论文部分内容阅读
摘 要：作为非开挖施工方法之一的泥水平衡顶管技术， 以其对环境干扰小、不污染环境和安全性高等优点， 被广泛应用于穿越公路、铁路、河流、建筑物， 以及闹市区、古迹保护区等限制开挖地段的各种管道铺设。通过工程实例， 介绍地下顶管施工中几种常见的技术问题、机械故障及其有效处理方法， 对其他顶管施工有一定的借鉴意义。
关键词： 泥水平衡顶管； 纠偏； 刀盘卡死； 沉降
1 泥水平衡顶管施工原理
泥水平衡顶管技术其施工原理是将置于工作井中的顶管掘进机通过主顶油缸向前推进至止水圈后， 由电动机提供能量转动掘进机头刀盘来切削土层、粉碎石块， 并使之进入泥水舱与泥浆混合， 然后由泥浆系统的排泥管泵送至地面； 与此同时， 机头连同管道在持续顶进力的作用下， 最终穿过土层到达接收井。在挖掘过程中， 采用泥水平衡装置来维持水土平衡， 使顶进管道始终处于主动与被动土压之间， 可以达到消除地面的沉降和隆起的效果 （见图 1）。
2 泥水平衡施工中若干技术问题的探讨
近几年来我们在顶管施工中使用日本伊势机（ TCC ）和国产泥水平衡顶管设备 （ NPD ） ， 在不同地层中进行了D600～ D1800mm管径的顶管施工， 积累了较为丰富的经验。下面就施工中常见的各种技术和机械故障如刀盘卡死、纠偏失控、泥水循环系统堵塞、地面沉降等技术问题的处置作以探讨。
2. 1 纠偏技术问题
顶管机在推进过程中持续朝某个方向偏斜， 即使使用纠偏激光束也不能使之回归到预定标靶位置的现象称为纠偏失控。如不及时处理会造成拟铺设管道无法满足設计轨迹要求。
2. 1. 1 原因分析
（ 1） 地质条件影响
由于机身自重较大， 且机器转动引起的震动， 在软土层及回填土中从而降低了地层的承载力， 使顶管机产生下沉趋势。或者是顶管段土层类型变化引起土层承载力变化， 当遇到上下两层不同性质的土时， 这种趋势就越明显。顶管施工过程中遇着大石块、桩基础或其他障碍物， 造成偏差过大。
（ 2） 机械原因
顶管推进速度过快或过慢的影响； 主油缸油封漏油， 顶进力不均衡； 后背墙变形严重； 顶铁或顶环发生扭曲变形现象； 工作坑内导轨偏差。
（ 3） 人为操作不当造成的纠偏失控现象。此外，管道顶进越长， 产生偏差的可能性越大， 如果纠偏不及时， 也会造成失控。
2. 1. 2 防范措施及解决方法
（ 1） 首先要充分熟悉业主提供的地勘资料， 并进行现场踏勘； 必要时在较复杂的地段要进行补勘。事实上在顶管施工中， 因为土质变化、设备能力和操作失误等原因出现偏差是难免的， 所以及时纠偏工作非常重要，这关系到管道铺设质量， 甚至整个顶进过程的成败。纠偏的一般原则： 勤纠微纠， 标不离靶， 禁止盲顶。其控制细节应注意以下几点：当顶管机头尚未全部进洞前， 在机头中心、高程偏差不大于 20 mm 时， 不考虑纠偏， 因此时轨道在控制前进方向， 若纠偏不但没效果反而会使第一节管道偏离轨道。
（ 2） 在管道顶进过程中， 如果在粉细砂土层中顶进偏低， 可调低进泥的泥浆浓度， 减小顶进速度。当遇到软硬程度不同的土层时， 地质条件会发生很大变化， 突然间变硬或变软， 这可以通过刀盘的转矩来判断。若突然变硬， 则应向土仓内加入水或泥浆。在一般情况下，如果对地质勘察资料掌握比较准确时， 且当穿越的软弱地层长度 15m时， 入洞前可以采取机头与管道、管道与管道间加接连接杆的方式进行固定， 以增加其刚性， 并辅以适当纠偏方式，是完全可以防止机头和管道 叩头 现象发生的。此外， 当穿越含水比较丰富的地层， 且软弱地层长度> 15m时， 为安全起见， 施工前必须要进行抽排水， 降低水位， 并等场地沉降稳定后再进行顶进施工。
2. 1. 3 工程实例
（ 1） 在某开发区全力三路地下通道排水 DN1000泥水平衡顶管工程中， 在 A7-A 6段顶进设计长度 120 m。本段使用了日本伊势机 TCC-1000型泥水平衡式顶管机。进洞约 15 m处机头下栽约 30 cm， 激光束偏离靶心约 50 cm。按照以往的工程经验， 出现激光束离开光靶后， 只是简单的向相反方向纠偏， 激光束就会从离开光靶的方向回归。但是纠偏效果不明显， 经过认真分析， 我们采用了激光束跟踪光靶的处理方案。
具体做法为： 当激光束已不在激光靶时，测量员必须将经纬仪重新调整， 使激光束回到激光靶上， 顶管操作员根据测量员提供的数据， 并结合激光束在激光靶上移动的方向准确进行纠偏， 最后达到纠偏的目的， 在这种情况下， 测量工作必须同时进行。
2.2 掘进机卡死问题
掘进机无法正常启动进行正、反转， 前方遇阻、后靠背顶力突然增大。如处理不当会造成后背墙破裂及管道破损， 无法完成顶进工作。
2.2.1 原因分析
（ 1） 由于设计或施工前对地质情况认识不足， 造成顶进过程中摩阻力过大或管道轴线偏差形成弯曲，使摩阻力增大。
（ 2） 由于施工中注浆减阻不理想， 或因中途停止顶进时间过长， 润滑泥浆失水后造成管壁阻力过大。
（ 3） 由于管道自身强度缺陷， 顶进过程中造成管身碎裂。
（ 4） 由于工作井井身或后壁强度不足， 造成工作井后座严重开裂或变形。
（ 5） 由于掘进机头自身机械传动出现故障。
（ 6） 由于管位处出现难以逾越的障碍物等。
2.2.2 防范措施及解决方法
（ 1） 开天窗法： 在掘进机头上方地面通过开挖而解决问题的方法。
（ 2） 逆套管法： 在接收井反向顶进内径大于机头外径的钢管或其它管道， 然后把机头从接收井拉出。
（ 3） 顺套管法 （ 拖管法 ）： 在工作井顶进内径大于管道外径的钢管， 从而确保土体不坍塌或设法减小管壁摩阻力的方法。
（ 4） 内套管法： 在原来的管道内顶入一支直径稍小的钢管并与机头连接， 从而达到重启机头的目的。
（ 5） 引导洞法： 在接收井中， 逆向顶入同口径管道， 使两机头对接， 然后此顶彼拉， 达到预期目标的一种解决方法。
3 结语
通过对上述几种技术、机械故障产生原因的分析，不难看出任何一种故障的产生， 绝非是单独的某一种原因所致， 往往是相互组合、交叉出现。我们通过大量工程实践认为：要想尽量减少上述问题的出现， 首先， 要充分了解施工段的地质情况， 根据土质条件、设计要求， 认真选型、专项设计、合理配套， 才能得到良好的效益。其次，在小口径超长距离顶管施工中， 一定要设计严密， 方案完善可靠， 对所有参数均要验证。第三， 要严格按技术规程操作， 确保工程质量优异。施工过程中应注意的事项是：
（ 1） 当顶管机停止工作时， 要防止泥水从土层或洞口及其它地方流失。否则挖掘面会失稳， 尤其在出洞时更应防止洞口止水圈漏水。
（ 2） 在顶进过程中， 要密切注意地下水压力的变化， 随时调整， 来保持挖掘面稳定。
（ 3） 在顶进过程中注意相关设备及系统的运行，如进出泥泵等辅助系统是否正常。
参考文献：
[1]刘学锋.对Watts等构造沉降量计算公式的修正[J].石油勘探与开发.1997（03）
[2]唐鸿云，徐会文，张勇.水平孔孔深和倾角的数学关系及钻孔轨迹控制[J].地质与勘探.2001（02）
[3]李平.硫酸铝溶液的沉降机理与分析[J].天津化工.2000（01）
[4]韩东阳.袋泡茶包装机标签纸走偏问题的改进[J].包装与食品机械.2006（01）
关键词： 泥水平衡顶管； 纠偏； 刀盘卡死； 沉降
1 泥水平衡顶管施工原理
泥水平衡顶管技术其施工原理是将置于工作井中的顶管掘进机通过主顶油缸向前推进至止水圈后， 由电动机提供能量转动掘进机头刀盘来切削土层、粉碎石块， 并使之进入泥水舱与泥浆混合， 然后由泥浆系统的排泥管泵送至地面； 与此同时， 机头连同管道在持续顶进力的作用下， 最终穿过土层到达接收井。在挖掘过程中， 采用泥水平衡装置来维持水土平衡， 使顶进管道始终处于主动与被动土压之间， 可以达到消除地面的沉降和隆起的效果 （见图 1）。
2 泥水平衡施工中若干技术问题的探讨
近几年来我们在顶管施工中使用日本伊势机（ TCC ）和国产泥水平衡顶管设备 （ NPD ） ， 在不同地层中进行了D600～ D1800mm管径的顶管施工， 积累了较为丰富的经验。下面就施工中常见的各种技术和机械故障如刀盘卡死、纠偏失控、泥水循环系统堵塞、地面沉降等技术问题的处置作以探讨。
2. 1 纠偏技术问题
顶管机在推进过程中持续朝某个方向偏斜， 即使使用纠偏激光束也不能使之回归到预定标靶位置的现象称为纠偏失控。如不及时处理会造成拟铺设管道无法满足設计轨迹要求。
2. 1. 1 原因分析
（ 1） 地质条件影响
由于机身自重较大， 且机器转动引起的震动， 在软土层及回填土中从而降低了地层的承载力， 使顶管机产生下沉趋势。或者是顶管段土层类型变化引起土层承载力变化， 当遇到上下两层不同性质的土时， 这种趋势就越明显。顶管施工过程中遇着大石块、桩基础或其他障碍物， 造成偏差过大。
（ 2） 机械原因
顶管推进速度过快或过慢的影响； 主油缸油封漏油， 顶进力不均衡； 后背墙变形严重； 顶铁或顶环发生扭曲变形现象； 工作坑内导轨偏差。
（ 3） 人为操作不当造成的纠偏失控现象。此外，管道顶进越长， 产生偏差的可能性越大， 如果纠偏不及时， 也会造成失控。
2. 1. 2 防范措施及解决方法
（ 1） 首先要充分熟悉业主提供的地勘资料， 并进行现场踏勘； 必要时在较复杂的地段要进行补勘。事实上在顶管施工中， 因为土质变化、设备能力和操作失误等原因出现偏差是难免的， 所以及时纠偏工作非常重要，这关系到管道铺设质量， 甚至整个顶进过程的成败。纠偏的一般原则： 勤纠微纠， 标不离靶， 禁止盲顶。其控制细节应注意以下几点：当顶管机头尚未全部进洞前， 在机头中心、高程偏差不大于 20 mm 时， 不考虑纠偏， 因此时轨道在控制前进方向， 若纠偏不但没效果反而会使第一节管道偏离轨道。
（ 2） 在管道顶进过程中， 如果在粉细砂土层中顶进偏低， 可调低进泥的泥浆浓度， 减小顶进速度。当遇到软硬程度不同的土层时， 地质条件会发生很大变化， 突然间变硬或变软， 这可以通过刀盘的转矩来判断。若突然变硬， 则应向土仓内加入水或泥浆。在一般情况下，如果对地质勘察资料掌握比较准确时， 且当穿越的软弱地层长度 15m时， 入洞前可以采取机头与管道、管道与管道间加接连接杆的方式进行固定， 以增加其刚性， 并辅以适当纠偏方式，是完全可以防止机头和管道 叩头 现象发生的。此外， 当穿越含水比较丰富的地层， 且软弱地层长度> 15m时， 为安全起见， 施工前必须要进行抽排水， 降低水位， 并等场地沉降稳定后再进行顶进施工。
2. 1. 3 工程实例
（ 1） 在某开发区全力三路地下通道排水 DN1000泥水平衡顶管工程中， 在 A7-A 6段顶进设计长度 120 m。本段使用了日本伊势机 TCC-1000型泥水平衡式顶管机。进洞约 15 m处机头下栽约 30 cm， 激光束偏离靶心约 50 cm。按照以往的工程经验， 出现激光束离开光靶后， 只是简单的向相反方向纠偏， 激光束就会从离开光靶的方向回归。但是纠偏效果不明显， 经过认真分析， 我们采用了激光束跟踪光靶的处理方案。
具体做法为： 当激光束已不在激光靶时，测量员必须将经纬仪重新调整， 使激光束回到激光靶上， 顶管操作员根据测量员提供的数据， 并结合激光束在激光靶上移动的方向准确进行纠偏， 最后达到纠偏的目的， 在这种情况下， 测量工作必须同时进行。
2.2 掘进机卡死问题
掘进机无法正常启动进行正、反转， 前方遇阻、后靠背顶力突然增大。如处理不当会造成后背墙破裂及管道破损， 无法完成顶进工作。
2.2.1 原因分析
（ 1） 由于设计或施工前对地质情况认识不足， 造成顶进过程中摩阻力过大或管道轴线偏差形成弯曲，使摩阻力增大。
（ 2） 由于施工中注浆减阻不理想， 或因中途停止顶进时间过长， 润滑泥浆失水后造成管壁阻力过大。
（ 3） 由于管道自身强度缺陷， 顶进过程中造成管身碎裂。
（ 4） 由于工作井井身或后壁强度不足， 造成工作井后座严重开裂或变形。
（ 5） 由于掘进机头自身机械传动出现故障。
（ 6） 由于管位处出现难以逾越的障碍物等。
2.2.2 防范措施及解决方法
（ 1） 开天窗法： 在掘进机头上方地面通过开挖而解决问题的方法。
（ 2） 逆套管法： 在接收井反向顶进内径大于机头外径的钢管或其它管道， 然后把机头从接收井拉出。
（ 3） 顺套管法 （ 拖管法 ）： 在工作井顶进内径大于管道外径的钢管， 从而确保土体不坍塌或设法减小管壁摩阻力的方法。
（ 4） 内套管法： 在原来的管道内顶入一支直径稍小的钢管并与机头连接， 从而达到重启机头的目的。
（ 5） 引导洞法： 在接收井中， 逆向顶入同口径管道， 使两机头对接， 然后此顶彼拉， 达到预期目标的一种解决方法。
3 结语
通过对上述几种技术、机械故障产生原因的分析，不难看出任何一种故障的产生， 绝非是单独的某一种原因所致， 往往是相互组合、交叉出现。我们通过大量工程实践认为：要想尽量减少上述问题的出现， 首先， 要充分了解施工段的地质情况， 根据土质条件、设计要求， 认真选型、专项设计、合理配套， 才能得到良好的效益。其次，在小口径超长距离顶管施工中， 一定要设计严密， 方案完善可靠， 对所有参数均要验证。第三， 要严格按技术规程操作， 确保工程质量优异。施工过程中应注意的事项是：
（ 1） 当顶管机停止工作时， 要防止泥水从土层或洞口及其它地方流失。否则挖掘面会失稳， 尤其在出洞时更应防止洞口止水圈漏水。
（ 2） 在顶进过程中， 要密切注意地下水压力的变化， 随时调整， 来保持挖掘面稳定。
（ 3） 在顶进过程中注意相关设备及系统的运行，如进出泥泵等辅助系统是否正常。
参考文献：
[1]刘学锋.对Watts等构造沉降量计算公式的修正[J].石油勘探与开发.1997（03）
[2]唐鸿云，徐会文，张勇.水平孔孔深和倾角的数学关系及钻孔轨迹控制[J].地质与勘探.2001（02）
[3]李平.硫酸铝溶液的沉降机理与分析[J].天津化工.2000（01）
[4]韩东阳.袋泡茶包装机标签纸走偏问题的改进[J].包装与食品机械.2006（01）