广东省基础工程集团有限公司 510620
摘要：泥水系统作为泥水平衡顶管掘进技术核心，关键是通过加压泥水来稳定开挖面，持续有效将开挖土渣与泥浆混合物输送地面，再经泥浆处理后形成泥水循环，从而解决顶管掘进中挖掘面上的水压力和土压力的平衡。
关键词：泥水平衡；泥水分离；循环系统；应用
1工程概况
本工程施工场地位于深圳市滨河大道辅道及泰然九路、泰然八路段，目的是将沿线污水通过地下管道引入福田污水处理厂进行统一处理排放。污水管道工程采用III级钢筋混凝土管顶管施工，顶管工程管道直径为DN2200，顶管隧道穿越的地层主要为粉质粘土层、全风化泥质粉砂岩、强风化砂岩、中风化砂岩，地下水位高，顶管施工精度要求高，容易出现顶偏现象，刀盘磨损较为厉害，后座顶力大。所以本工程采用泥水平衡顶管机。
2顶管工艺
2.1泥水平衡顶管施工工作原理：
利用顶管掘进机大刀盘切削开挖面的泥土，切削的泥土在泥土仓内形成平衡土压力的塑形体，以平衡土压力。另外，通过进浆管将泥浆液输送至泥水仓内，以此形成高于地下水压力10-20Kpa的泥水压力，以平衡地下水压力。实现开挖面和泥水室内充满加压的泥水。使之在开挖面上形成一层不透水的泥水膜，既阻止了该泥水向挖掘面里面渗透，又平衡了挖掘面上的水压力和土压力。
当掘进机正常工作时，进排泥阀均打开，泥水从泥管经进泥阀进入顶管挖掘面泥水仓内，挖掘的泥砂经同泥水搅拌后，通过排泥管及排泥泵送至地面泥水分离装置，泥水分离装置将泥水与水有效分离后，泥渣分离外运，泥浆留在泥浆池内，经沉淀后泥水再次送入泥水仓内，形成了泥水循环系统。
泥水系统是泥水平衡顶管的关键部分，由泥水处理系统与泥水输送系统组成，是泥水加压顶管施工中确保工作面稳定及排渣的手段。泥水处理系统设于地面，由泥水分离设备和泥浆制备设备两部分组成。主要包括旋流器、振动筛、沉淀池、清水池、粘土（膨润土）溶解池、密度计及取水口、排泥口等；泥水输送系统由进浆泵、排浆管、流量计、控制闸阀及进排浆管线等组成。
2.2排泥过程：
排泥过程是通过后座主顶千斤顶推进，顶管掘进机大刀盘切削前方土体，切削下来的土体进入顶管掘进机的泥土仓。块石、混凝土或坚硬的土块等大块状物体在内外锥体的偏心碾压破碎作用下粉碎成为直径小于30mm的颗粒；粘性土在外壳斜锥段4个高压水孔喷射水流的作用下变成碎块和泥浆，在刀盘和内锥体的搅拌下成为可流动的泥土并被挤入泥水仓。
2.3泥水分离
泥水处理是指泥水平衡顶管过程中排放出来的泥水的二次处理，即泥水分离。一般采用振动筛与旋流器组合起来进行泥水分离的方法。由振动筛把较粗的颗粒，一般在1.0mm以上的颗粒分离出来，然后由旋流器把较细的颗粒再分离出来。如果颗粒比较细，分离出来的土的含水量比较高，可在其中掺入一定比例的吸水剂，如丙稀酸盐，这种吸水剂可吸去土中的水分，使原来流淌的土变成可运输的干土。
使用振动筛和离心分离器进行筛分，即可处理颗粒直径在74μm以上的砂、砾、粉砂、粘土块等。整个泥浆处理系统对泥浆的最终净化效果，主要取决于旋流器的颗粒分选指标。除沙效率的具体指标体现在对74μm颗粒的分离程度，主要取决于以下因素：
1)泥浆的黏度和含沙量；
2)旋流器的进浆压力及流通量；
3)旋流器的溢流管和沉砂嘴的直径比；
旋流器在工作中出现的主要故障一般是沉砂嘴堵塞造成的。此外，还有小锥、沉砂嘴、筛板的磨损。当沉砂嘴磨堵塞时，沙停止排除，溢流管的泥浆含量和污浆没有区别。为防止旋流器的堵塞，开机前必须检查储浆槽不得有粒径超过5mm以上的异物存在。
3泥浆处理
在顶进过程中，随着距离的增长，管道的摩阻力也随之增大。为了提高顶进施工的效率，在施工过程中尽可能地降低管道外侧的阻力，通常情况下往管外侧喷谢触变泥浆，降低顶进的阻力。
3.1触变泥浆
循环泥浆的浓度控制在1.09，压力比地下水水头增加20Kpa?10Kpa。泥水除了对泥沙起悬浮和携带作用外，同时对开挖面起平衡稳定作用，泥水压力由泥土仓的流动土体传到开挖面，防止开挖面坍塌，而且通过泥土仓的缓冲作用，即使泥水压力不正常，也不至于产生较大的地面沉降，泥土仓的土体与开挖面处于主动平衡或被动平衡状态。
1）触变泥浆系统设置：
顶进过程中，需要经常进行压触变泥浆工作，以减少顶进的阻力。注浆孔的形状及布置：在每节管的前端布置一道触变泥浆注浆孔，数量为4个，孔的大小呈90度布置（图4-18），经过不段压浆，在管外壁形成一个泥浆套。
触变泥浆管设置在顶管机后面4节管每节管都设置触变泥浆管，在管节外壁形成完整的浆套。以后的管节间隔3节管设置一道，用来对浆套进行补浆。
2）浆液配置：
触变泥浆系统由拌浆、注浆和管道三部分组成。拌浆是把注浆材料兑水以后再搅拌成所需的浆液（造浆后应静置24小时后方可使用）。注浆是通过注浆泵进行的，根据压力表和流量表，它可以控制注浆的压力（压力控制在水深的1.1—1.2倍）和注浆量（计量桶控制）。管道分总管和支管，总管安装在管道内一侧，支管则把总管内压送过来的浆液输送到每个注浆孔上去。
触变泥浆由膨润土、水和掺合剂按一定比例混合而成。施工现场按重量计的触变泥浆配合比为：水：膨润土＝8：1，膨润土：CMC＝30：1。本工程拟购置膨润土袋装复合材料，在现场施工加水拌和。
3）注浆流程：
造浆静置――注浆――顶管推进（注浆）――顶管停顶――停止注浆。
4）数量和压力
压浆量为管道外围环形空隙的1.5倍，压注压力根据管顶水压力而定。
3.2 输浆管道
排泥管理采用φ5"无缝钢管，法兰连接，在工作井内用高压橡胶波纹管过度，采用“F”接口，“F”管受力性能好，接头稳定性高，接口处止水密封性能好。接管前再次检查管子接头的承插口尺寸，橡胶圈和衬垫板的外观和质地。确认合格后可在接口处均匀涂抹薄层硅油等对橡胶无侵蚀性的润滑材料以减少摩擦阻力。接管时要保证与上节管的钢套环同轴度，并且加力要均匀，应保证橡胶圈不移位，不反转，不露出管外。
铺设泥浆管时，为了能够与顶管机的泥水循环系统顺利配套，泥浆管路的铺设应遵循以下原则：
1)尽可能减少泥浆管路沿程阻力。选择的管径能够具有较低的沿程损失，避免管路压力过高和能量损失。
2)确保管路内流速均匀，并高于沉淀临界流速，循环管路要均匀，尽量避免管路大小不一。
3)考虑管道正常磨损或集中磨损。泥浆中的硬颗粒包括砂子、石块等，对泥浆管壁有磨损作用，在某些弯道、变径处磨损更为严重，在管路布设时应充分考虑其耐磨性，对某些易磨损部位需要特殊考虑
4)避免泥浆循环管路中的冲击现象。管路在泥浆循环时，容易出现因流量变化造成的冲击现象，有时冲击的压力峰值很高，甚至造成爆管。所以管路布设尽量保证平顺，减少管路的局部损失，避免使用小直径弯头，防止管路堵塞。
3.3压浆布设
1）注浆目的
注浆减阻是顶管施工中非常重要的一个环节，尤其是在长距离顶管和曲线顶管施中，注浆的好坏直接关系到工程的成败。它主要有两个作用机理：一是起润滑作用，将顶进管段与土体之间的干摩擦变为湿摩擦，减小顶进时的摩擦阻力；二是起到填补和支撑作用，浆液填补施工时管段与土体之间产生的空隙，同时在注浆压力下，减小土体变形，使隧洞变得稳定。
如果润滑浆能在管节的外周形成一个比较完整的浆套，可以较好的减小顶管顶进时管外壁承受的摩擦阻力。
2）注浆量的确定
注浆量经计算确定。但由于顶管纠偏、浆液收缩、浆液渗入地层裂隙等因素，实际注浆量一般比理论计算量要多，具体超注量要根据具体地层情况确定。
单根管节注浆量可用如下公式计算：
V=ЛD·（δ+Δt）·b·f
式中：
V——注浆量（m3）
D——顶管外径（m）
δ——顶管外径与衬砌外径的间隙（m）
Δt——粘附于主机外的土厚度（m）
b——推进一环的长度（m）
f——实际注浆量与理论计算注浆量之间的差异系数（取1.5～2.0）
本隧道每米理论注浆量为0.75m3。
3）减阻泥浆性能要求
注浆材料应选择制备后的浆液具有粘度较高、失水量小、稳定性好、流动性好等特性。具体浆液的性能要求如下表所示。
表1注浆润滑泥浆基本性能要求表
.png)
根据上表中的性能指标要求，不同阶段的泥浆性能要求不同。机尾同步注浆是为及时填充机头与管节之间或者纠偏产生的空隙，泥浆粘度越大对地层的稳定越有利；沿线补浆是补充管壁与土层间缝隙中渗透（或虑失）到土体中的泥浆，浆液不需要太高的粘稠度；洞口注浆是让管节进入隧道开始便被周围泥浆套包裹，浆液应与同步注浆保持一致。
4）同步注浆注意事项
做好洞门密封止水工作，洞门密封内安装专门注浆装置，进行注浆填充；
保证同步注浆量，及时填充机头与管节间空隙，在泥土接触管节前先一步填满空隙，形成泥浆套，同时定期对全线隧道管节外壁进行注浆填充，保证泥浆密实度；
停止顶进前，加强泥浆循环效果，防止长时间停机，渣土沉淀，堆积至主机底部，增加摩阻力。
注浆管出口设泥浆单向阀，出口压力大于地下水压力。
主注浆孔与顶进同步注浆，先注浆后顶进，中继间注浆孔的注浆与中继间同步启动，顶进过程中连续注浆，每隔200m增设压降泵。
4结语
泥水平衡顶管施工是当今社会非开挖的主要施工技术，作为泥水平衡顶管掘进技术的泥水系统，该系统能否正常连续运转决定了泥水平衡顶管施工项目的成败。由于本工程泥水系统的设计合理、进排泥水的调配符合施工地质情况，确保挖掘面的稳定。使得项目顺利推进，隧道顺利贯通。
参考文献
[1]赵继成，黄蕾.泥水平衡顶管施工技术[J].市政技术，2005，23（4）；218-222.
[2]李万才.大口径长距离顶管工程注浆减摩技术[J].管道技术与设备，2X（X），（6）；11-13
[3]叶建良，蒋国盛，窦斌.非开挖铺设地下管线施工技术与实践[M].武汉；中国地质大学出版社，2000
作者简介：刘辉强（1992.05），男，汉族，广东广州人，本科，工程师，任职于广东省基础工程集团有限公司。邮编：510620，研究方向：建筑机械
论文作者:刘辉强
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第35期
论文发表时间:2019/4/12
标签：泥水论文; 泥浆论文; 注浆论文; 顶管论文; 压力论文; 浆液论文; 管路论文; 《建筑学研究前沿》2018年第35期论文;