上海过江倒虹管泥水平衡顶管施工技术
08-22 13:17:35 浏览次数:762次 栏目：结构设计
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(4) 顶进管理系统
顶进管理系统由顶管机主机及泥水输送两大系统组成。该系统能在电脑中反映出施工过程中的切口水压、送排泥流量、送排泥密度、主顶速度、主顶行程、刀盘油压和顶管的平面、高程、转角等一系列施工参数。
顶进过程中，中央控制室操作人员通过此管理系统反映的各类施工参数及时作相应调整。
3、泥水平衡顶管主要施工参数的设定与调整
(1)切口水压设定
泥水平衡顶管顶进时，开挖面不断被刀头切削，此时泥膜被刀头切削并将泥水压力传递给土体，由于刀头的介入使传递给土体的外力增加，因此开挖面处于动态平衡之中。切口水压的上、下限值设定可根据常用土体力学计算公式计算得到。
实际顶进过程中的切口水压是根据切口水压设计设定值、实时的土砂量和干砂量积算值等重要参数设定。其中切口水压设计设定值可根据近10～50m掘进过程中较佳的设定值回归所得，见图5。
图5 50~100m设定切口水压与理论计算关系图
(2) 顶进速度
顶进速度的控制过程中，应注意以下几点：
① 主顶启动时，必须检查千斤顶是否靠足，开始顶进和结束顶进之前速度不宜过快。每节顶进开始时，应逐步提高顶进速度，防止启动速度过大。
② 在利用中继间(一级或多级)作接力顶进时，必须确保后级中继间及主顶所用千斤顶充分均匀受力，避免顶管机后退造成切口水压剧降，从而影响开挖面的稳定。待前级中继间顺利顶进到位后依次将后级中继间及主顶顶进到位。
③ 一节顶进过程中，顶进速度值应尽量保持恒定，减少波动，保证切口水压稳定和送、排泥管的畅通。
④ 顶进速度的快慢必须满足每节润滑泥浆注浆量的要求，保证润滑泥浆系统始终处于良好工作状态。
根据实际施工经验，正常顶进条件下，顶进速度应设定为25~3.5cm/min；如正面遇到障碍物或地基加固土，顶进速度应低于1cm/min。
(3) 泥水质量控制
① 密度
泥水的密度是一个主要控制指标。泥水密度比重不宜过高或过低，过高将影响泥水的输送能力，过低将破坏开挖的稳定。实际施工和室内实验结果表明，适用于本工程的泥水密度范围应在1.12~1.20g/mm3。下限为1.12g/mm3，而上限需根据顶管机中心轴所能承受的最大扭矩来定。
② 粘度
泥水的粘度是另一个主要控制指标。从土颗粒的悬浮性要求而言，要求泥水的粘度越高越好，根据泥水处理系统的自造浆能力，随着顶进节数的增加，泥浆越来越浓，粘度也呈直线上升，而粘度的增加并非说明泥浆的质量越来越高，因此，泥水粘度的范围应在20~25S，考虑到粘度的调整有一个过程，应在泥浆粘度为22S时(调整槽粘度)，即可逐渐添加CMC，添加量的多少视粘度下降的趋势而定。
③ 析水量
析水量是泥水管理中的一项综合指标。泥水的析水量应小于5%，降低土颗粒和提高泥浆的粘度，是保证析水量合格的主要手段。
本工程采用的指导配比见表2、表3。
单位：kg 指导配比 表2
天然泥土
CMC
纯碱
水
400
2.2
11
770
单位：kg 指导配比 表3
膨润土
CMC
纯碱
水
330
2.2
11
870
泥水监控是一个使用→小调整→使用→大调整→使用的无限循环过程，是一个动态变化过程。检查配比是否合理的标准是地面沉降量，沉降量得到控制后就要注意泥水指标的变化趋势，使之稳定在某一区域内。
(4) 逆洗时的压力控制
逆洗是顶进过程中较为常用的防止和消除排泥管吸口堵塞的方法。
在逆洗过程中，由于土仓或顶管机内的排泥管处于堵塞状态，因此逆洗时应提高排泥流量，但不能降低切口水压，整个逆洗过程必须密切注意开挖面稳定情况。推进、逆洗和旁路三状态切换时的切口水压控制偏差值为：±0.02MPa。
(5) 开挖面稳定的判断方法
开挖面稳定是泥水平衡顶管顶进施工中最重要的管理项目之一，它直接影响着顶管施工质量。控制每节掘削量是开挖面稳定的必要保证。
① 掘削量的控制
根据地质情况进行理论掘削量计算：
w=V×(1-n)×r
W：理论掘削量(m3/Ring)
V：砂性土在顶管机断面内所占的体积(m3)
n：砂性土的孔隙度(%)
r：砂性土的密度
实际掘削量W′：
W′：实际掘削量(m3/Ring)
rs：土的比重
Q1：排泥流量(m3/min)
p1：排泥密度(kg/m3)
Q0：送泥流量(m3/min)
p0：送泥密度(kg/m3)
t：掘削时间(min)
实际掘削量直接显示在计算机屏幕上，它较真实的反映实际掘削过程中的掘削量。
实际掘削量W′(干砂量)与偏差流量Δq的关系：
偏差流量Δq瞬时计算式：
Δq=Q1-(A·VS+Q0)
Δq：偏差流量(m3/min)
A：刀盘面积(m2)
VS：顶进速度(m/min)
上式变换可得到排泥流量计算式：
Q1=(A·VS+Q0)+Δq
② 掘削量的判别方法
偏差流量为正值时，顶管机处于"超挖"状态，干砂量比标准值大；偏差流量为负值时，顶管机处于"溢水"状态，干砂量比标准值小。
当发现掘削量过大时，应立即检查泥水密度、粘度和切口水压。在查明原因后应及时调整有关参数，确保开挖面稳定。
4、泥水平衡顶管施工引起的地面沉降规律
施工过程中的地面沉降过程分两个阶段。第5节和第10节顶进结束后的地表沉降变化见图6。
由图6可知，泥水平衡顶管在顶进过程中引起的地面沉降变化可分为两个阶段。第一阶段是指开挖面达到测点之前的沉降或隆起。它主要是由于泥水压力引起的，泥水压力过高，使开挖面受挤引起地面隆起；泥水压力过低，使开挖面应力释放引起地面沉降。第二阶段是指从顶管机切口达到测点至顶管机尾离开测点时间范围内引起的沉降或隆起。该段的地面变化主要是由顶管机及隧道移动对地层的摩擦和剪切引起的。此外，平面或高程纠偏引起的单侧土体附加应力也将影响此阶段的地面沉降。
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(4) 顶进管理系统
顶进管理系统由顶管机主机及泥水输送两大系统组成。该系统能在电脑中反映出施工过程中的切口水压、送排泥流量、送排泥密度、主顶速度、主顶行程、刀盘油压和顶管的平面、高程、转角等一系列施工参数。
顶进过程中，中央控制室操作人员通过此管理系统反映的各类施工参数及时作相应调整。
3、泥水平衡顶管主要施工参数的设定与调整
(1)切口水压设定
泥水平衡顶管顶进时，开挖面不断被刀头切削，此时泥膜被刀头切削并将泥水压力传递给土体，由于刀头的介入使传递给土体的外力增加，因此开挖面处于动态平衡之中。切口水压的上、下限值设定可根据常用土体力学计算公式计算得到。
实际顶进过程中的切口水压是根据切口水压设计设定值、实时的土砂量和干砂量积算值等重要参数设定。其中切口水压设计设定值可根据近10～50m掘进过程中较佳的设定值回归所得，见图5。
图5 50~100m设定切口水压与理论计算关系图
(2) 顶进速度
顶进速度的控制过程中，应注意以下几点：
① 主顶启动时，必须检查千斤顶是否靠足，开始顶进和结束顶进之前速度不宜过快。每节顶进开始时，应逐步提高顶进速度，防止启动速度过大。
② 在利用中继间(一级或多级)作接力顶进时，必须确保后级中继间及主顶所用千斤顶充分均匀受力，避免顶管机后退造成切口水压剧降，从而影响开挖面的稳定。待前级中继间顺利顶进到位后依次将后级中继间及主顶顶进到位。
③ 一节顶进过程中，顶进速度值应尽量保持恒定，减少波动，保证切口水压稳定和送、排泥管的畅通。
④ 顶进速度的快慢必须满足每节润滑泥浆注浆量的要求，保证润滑泥浆系统始终处于良好工作状态。
根据实际施工经验，正常顶进条件下，顶进速度应设定为25~3.5cm/min；如正面遇到障碍物或地基加固土，顶进速度应低于1cm/min。
(3) 泥水质量控制
① 密度
泥水的密度是一个主要控制指标。泥水密度比重不宜过高或过低，过高将影响泥水的输送能力，过低将破坏开挖的稳定。实际施工和室内实验结果表明，适用于本工程的泥水密度范围应在1.12~1.20g/mm3。下限为1.12g/mm3，而上限需根据顶管机中心轴所能承受的最大扭矩来定。
② 粘度
泥水的粘度是另一个主要控制指标。从土颗粒的悬浮性要求而言，要求泥水的粘度越高越好，根据泥水处理系统的自造浆能力，随着顶进节数的增加，泥浆越来越浓，粘度也呈直线上升，而粘度的增加并非说明泥浆的质量越来越高，因此，泥水粘度的范围应在20~25S，考虑到粘度的调整有一个过程，应在泥浆粘度为22S时(调整槽粘度)，即可逐渐添加CMC，添加量的多少视粘度下降的趋势而定。
③ 析水量
析水量是泥水管理中的一项综合指标。泥水的析水量应小于5%，降低土颗粒和提高泥浆的粘度，是保证析水量合格的主要手段。
本工程采用的指导配比见表2、表3。
单位：kg 指导配比 表2
天然泥土
CMC
纯碱
水
400
2.2
11
770
单位：kg 指导配比 表3
膨润土
CMC
纯碱
水
330
2.2
11
870
泥水监控是一个使用→小调整→使用→大调整→使用的无限循环过程，是一个动态变化过程。检查配比是否合理的标准是地面沉降量，沉降量得到控制后就要注意泥水指标的变化趋势，使之稳定在某一区域内。
(4) 逆洗时的压力控制
逆洗是顶进过程中较为常用的防止和消除排泥管吸口堵塞的方法。
在逆洗过程中，由于土仓或顶管机内的排泥管处于堵塞状态，因此逆洗时应提高排泥流量，但不能降低切口水压，整个逆洗过程必须密切注意开挖面稳定情况。推进、逆洗和旁路三状态切换时的切口水压控制偏差值为：±0.02MPa。
(5) 开挖面稳定的判断方法
开挖面稳定是泥水平衡顶管顶进施工中最重要的管理项目之一，它直接影响着顶管施工质量。控制每节掘削量是开挖面稳定的必要保证。
① 掘削量的控制
根据地质情况进行理论掘削量计算：
w=V×(1-n)×r
W：理论掘削量(m3/Ring)
V：砂性土在顶管机断面内所占的体积(m3)
n：砂性土的孔隙度(%)
r：砂性土的密度
实际掘削量W′：
W′：实际掘削量(m3/Ring)
rs：土的比重
Q1：排泥流量(m3/min)
p1：排泥密度(kg/m3)
Q0：送泥流量(m3/min)
p0：送泥密度(kg/m3)
t：掘削时间(min)
实际掘削量直接显示在计算机屏幕上，它较真实的反映实际掘削过程中的掘削量。
实际掘削量W′(干砂量)与偏差流量Δq的关系：
偏差流量Δq瞬时计算式：
Δq=Q1-(A·VS+Q0)
Δq：偏差流量(m3/min)
A：刀盘面积(m2)
VS：顶进速度(m/min)
上式变换可得到排泥流量计算式：
Q1=(A·VS+Q0)+Δq
② 掘削量的判别方法
偏差流量为正值时，顶管机处于"超挖"状态，干砂量比标准值大；偏差流量为负值时，顶管机处于"溢水"状态，干砂量比标准值小。
当发现掘削量过大时，应立即检查泥水密度、粘度和切口水压。在查明原因后应及时调整有关参数，确保开挖面稳定。
4、泥水平衡顶管施工引起的地面沉降规律
施工过程中的地面沉降过程分两个阶段。第5节和第10节顶进结束后的地表沉降变化见图6。
由图6可知，泥水平衡顶管在顶进过程中引起的地面沉降变化可分为两个阶段。第一阶段是指开挖面达到测点之前的沉降或隆起。它主要是由于泥水压力引起的，泥水压力过高，使开挖面受挤引起地面隆起；泥水压力过低，使开挖面应力释放引起地面沉降。第二阶段是指从顶管机切口达到测点至顶管机尾离开测点时间范围内引起的沉降或隆起。该段的地面变化主要是由顶管机及隧道移动对地层的摩擦和剪切引起的。此外，平面或高程纠偏引起的单侧土体附加应力也将影响此阶段的地面沉降。
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