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长距离曲线顶管技术在电力管道工程中的应用陈　勇1陈永光2黄以华2(1福建省东辰岩土基础工程公司厦门分公司,2厦门电力工程集团有限公司)摘要：非开挖技术在市政管道铺设中的应用越来越广泛，从直径50mm通讯光缆~直径3000mm混凝土管道，采用非开挖安装各种都变得很普遍。同时，鉴于非开挖技术综合效益优越性、环境友好型施工特点，也逐渐被工程建设方、社会所接受和认可。泥水平衡顶管技术是非开挖最为成熟的技术之一，在城市市政设施建设中也起着举足轻重的作用。采用泥水平衡顶管技术进行城市雨污分流改造已经在国内大量城市取得应用，但是，采用泥水平衡顶管在岩层中铺设直径达2000mm埋深在5m电力管道，在国内为数不多，在福建厦门地区也是尚属首次。通过在工程施工中对设备、施工工艺的摸索和改进，最后采用泥水平衡顶管施工技术成功铺设建设所要求的电力管道。本工程将为在福建地区采用顶管技术铺设大口径长距离、曲线管道提供了指导和借鉴。关键词：非开挖技术；泥水平衡顶管；岩层掘进。1.前言城市的发展将涉及到地下空间的开发和利用，采用非开挖技术进行城市地下公用设施的开发和利用是一种逐渐被社会广大民众所接受新型的施工公用设施施工方式之一。采用非开挖实施城市地下公用设施具有以下优势：①工程施工具有环境友好型特点；②与传统开挖等施工工艺相比，综合经济成本具有很大优势；③能够准确、快捷的实现地下公用设施的安装铺设；④对地面交通、商业、社会活动等影响很小。因此在当前采用非开挖技术安装城市地下公用设施是较为经济合理、安全有效的一种施工方法。厦门市地区在改革开放后的浪潮中，经济得到了蓬勃的发展，对城市地下设施（电力、通讯、给排水、燃气热力等）管道的运输能力需要不断的提高和增大，因此需要大量的修建或扩建现有的地下设施。本论文中所涉及的工程正是扩大区域输电能力、空中电网入地缆化的方针政策的大背景下的工程。工程经过建设方、设计方、业内专家教授以及施工方的综合研讨确定采用泥水平衡式曲线顶管铺设该区域内的电力管道。工程主体为两座顶管沉井、顶进长度约180m直径2000mm管顶埋深为5m的预制混凝土管道顶管工程。受场地建筑群体及工程地质条件限制，工程拟采用曲线泥水平衡式顶管施工工艺铺设电力管道。工程通过招投标形式,最终选定福建东辰岩土公司厦门顶管分公司作为该工程的施工单位,下图-1给出了2003年～2010年8月份采用土压平衡和泥水平衡顶管铺设管道的施工业绩。图-12003年～2010年8月份止东辰厦门顶管分公司业绩情况\n2.工程地质条件顶管工程场地位于文曾路两侧,顶管工作井位于文曾西侧山坡坡脚位置,接收井位于文曾路东侧,位于立交桥交界位置,场地空间十分受限。位于顶管施工段位置，文曾路西侧属于山地地形，局部位置有基岩出露，坡脚位置主要为中沙或粗砂冲击地层。由于后期人为活动，沿文曾路两侧20m范围内都是商业建筑和民用建筑。顶管施工区域总体高差在1.5m范围之内。顶进轨迹总体位于文曾路沿线方向。根据市政工程岩土工程勘察要求，位于施工区域范围需要进行初勘和详勘，以便详细了解施工区域工程地质条件和水位地质条件。通过工程区域居民调查和相关水文和地质管理部门核实区域工程地质和水位地质条件，并通过在顶进方向上进行勘察孔直观钻探勘察，准确详尽了解了该区域内的施工地质条件：工程地质条件：施工区域内地表以下2m范围主要是以回填层为主，回填层最大有300mm大小等的建筑垃圾块体，且致密度很差，透水性很好，其中局部是山体冲积沉积砂层和卵砾石层。西侧山体坡脚位置有基岩出露，属于中风化砂岩和强风化花岗岩，岩石强度在15Mpa~25Mpa之间。如图-2所示：水位地质条件：施工所在地属于亚热带海洋性气候，降雨频繁，除市政公用设施、商业建筑和民用建筑外，区域内植被良好。区域内常年地下水位位于地表以下6.53m。图-2管道顶进区域地质剖面图注：为杂填土，碎石和块石占40%左右；为坡积粉质粘土或残积粉质粘土，其中>2mm砂砾含量为10%~15%左右；为残积粉质粘土，主要是由全风化的花岗岩堆积而成；为全风化和强风化花岗岩，花岗结构较清晰，质地坚硬，上部全风化花岗岩强度达50Mpa，下部强风化花岗岩强度高达65Mpa。3.设计考虑顶管工程设计主要涉及顶管工作井和接收井的设计、顶管顶进轨迹设计和设备选型。各部分设计需要考虑的因素侧重点存在差异，但是都是建立在对施工区域内工程地质条件详尽掌握的基础上才能确定设计方案。3.1顶管工作井和接收井设计\n通过对工程区域内工程地质条件和水文地质条件收集和分析，采用沉井施工工艺进行顶管工作井和接收井的施工，综合经济效益显著。鉴于两个井功用上的差异，在进行设计时将工作井设计成直径为6500mm深度为9.8m的沉井，主要考虑工作井施工区域条件及顶进过程中顶进力的需要及工作井的后期功用（顶管作业完毕作为电力维修检查井）。接收井位于位于民用建筑与立交桥之间，施工区域位置狭小，不利用工程施工，所以在设计时候采用逆作法进行施工，这种沉井施工工艺具备：工期短、节约支护资金，安全可靠，主要实用于深基坑作业。接收井的尺寸为：长3.2m´宽3.4m´深7.95m。3.2顶管顶进轨迹设计顶进轨迹设计在顶管工程整个过程中十分重要。通常进行设计需要考虑：地下水影响、地层强度、区域内工程施工空间限制情况、周边地质地貌等情况。由于所要进行的工程为110KV半曾Ⅱ回、半将Ⅱ回、半鸿Ⅱ回线路开断进金榜变工程控制性部分。安装电力管道大致位置已经基本确定，通过工程施工平面图，明显可以确定采用直线顶管必将破坏接收井附近建筑物基础，并且可能导致工程失败，所以采用劈开建筑物基础的方式设计顶进平面曲线。并且，工程施工区域内上部地层松散，为避免在施工过程出现冒浆等工程事故，保持管道顶进的良好注浆效果，设计管道顶进埋深属于比较均一稳定地层，设计管顶埋深为5.0m。在考虑众多因素之后确定的顶管顶进轨迹为长度约为180m曲线顶管。3.3设备选型在确定工程施工方案之后，需要确定工程所有用设备的型号和能力，在对工程地层强度、施工区域最小曲率半径、铺设管道外径、施工单位所具备技术队伍水平等综合考虑之后，选定由厦门鑫勇通非开挖工程技术有限公司研制生产的YD2000泥水平衡式顶管机（图-3所示）作为工程选定设备。设备主要参数如下：图-3工程施工选用的YD2000泥水平衡顶管机1)顶进速度：0～100mm/min;2)切削刀盘：转速2.8rpm；转矩555kNm；破碎岩石硬度≤80MPa；对抗土压≤500KN/m2；电机功率15kW×6;3)纠偏系统：纠偏油缸推力100T4个；最大纠偏角度为3°；纠偏泵站压力31.5MPa;纠偏泵排量7.25L/min;4)进排泥管道通径:φ100mm;5)机头外形尺寸：φ2440x4350mm;6)机头重量：25000kg.4.施工过程在完成顶管工程设计之后便进入顶管工程施工阶段，顶管工程施工阶段主要包含:顶进纠偏和测量控制技术、注浆减阻技术、泥浆循环回收技术。下面就这三个方面在本工程中的情况进行阐述。\n4.1顶进纠偏和测量控制技术本工程主体为直径2000mm，企口形式埋深5m顶进长度为180m的泥水平衡曲线顶管。顶进长度可分为：直线顶进段（133.8m），缓和段（16.8m），圆曲线段（39.4m）。根据场地条件和选用设备的性能参数，理论计算曲率半径R为300，项目工程拟采用的曲率半径R为200，并且掘进机头的最大纠偏角度要达到3°。曲线顶管平面示意图如图-4所示：图-4文曾路泥水平衡曲线顶管平面图曲线顶管纠偏主要依靠布置于掘进机头内的纠偏油缸来实现，通常还通过设计掘进机位置管节交接以及管节长度变化来实现纠偏导向。管节间纠偏提出是设置木垫圈方式进行跟进纠偏，保证掘进接头的纠偏效果。由于本工程中的曲率半径已经达到了最小的200m，因此在进入缓和段和圆曲线段需要不断变化管节长度以及纠偏导向才能按照设计轨迹掘进安装管道。在曲线顶管中对顶管导向的测量控制是一项复杂而又关键的技术。下图-5给出了本工程中采用的曲线导向控制测量的原理和计算公式。\n图-5曲线顶管施工测量控制原理图通过在管道内设置第一测站P1方式进行目标点Q的坐标进行曲线顶进方向的控制。被测点Q的坐标(x,y)的坐标可以按照下面公式(1)和公式(2)计算得到：(1)(2)目标测点与设计中心线的误差d为：(3)采用这种测量控制方，第一点工程测量直接查办较低，并且也基本能够满足建设方对铺设电力管道的精度要求，第二点在实际测量过程中，由于需要不断复测监测，测量控制的工作量很大，操作时间也很长，因此对曲线顶管工程施工停顿过多，引起顶进过程中顶进力的增大。4.2注浆减阻技术顶管工程顶进力的大小对工程附属设施（工作井和接受井）的施工、顶进设备能力以及工程成败都有至关重要的联系。通常对于泥水平衡顶管，在管道进入曲线顶进阶段顶进力计算可按照公式(4)计算得到：(4)式中：K为曲线顶管的摩擦系数;K=1/(cosα-k•sinα)，其中:α为每一根管节所对应的圆心角,k为管道和土层之间的摩擦系数,k=tan(φ/2)；n为曲线段顶进施工所采用的管节数量;F0为开始曲线段顶进时的初始推力,kN;F′为作用于单根管节上的摩阻力,kN。当管道从曲线顶进进入直线顶进模式时，顶进力可按照公式(5)计算顶进力大小：(5)式中：Fn同上，为曲线段顶进力大小。L为直线段顶进段的长度。\n根据工程勘察和场地详勘，曲线顶管掘进地层为全风化花岗岩之强风化花岗岩地层，最大的岩石强度可能达到60～70Mpa，下图-6给出了在掘进过程中穿越岩层时候所排出的钻渣和非岩层颗粒情况。因此在管道顶进过程中需要合理采用注浆减阻技术，有效降低地层以及管道曲线顶进所增加的顶进力同时也通过设计中继站传递总顶进力，在较小顶进力情形下实现管道顶进铺设。图-6顶进管道沿线地层变化情况因此,在曲线顶管中进行注浆减阻是有效降低工程风险、减少顶进力最为关键的措施。通常注浆后顶力可减少到原来的1/4~1/3。下表-1给出了本工程中注浆减阻的触变泥浆的配合比设计。随着不同地层，需要不断调整触变泥浆的配合比，以实现最优的减阻效果。现场所用注浆减阻的设备和现场情况如图-7所示：表-1触变泥浆配方适用土层原料1原料2增粘剂润滑剂胶凝剂一般土层膨润土100kg水900kgCMC2kg废机油40L高分子胶2kg含水砂土层膨润土100kg水950kgCMC1~2kg废机油40L高分子胶2kg图-7移动式注浆工艺流程图1-压力表;2-注浆泵;3-贮浆池;4-触变泥浆;5-闸阀;6-注浆管;7-注浆口;8-顶管管材;9-工作坑;10-顶进设备;11-工作坑底板;12-工作坑后背　(注:注浆管、注浆口一般设3～4个)通过现场顶进力的记录，整理得出了全段工程顶进力的变化曲线：如图-8所示：\n图-8全段工程顶进力的变化曲线从图-8中可以看出按照理论计算公式，应该随着顶进距离的增加，顶进力也随着曲线式增长，但是实际顶进力却并不是按照理论方式增长，主要是通过设置曲线段管节长度(2m和1m管节）以及良好的注浆效果实现顶进力的控制。4.3泥浆循环回收处理技术采用泥水平衡顶管技术中，循环的泥浆系统主要功能：①破碎掘进面地层，冷却切削刀具；②输送排除渣土，③平衡地层压力。鉴于循环的泥浆具有如此的功用，因此，对循环泥浆的处理和回收利用将能有效降低工程的直接成本，同时也能有效减少废弃泥浆运输对周边环境的影响。在本工程中采用了全自动化泥浆处理回收装置，高效、迅速的处理循环泥浆为工程提供了很好的保障并解决了市区施工泥浆污染的难题。现场处理分离泥浆情况如图-9所示：分离出来的渣土再通过卡车运输到郊区指定位置，降低了液体泥浆运输的设备高要求，同时也减少了废弃泥浆的体积。图-9现场泥浆分离装置处理废弃泥浆5.结论与建议\n在进行项目工程论证之前，我公司从国内泥水平衡式顶管机主要生产产家进行了实地考察，主要的产家有：江苏扬州广鑫顶管机械工程有限公司、江苏镇江安达非开挖机械有限公司和上海钟仓机械设备有限公司三个产家的设备生产情况，之后我们还实地参观了上海水务集团公司施工的浦东青草坪供水管网直径3000mm顶管施工现场。结合厦门地区主要工程地质条件及项目工程的技术特点，拟选用厦门鑫勇通非开挖工程技术有限公司研制的泥水平衡岩石顶管机。通过对泥水平衡式曲线顶管国内外的发展情况对比分析，对于采用曲线顶管敷设电力管道所涉及的工作井和接收井系统、液压顶进系统、电气系统、顶进导轨系统、泥浆处理循环系统、纠偏和方向控制系统中所需要的理论基础和技术做出分析，及设备产家考察、参观类似工程现场，得出采用泥水平衡式曲线顶管敷设地下电力管道是切实可行的，并且工程施工质量能够满足电力部门对管道敷设的要求。通过项目工程的试验施工，将所得出结果应用于后期类似泥水平衡式曲线顶管过程中，为后期工程提供借鉴和参考。推动泥水平衡式曲线顶管技术在厦门地区乃至全国各大中城市市中心地下管道敷设工程中的应用。6.参考文献[1]马保松.《非开挖工程学》.北京.人民交通出版社.2008[2]RCastro,TMuindietal.,2007,”PipeJackinginDifficultUrbanWaterfrontConditions”,ConferencePaper,Pipelines2007[3]金文航.长距离曲线顶管技术分析和研究，浙江大学硕士论文.2005年12月.[4]马保松.张雅春，曲线顶管技术及顶进力分析计算，岩土工程技术，Vol120No15,P229~232.[5]刘培荣,长距离曲线顶管技术的应用,福建建设科技,2003.No.2,P38~39.[6]中华人民共和国国家标准.给水排水管道工程施工及验收规范,(GB50268-2008)作者简介陈勇，1952年5月11日出生；现任福建省东辰岩土基础工程公司厦门分公司经理,高级工程师,从事非开挖工作近20年，具有丰富的工程实践经验，联系方式：136060415290592-5113266（办）2陈永光，厦门电力工程集团有限公司总经理助理兼安全总监；2黄以华，厦门电力工程集团有限公司工程部经理；