青岛源水投资发展集团有限公司 山东青岛 266071
摘要：河道入海口冲积淤泥层，属于工程不利地质情况。顶管施工方法受地质影响非常大。阐述了在其他工法受限的情况下，采用顶管方式在河道入海口处实施管道施工，并取得满意结果的案例。
关键词：淤泥；泥水平衡；顶管
北方的河流多为季节性河流，汛期洪水奔流，泥沙俱下；非汛期则经常发生断流现象。河流的入海口处，形成范围不一的淤积区。由于汛期在7-9月，植物生长旺盛期，洪水中夹杂了大量植物枝叶以及各种枯枝败叶，这些有机质随同泥沙冲积而成淤泥，因此淤泥成分中含有大量的腐殖质，具有含水量大、力学强度低，压缩性强以及抗震性能很差等特征。
青岛特种钢铁有限公司搬迁到董家口经济区，位于横河入海口一侧，厂区由原海边养殖虾池填海造地而成，2米深的回填土下，有15-20米深的淤泥层，具有典型的河流入海口冲积地貌。在对青岛特种钢铁厂区进行供水管道施工时，遇到了难题：需要垂直穿越一条双向8车道的主干道，该道路承担了钢厂进出厂区的所有运输职能，不能影响通行，且路肩下侧有一条深度4米的综合管涵管涵下方是含水率饱和的淤泥。道路一侧有足够的施工场地，另一侧则是青岛特种钢铁厂区，厂区内管线密布，没有可以满足定向穿越的施工空间。如采取常规顶管工艺，极易发生淤泥涌流、地面塌陷，且顶管行进方向不易控制，极易发生管道上抬现象。、
经多方进行技术比较，采用了泥水平衡顶管施工工艺。笔者主持了工程的全过程，特别是施工的各关键节点，比较详细了解了这种施工工艺的工作原理以及施工中的重要控制点。并通过对施工中出现的一些问题进行思考，总结了一些经验，并提出一些建议，以利于今后此类项目的管理。
1泥水平衡顶管施工的使用范围及特点
泥水平衡顶管技术主要适用于软土、粘土、砂土等地质情况，尤其地下水压力很高且变化范围较大时也能适用。另外，复杂地质情况不需要增加辅助措施。泥水平衡顶管在地面遥控操作，人员不用下井作业，安全性高。
2泥水平衡顶管机的结构特点
本工程顶管施工所使用的顶管机是NP1000型泥水平衡顶管机，所以就以该型号的顶管机为例，简要介绍该机的结构特点。如下图所示，系统由机身和地面控制系统组成。顶管机机身主要由机壳、切削系统、搅拌系统、动力系统、纠偏系统、进排泥系统和摄像监视系统等组成。地面控制系统主要由地面操作台和进排泥管道系统组成。
3泥水平衡顶管施工的工作原理
工作原理是通过改变泥水仓的送、排泥水量以及顶进速度来控制排土量，使泥水仓内的泥水压力值稳定，并控制在设定的范围内，达到开挖面和周边土体的稳定。
3.1泥水平衡功能
1）通过泥水压力来平衡管周土体和地下水压力，以稳定开挖面；
2）刀盘切削下来的土体在泥水仓内进行混合后，由泥水管路输送到地面，水经泵压由送水管送入，与进入泥水仓的切削土或土水混合物混合后，通过排泥泵经排泥管送至地面；
3）泥水需在泥水仓内形成一定的压力，此压力需比顶管机处的土层的土压力和地下水压力之和稍高，通常为0.015Mpa-0.02Mpa。
顶管机上部的泥水平衡压力是P3，底部的泥水平衡压力是P5，如果设λW为清水比重，λ为泥水比重则有如下关系式
P1=λWH2
P2=λW（H2+ΔH）
P3=λWH1
P4=λW（H1+ΔH）
P5=P4+λH=λW*（H1+ΔH）+λH3
3.2泥水控制原理
泥水平衡控制运用调节器和执行机构（调节水泵转速和控制阀开度）与被控制对象构成闭环负反馈,根据被控参数的测量值与给定值之间的偏差，对执行机构进行控制以达到控制泥水平衡目的。
另外动力系统由两个泵组成，就以P1、P2标识。
1）在掘进状态，切口水压调节器根据测得的切口水压与设定值进行比较，如果泥水仓压力大于设定值则切口水压调节器输出值降低，则P1泵转速下降，进入泥水仓的送泥水量减少，使泥水仓压力降低反之亦然。同时切口水压调节器与送泥水压调节器的输出值互为跟踪，是解决过渡状态转换的扰动，一旦转换完成，切口水压调节器屏蔽跟踪信号，送泥水压调节器仅起信号传送作用。
2)排泥水密度的变化将导致排泥水流量的变化，这种变化会增加切口水压调节器的泥水平衡控制负担，因此由排泥水流量调节器稳定排泥水流量，起到间接控制泥水平衡的作用。排泥水流量调节器控制P2泵的转速，使排泥水流量达到设定值。
3)通过切削及搅拌系统，部分泥浆经压力进入顶管机机身及尾部，确保在顶管机后面及时形成完整的泥浆套，在管周起到注浆减阻的作用。
4施工工艺流程和重点控制环节
施工工艺流程主要包括施工准备、工作井制作、初始顶进、循环顶进、顶管机出洞、顶管结束等步骤。由于篇幅原因，对施工流程不做详细的描述，只对过程中的重要控制环节进行简要介绍。
4.1施工准备阶段
施工准备工作的重点是技术准备。技术准备主要是顶力计算和始发工作井后背墙壁厚和配筋计算。建议由专业的地勘和设计单位根据现场地质情况进行计算和设计。
4.2工作井制作阶段
泥水平衡顶管施工工作井多采用钢筋混凝土结构。工作井制作多采用沉井的方式，井壁下做刃脚，方便下沉。下沉过程中密切关注每侧的下沉速度，使各个方向均衡下沉，防止发生倾斜。沉井较深时可分节浇筑，沉井下沉到位后，底部先用素混凝土封底做垫层，再做钢筋混凝土地板。
4.3循环顶进阶段
顶进过程中要安排专人负责地面操作台的监控，发现偏差及时纠正。密切观察泥浆的密度，防止过高或过低影响顶进压力。顶管施工要连续不断，中间不可长时间停止。
5经验和建议
5.1鉴于泥水平衡顶管施工工艺的特点，建议在软土性地质情况和地下水丰富的情况下，优先使用该施工工艺，能最大限度的保证施工的安全性和精确性。
5.2顶管施工所顶进的套管强度至关重要，尤其是施工作业长度较长的工程，顶管压力较大，对套管强度要求更高，一般建议采用三级钢筋混凝土管。
5.3始发井的后背混凝土面平整度要严格要求，否则将影响顶进设备的安装精度。如施工完成后检测平整度和垂直度达不到要求，可采用厚钢板加碎石混凝土或对后背作用面进行凿除、打磨清理后加厚钢板的方法进行矫正。
5.4工作井下沉作业中，作业范围内严禁堆放重物，严禁重型车辆靠近行驶。工作井封底时必须确保井底无水，建议采用井点降水。封底前建议先用大石块将刃脚填满，然后再用混凝土封底，防止工作井出现下沉。
5.5初始顶进前，工作井内要安装激光经纬仪监视器。监视器的安装精度决定着顶管精度。所以必须对监视器的安装精度严格控制。监视器不得安装在顶进导轨或与导轨接触的平台上，防止顶进过程中由于机械的震动对监视器造成影响。
5.6顶进过程中必须经常检查设备的运行情况，防止发生故障造成长时间的停工，并提前做好应急方案。由于泥水平衡顶管施工时套管外壁采用泥浆护壁的方式减小阻力，如长时间停工，泥浆变稠、凝固，将极大增加顶进阻力，甚至顶管失败。
5.7泥水平衡顶管施工的项目地下水一般较多，为防止管道渗水，套管之间除安装胶圈防渗外，顶管完成后还应对每节管缝进行检查，并建议用油麻填塞管缝，增强防渗性能。
5.8顶管过程中即使控制再好，也不可能做到所有套管中心线处于同一直线上。所以顶管结束后，管底应铺一层中砂，作为内穿管道的垫层。
6. 结论
本工程这段管道顶管工程，顶管全长约135米，DN1200钢筋混凝土（三级）管，管顶埋深约6.5米。工期长达3个月，其中70余天都是在进行井室施工及顶管准备工作，实际顶管施工只有不到10天，施工过程严格按规范进行，十分顺利，与接收井对口误差在规范允许范围内，且道路沉降观测并未发现有沉降发生。至今施工完成已经超过一年，作为主干道，重型载重汽车经过频繁，该路段无任何异常，管道供水正常，说明该施工工艺可行、可靠。