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临河高水压富水砂层顶管机接收技术研究

2024-05-21 45 上传者：管理员

摘要：针对顶管机接收环节容易出现缺陷，造成地下工程施工质量安全隐患的问题，依托哈尔滨市阿什河污水处理厂配套管线工程，对处于富水砂层的地下工程顶管机接收关键施工工艺进行研究，以期为类似工程提供参考。

关键词：
地下管网
富水砂层
接收技术
顶管机
高水压
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近年来，我国经济高速发展，城市地下管网工程建设日益增多[1]。过去地下管网工程大多采用明挖法施工，明挖法虽然施工工艺简单，但对施工场地要求较高，同时对周围环境、交通影响较大[2,3]。针对这一问题，高效的顶管法应运而生，顶管法无须破坏原有路面，对周围环境、交通影响较小，相比明挖法优势十分明显。因此，顶管法是地下管网工程常用的施工方法。顶管法施工过程中，顶管机接收施工工艺是地下管网工程最关键的环节[4,5]。

罗泽宏等结合广州某人行隧道项目，介绍了一种水平冻结加固、水中进洞的顶管机接收施工方法，该方法可以有效避免涌水、流砂的风险[6]。陈宏明基于国内某矩形过街隧道施工项目，针对不同类型软土地层顶管机刀盘结构形式、机械设备的性能进行深入研究，结论为单一类型地层选则前后多刀盘结构形式更为有效；漂卵石类地层选择平面多刀盘结构形式更为有效，该刀盘可以更好地抵抗卵石的冲击；同时，分析了矩形顶管刀盘结构形式的地层适应能力[7]。纪英男依托某实际矿业工程，采用EDEM离散元软件创建了顶管机煤渣排放性能的分析模型，研究了不同掘进工况下，煤渣流动的速度和流量变化的趋势，得出结论：可同时提高顶进速度与刀盘转速来提高煤渣排放效率[8]。李兵以北外滩区域汉阳二期工程为背景，研发了一种用于顶管机泡沫系统的电气工艺，通过应用于工程，验证了该系统的可行性。具体内容：控制中心是PLC，执行部件为变频器和电动调节阀，通过PID进行反馈调节[9]。韩育琛等结合北京地铁昌平线上清桥站工程，介绍了一种矩形顶管机械选型的办法，采用熵信息法与五级标度赋值法确定了矩形顶管机选型指标，采用TOPSIS法(优劣解距离法)进行决策，最后选择了土压平衡式顶管机[10]。

本文依托哈尔滨市阿什河污水处理厂配套管线工程，对高水压富水砂层条件下地下管网工程顶管机接收施工关键环节进行研究，以期为类似工程提供参考。

1、工程概况

本工程为哈尔滨市阿什河污水处理厂配套管线工程，顶管线路总长2.58km，顶管段桩号为K0+142～K2+722，分3个顶管段，分别为2#～1#、2#～3#、4#～3#竖井顶管段，2#～3#顶管段掘进过程中需下穿阿什河，2#～1#、4#～3#顶管段掘进过程中需下穿堤坝。2#～1#竖井顶管段起止K1+042～K0+142，全长900m，平面线形为直线，2#竖井管顶覆土深度18.19m,1#竖井管顶覆土深度18.75m，竖直线形为2‰下坡。2#～3#竖井顶管段起止K1+042～K2+029，全长987m，平面线形为直线，3#竖井管顶覆土深度13.5m，竖直线形为2‰上坡。4#～3#竖井顶管段起止K2+719～K2+029，全长690m，平面线形为直线，4#竖井管顶覆土深度10.89m，竖直线形为5.7‰下坡（图1）。本场地有潜水分布，地下水位埋深0.00～6.90m，埋藏较浅且水量丰富。顶管机穿越地层主要有粗砂、中砂、黏土、中砂、砂砾、细砂、黏土。

图1施工平面图

2、顶管接收关键技术

2.1注浆控制

注浆压力应根据地质条件、管节密封、浆液特性和管道埋深等因素确定。同步注浆时要求在地层中的浆液压力大于该点的静止水压及土压力之和，做到尽量填补而不宜劈裂，同时不应大于管节密封压力。

式中P——注浆压力（k Pa);

γ——土的容重；

h——埋深（m）。

2.2接收洞门止水装置

本装置主要用于地下管道机械化施工进出洞口，适用于地下水丰富、水头高、地层含砂大的地区。

2.2.1洞门找平

工作井洞门若为弧形，直接安装止水装置容易渗漏水，沉井制作时将洞门钢环进行部分延长，待机械施工时将洞门钢环延长部分进行找平，使止水装置能平整地栓接在延长钢环上。

2.2.2防砂止水装置设计

防砂止水装置设计理念结合了顶管施工进出洞止水装置和盾构盾尾刷止水的理念，采用1道橡胶密封+2道盾尾刷密封。防砂止水装置主要组成部分有：预埋洞门钢环（带有法兰）、盾尾刷、油脂管、洞门法兰、橡胶止水板、预留注浆管、钢压环、螺栓。

在洞门钢环上增设2道盾尾刷，2道盾尾刷中间设置油脂管，完成盾尾刷安装后，再在外侧止水环结构采用铰接型钢压板，中间夹装20mm厚的橡胶止水环。依靠管道顶进带动安装好的橡胶板形成逆向止水装置，最终保障顶进过程中泥浆冲破封门结构（图2）。

图2防砂止水装置安装

2.2.3盾尾刷手涂油脂涂抹

盾尾刷安装完成后需对盾尾刷进行手涂油脂涂抹。手涂油脂需使用特制工具小刀铲，其制作方法：用5mm×50mm×200mm钢板前端制作成铲形，尾端焊接一个长约200mm的把手。在徒手涂盾尾油脂前要仔细检查盾尾刷，将盾尾刷上的绑扎铁丝全部拔出，将盾尾刷上的杂物碎屑清理干净，将盾尾刷间的槽内杂物灰尘清理干净，不得有水迹留存。

将涂抹盾尾刷工具清理干净，工具上不得有灰尘、泥沙及杂物碎屑等。小刀铲与橡胶手套蘸适量的水或润滑油，防止油脂粘连在刀铲和手上；涂抹过程中严禁踩踏钢丝刷，否则容易引起钢丝刷的变形，导致施工过程中钢丝刷与管片贴合不密切影响密封效果。

将盾尾油脂用手搓成直径为6cm左右的长条形，或者直径为4～6cm的球形；搓油脂球过程中要保证手套和油脂的洁净，防止泥沙灰尘污染手套及油脂。从底部第一道钢丝刷开始，2人配合，1人利用自制的小铲掰开钢丝，1人将搓好的油脂塞入钢丝刷内，将油脂塞到底部，用木棒捣实。

涂抹位置为2道弹簧板与钢丝刷之间缝隙，4道钢丝刷之间的缝隙及盾尾刷与盾尾焊接的角落机打油脂不易到达的位置。按照从下往上的顺序，对每道钢丝刷都要进行充分的涂抹，确保每道钢丝刷的钢丝均有足够的油脂黏附。涂完第一道整圆后，按照同样的方法涂抹第二道钢丝刷，由盾尾内部向外部依次涂抹。涂抹钢丝刷与盾尾相接的三角区域，涂抹时将油脂搓成直径4～6cm长条，用小刀铲按入三角区域并挤压密实，要求三角区涂抹范围至少3～5cm。

对每道缝进行充分填充，填充到底、连续、饱满，涂至最后钢丝刷表面被油脂覆盖住，要求整圈盾尾刷不允许有遗漏，两道盾尾刷涂抹约1～1.5桶手涂油脂。工人涂刷完毕后，技术人员应对盾尾刷的涂抹效果进行检查。应对每一道盾尾刷进行逐道、逐层检查。检查标准为：填充到底、连续、饱满、涂至最后钢丝刷表面被油脂覆盖住。如检查未达到标准，则要求进行工人重新补填至合格为止。在盾尾刷油脂涂抹完毕后，应及时拿石棉布遮挡，防止由于各种因素破坏油脂的不完整性以及焊渣掉落起火。

2.3顶管机进洞接收

2.3.1止水帷幕降水

本项目端头处止水帷幕内布设4口降水井，顶管机进洞前地下水位需降至洞口以下1m以下。

2.3.2基座安装

根据测量复核的顶管机准确姿态数据，在接收井内安装固定接收架。接收架位置和标高应与靠近洞门的顶管机姿态相吻合，标高略低于顶管机标高，并适当设置纵向坡度，以防机头磕头，准确就位在顶管机接收基座上。

根据以往施工经验，顶管机进洞接收过程中易出现接收托架啃轨等现象，因此往往将接收托架的标高设置低于设计轴线20～30mm。为了使顶管机接收时有良好的导向，进洞后，在洞门钢环底部和接收托架头部各焊接2根导向轨，为便于接收，接收导轨安装高于接收基座10～20mm。

2.3.3封门割除

1#及3#竖井封门采用800mm厚砖墙满砌封堵，洞口处井内侧采用钢封板+工字钢进行加固支撑。

根据水平探孔情况，若无渗流顶管机可以进行破除洞门外侧砖砌墙，在破除砖砌墙时需控制刀盘转速及顶进速度，并根据顶进距离推算刀盘与钢封门距离，当发现刀盘抵到钢封门时立刻停止掘进。由于刀盘设有中心鱼尾刀，刀盘抵到钢封门时会看到鱼尾刀突出点，将突出点处钢封门割除直径10cm左右的圆，找到刀盘中心鱼尾刀中的，根据顶管轴线，在钢封门上画出刀盘轮廓，轮廓画完后，沿着轮廓将钢封门进行十字型切割，将钢封门分为4块，并焊制起吊吊耳，每块之间预留1cm左右不进行切割，待钢封门起吊准备就绪后再将最后预留未切割处快速进行切割，并将钢封门进行起吊。钢封门破除后，顶管机开始进行推进，并且启动刀盘进行缓慢旋转。

2.3.4机头掘进及顶管机姿态调整

在距贯通面200m、100m和50m处对顶管机姿态进行人工复核测量。在贯通前50m时对地面控制网、井下控制点、顶管机的姿态进行全面的测量复核。根据顶管机姿态测量和洞门复测结果，逐渐将顶管机姿态调整至预计的位置。确定顶管机贯通姿态时，一般考虑顶管机到达时施工进度较慢，存在下沉的情况，贯通前30m可逐渐将顶管机姿态抬高至+20～+30mm，具体按掘进情况进行适时调整，达到顶管机所需最佳顶管机姿态。

顶管机进洞后，洞圈和顶管机、管节间的空隙是泥水流失的主要通道。顶管机以最快速度切入洞口，顶管机进洞口立即通过洞口预留管道注入水泥水玻璃双液浆，填充洞口与管节之间的间隙，避免渗漏水引起沉降过。待洞口浆液达到强度后，拆除洞口止水装置，采用C35膨胀混凝土将洞口与管节之间的间隙填实。管道两端露出在井中的长度不小于0.5m，且不得有接口。

3、结论

本文以哈尔滨市阿什河污水处理厂配套管线工程为背景，介绍了高水压富水砂层条件下地下管网工程顶管机接收施工技术和控制要点，采用了1道橡胶密封+2道盾尾刷密封的方式进行顶管进出洞止水防护，将接收托架的标高设置低于设计轴线20～30mm，防止顶管接收过程中出现的托架啃轨现象；封门采用砖墙封堵，洞口处井内侧采用钢封板+工字钢进行加固支撑，解决了高水压富水砂层条件下顶管机接收施工难度大、止水要求高、施工工艺复杂的问题，确保了地下管网工程施工质量与安全性。

参考文献:

[1]杨贵阳.富水环境矩形顶管施工地层变形特性研究[D].西安:西安建筑科技大学,2019.

[2]李祥.沿海淤泥质地层顶管穿越高速公路施工控制技术研究[D].西安:西安建筑科技大学,2023.

[3]梅君,何凡.复杂工况条件下大断面矩形顶管接收施工技术[J].施工技术(中英文),2022,51(19):70-74.

[4]刘智辉.类矩形盾构与顶管机模式转换用机械结构研制与应用[J].市政技术,2023,41(2):109-112,119.

[5]曹淑学,吴发展.复杂周边环境下顶管接收施工技术[J].建筑技术,2022,53(2):227-229.

[6]罗泽宏,袁守谦.一种顶管机在端头冷冻加固条件下水中平衡接收的施工技术[J].广东土木与建筑,2022,29(11):115-117.

[7]陈宏明.软土地层矩形顶管机刀盘地质适应性设计研究[J].建筑机械化,2023,44(2):29-31,47.

[8]纪英男.基于EDEM的矿用顶管机掘进系统排碴性能分析[J].中国新通信,2023,25(9):25-27.

[9]李兵.基于PLC和变频器的顶管机泡沫控制系统[J].设备管理与维修,2022(12):126-128.

[10]韩育琛,郭腾,韩瑞林.基于TOPSIS的矩形顶管机选型研究[J].市政技术,2022,40(8):171-176,182.

文章来源:刘祺.临河高水压富水砂层顶管机接收技术研究[J].建筑机械化,2024,45(05):132-135.