、理力學指標，見表1。    地層土質物理力學指標 表1    層號    土層名稱    層底標高    含水量W(%)    密度kN/m3    孔隙比e    凝聚力C(kPa)    內摩擦角°    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        灰色粘質粉土    -

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

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

7、    17.9    0.99    3.0    28    100    3    灰色粉質粘土    -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、泥水輸送、泥水處理及頂進管理四個系統(tǒng)組成。    (1) 泥水平衡頂管機    泥水加壓平衡頂管機主機    ·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動，使刀架與刀盤分離，在兩者之間形成四條70mm的進土間隙，并由中心軸及刀架的繼續(xù)伸出帶動刀盤盤體的運動，使之與殼體保持一定距離，此時機頭即處于待工作狀態(tài)，啟動刀盤驅動電機，通過第一級減速(105k行星齒輪減速機)，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轉動(可正反轉)切削土體

10、，見圖2。    圖2 頂管機主機示意圖    ·主要技術參數(shù)：    A.外形尺寸：直徑(外徑)2660mm，長度42404300mm。    B.刀盤：最大扭矩277kNm，轉速1.516rpm，驅動電機功率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°。  頂進裝置    頂進裝置分主頂進裝置及中繼頂進裝置兩部分。主頂進裝置的主要功能是完成管節(jié)的頂進，其由底座、油缸組、頂進頭、V形頂塊、鋼后靠及液壓動力泵站等組成；中繼頂進裝置主要是為中繼接力頂進所用。    (2) 泥水處理    泥水處理系統(tǒng)主要由粘土溶解槽、調整槽、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整槽，調整粘度、密度后重新利用。    江中設置一臺潛水泵引水入清水槽，清水槽內設潛水泵一臺，用于向調整槽內加注清水，調整槽內設攪拌裝置，調整后泥水通過P1(PH)泵送入頂管機內使用，粘土溶解槽內攪拌濃泥漿，加入調整粘度、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)處理后的泥水由調整槽通過P1-1泵或PH泵由地面送至井下，頂管內排出的高密度泥水，經(jīng)安裝在地面和隧道內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"頂進狀態(tài)"。    進入"頂進狀態(tài)"時，開啟機頭閥，開啟V1、V2閥，關閉V3閥。泥水輸送系統(tǒng)可逐漸達

14、到泥水平衡，調整送泥水壓和排泥流量，使推進過程中一直保持泥水平衡，若在推進過程中，切口水壓值偏高設定值，操作人員應采取措施，使之恢復正常。若切口水壓繼續(xù)偏差達限值，應立即切換到"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，就應操作至"逆洗狀態(tài)"，對堵塞管道進行沖洗。管道暢通后，應先轉換到"旁路狀態(tài)"，最后才轉換到"頂進狀態(tài)"。    頂進結束后，應將"頂進狀態(tài)"切換到"旁路狀態(tài)"，待泥水平衡后，再

15、切換到"停止狀態(tài)"。    (4) 頂進管理系統(tǒng)    頂進管理系統(tǒng)由頂管機主機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、轉角等一系列施工參數(shù)。    頂進過程中，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)及時作相應調整。    3、泥水平衡頂管主要施工參數(shù)的設定與調整    (1)切口水壓設定  &#

16、160; 泥水平衡頂管頂進時，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、下限值設定可根據(jù)常用土體力學計算公式計算得到。    實際頂進過程中的切口水壓是根據(jù)切口水壓設計設定值、實時的土砂量和干砂量積算值等重要參數(shù)設定。其中切口水壓設計設定值可根據(jù)近1050m掘進過程中較佳的設定值回歸所得，見圖5。    圖5 50100m設定切口水壓與理論計算關系圖    (2) 頂進速度  

17、0; 頂進速度的控制過程中，應注意以下幾點：    主頂啟動時，必須檢查千斤頂是否靠足，開始頂進和結束頂進之前速度不宜過快。每節(jié)頂進開始時，應逐步提高頂進速度，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到位后依次將后級中繼間及主頂頂進到位。    一節(jié)頂進過程中，頂進速度值應盡量保持恒定，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，正常頂進條件下，頂進速度應設定為253.5cm/min；如正面遇到障礙物或地基加固土，頂進速度應低于1cm/min。    (3) 泥水質量控制    密度    泥水的密度是一個主要控制指標。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。實際施工和室內實驗結果表明，適用于本工程的泥水密度范圍應在1.121.20g/mm3。下

19、限為1.12g/mm3，而上限需根據(jù)頂管機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。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量越來越高，因此，泥水粘度的范圍應在2025S，考慮到粘度的調整有一個過程，應在泥漿粘度為22S時(調整槽粘度)，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。泥水的析水量應小于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。    本工程采用的指導配比見表2、表3。    單位：kg          指導配比      表2    天然泥土    CMC    純堿    水 &#

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

22、60; 水     330    2.2    11    870     泥水監(jiān)控是一個使用小調整使用大調整使用的無限循環(huán)過程，是一個動態(tài)變化過程。檢查配比是否合理的標準是地面沉降量，沉降量得到控制后就要注意泥水指標的變化趨勢，使之穩(wěn)定在某一區(qū)域內。    (4) 逆洗時的壓力控制    逆洗是頂進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，由于土倉或頂管機內的排泥管處于堵塞狀態(tài)，因此逆洗時應提高排泥流量，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、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施工中最重要的管理項目之一，它直接影響著頂管施工質量。控制每節(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)地質情況進行理論掘削量計算： 

24、60;  w=V×(1-n)×r    W：理論掘削量(m3/Ring)    V：砂性土在頂管機斷面內所占的體積(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，頂管機處于"超挖"狀態(tài)，干砂量比標準值大；偏差流量為負值時，頂管機處于"溢水"狀態(tài)，干砂量比標準值小。    當發(fā)現(xiàn)掘削量過大時，

27、應立即檢查泥水密度、粘度和切口水壓。在查明原因后應及時調整有關參數(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)頂進結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到測點之前的沉降或隆起。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，使開挖面應力釋放引起地面沉降。第二階段是指從頂管機切口達到測點至頂管機尾離開測點時間

28、范圍內引起的沉降或隆起。該段的地面變化主要是由頂管機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土體附加應力也將影響此階段的地面沉降。    圖6 第5節(jié)和第10節(jié)頂進結束后的地表沉降變化圖    5、泥水平衡頂管特殊施工技術    (1) 洞門止水技術    封門形式    在工作井洞門外側無法設置有效的鋼封門，雖制作時采用由雙榀16組成的直排內封門，但無法在井壁洞圈上安裝有效的出洞止水裝置，洞門與頂管機及管節(jié)間的建筑空隙

29、難以處理，而內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外封門的形式，以便于在井內拔除封門和封堵建筑空隙，見圖7。    圖7 封門改造圖    在井內封門外側安裝一只方形鋼箱，使其包絡內封門所有雙榀16，兩側焊接在內封門外緣雙榀16上，上部開口，以拔除雙榀16，下部與底板預埋件相連接固定。方箱上設一預留孔。    在方形鋼箱外側安裝一只圓形鋼套，鋼套與方形箱采用焊接方式連接可靠。其內布置有三道盾尾鋼刷，并在相應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，必須在洞口設置密封性能良好的止水裝置。其緊貼頂管機及管節(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。    洞門內油脂壓注和粘土填充    ·油脂壓注：    為了確保頂管機正常出洞，防止?jié)櫥酀{漿液及切口泥水后竄至井內，利用圓形鋼套上所預留的壓注孔在三道鋼刷之間充分壓注油脂，并且在頂進過程中不斷地加注。

31、    ·洞門內填充粘土：    由于泥水平衡式頂管機必須具備正常的泥水壓力后才能正常施工，所以洞門內一定要填充粘土，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    在頂管出洞段拼裝管節(jié)過程中極易引起頂管機的后退，導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)結構不受影響的前提下在管節(jié)前部設置預埋鋼套環(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)頂進結束后，在管節(jié)的預埋鋼環(huán)上對應焊接固定支座，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    對于長距離頂管來說，為減小頂力，確保頂進順利，其關鍵是在頂管頂進過程中向隧道外側壓注潤滑泥漿以形成高質量的泥漿套。  &#

33、160; 漿液配比    頂管出洞試驗段施工及室內試驗證明，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粉土層內，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           指導配比  

34、0;   表4    膨潤土    水    純堿    CMC    稠度    400    850    6    25    1214    漿液質量指標為：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(頂進開始)管節(jié)閥門關閉(頂進停止)總管閥門關閉井內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，及時補漿"的原則，泵出口處壓力控制在030.4MPa。    利用中繼間接力頂進時，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，達到最佳的減阻效果。同時，由于在頂進中泥漿的流失、滲透，在一號中繼間以后的隧道沿線經(jīng)常進行補壓漿，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，一旦頂進中斷時間較長，管節(jié)和周圍土體固結，在重新起動時就會出現(xiàn)"楔緊"現(xiàn)象，一般頂力要達到正常情況的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    ·合理控制頂進速度：    初始頂進時，頂進速度應緩慢調節(jié)至正常頂進速度。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，導致泥水壓力急劇上升。    ·嚴格控制切口水壓波動范圍：    頂進過程

38、中嚴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，則應立即轉換到"旁路"狀態(tài)，待切口水壓恢復正常后方可繼續(xù)頂進。  ·嚴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加快頂進速度，提高管節(jié)拼裝效率，使頂管機盡快穿越冒漿區(qū)。當冒漿嚴重，則應采取如下措施

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。    適當提高泥水密度和粘度。    將開挖面水壓返回到正常狀態(tài)進行掘進。    防止江底土層沉降(防塌)    ·按設計值設定切口水壓：    頂進過程中應按設計值設定切口水壓，并根據(jù)頂進時刻的潮位變化情況對其進行相應調整。由于設備原因使切口水壓低于設計值時，應停止正常頂進，待切口水壓恢復至設計值后，方能繼續(xù)進行正常頂進。