李才波

（廣東省基礎(chǔ)工程集團有限公司 廣州510620）

0 引言

哈爾濱市為我國東北三省重要的省會城市，近年來為了緩解交通壓力、促進經(jīng)濟高速發(fā)展，開始進行地鐵2號線、地鐵3號線的建設(shè)。泥水平衡矩形頂管施工技術(shù)在哈爾濱軌道交通地鐵2號線人行過街隧道中首次被應(yīng)用，泥水平衡矩形頂管施工具有占地面積小、不開挖路面、不封閉交通、減少管線搬遷、低噪音、無揚塵、不擾民等優(yōu)點。

冬季高寒低溫是影響東北“三省四市”城市基礎(chǔ)建設(shè)的主要因素，哈爾濱作為東北三省最北部的省會城市，冬季尤為漫長，在每年10月中下旬即進入冬季施工階段，次年4月仍可能出現(xiàn)降雪天氣，即冬季施工接近6個月。

哈爾濱地鐵2號線某車站1號人行出入口矩形頂管工程恰在2020年11月進入冬季施工，為保障地鐵2號線在2021年順利通車，本項目擬定了《大耿家站冬季施工方案》，方案結(jié)合泥水平衡矩形頂管的施工特點，參考多個泥水平衡盾構(gòu)冬季施工方案編制。

本文主要針對泥水平衡矩形頂管冬季施工方案施工過程中冬季泥水循環(huán)系統(tǒng)的保溫、施工作業(yè)空間的供暖措施、管節(jié)吊裝工序過程中暖棚內(nèi)溫度的控制、活動棚的合理性以及物料保溫控制等方面進行論述，方案總結(jié)出一系列可以保障泥水平衡矩形頂管冬季施工質(zhì)量的措施、可以提高建設(shè)效率的保溫加熱系統(tǒng)，為頂管工程今后在東北三省冬季施工提供參考依據(jù)。

1 工程概況

哈爾濱市地鐵2號線某車站1號出入口工程頂管段自東向西穿越松北大道主干道（見圖1），采用泥水平衡矩形頂管掘進機，管節(jié)截面尺寸7 700 mm×4 500 mm，頂管段長度48.4 m。工作井設(shè)置在南向北側(cè)綠化帶內(nèi)，接收端位于車站站廳層，采用棄殼接收施工工藝，工期4個月，自2020年11月至次年2月。

圖1 施工現(xiàn)場Fig.1 Construction Site

2 氣候概述

哈爾濱冬季漫長寒冷干燥，多西北風(fēng)，全年平均氣溫3.5℃，1月最冷，七八月最熱，全年無霜期約150 d，結(jié)冰期約190 d。區(qū)內(nèi)季節(jié)性凍土發(fā)育。從10月末開始凍結(jié)，至翌年3月中旬開始融化，最大凍結(jié)深度2.05 m，標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度2 m。哈爾濱近三年來10月至次年1月的每月平均/最低氣溫如表1所示。

表1 近3年哈爾濱氣溫Tab.1 Temperature in Harbin in Recent Three Years

3 冬季施工技術(shù)措施

某車站頂管施工10月底進入冬季施工準(zhǔn)備階段，在高寒氣溫下進入冬季施工的主要措施為保溫、供暖及活動棚設(shè)置等其他保障措施。

3.1 頂管工程施工保溫措施

該工程頂管工程施工設(shè)施根據(jù)部位不同可分為地面設(shè)施和井內(nèi)設(shè)施，其中地面設(shè)施主要包括泥水分離器、進排漿管道、泥漿循環(huán)池、渣土池。地下設(shè)施包括頂進千斤頂、泥水循環(huán)管道、油泵站、管節(jié)頂管機程控室、配電室等。其中涉及泥水的設(shè)施均需進行保溫。從頂管施工場地及頂管工程施工工藝特點方面綜合考慮，頂管工程頂進施工保溫主要分為4個方面：①泥漿池、渣土池及泥水分離器搭建保溫棚；②搭設(shè)頂管施工工作井保溫棚；③搭設(shè)物料保溫棚；④泥水循環(huán)、降水井抽水管道保溫。

泥水設(shè)施保溫棚尺寸為20 m×10 m×7.5 m；工作井保溫棚直接設(shè)置在工作井冠梁上，尺寸為14 m×12 m×2.5 m；物料保溫棚位于人行出入口通道頂板上部，尺寸為14 m×12.5 m×6 m。保溫棚采用輕鋼結(jié)構(gòu)進行搭設(shè)，鋼屋架底部設(shè)置4個集裝箱式扣件通過固定銷直接扣在鋼板上，鋼板用膨脹絲與冠梁面連接。保溫棚頂及側(cè)壁采用120 mm厚擠塑聚苯乙烯泡沫板，擠塑板作為保溫材料具有良好的保溫性能、較高的抗壓強度等［1］。導(dǎo)熱系數(shù)為0.041 W/m·K，保溫棚內(nèi)外均設(shè)置溫度計監(jiān)控溫度。

結(jié)合頂管機施工工藝特點，為方便管節(jié)吊裝下井、井下設(shè)備維修，工作井保溫棚不設(shè)側(cè)墻直接采用三段屋架扣在井口冠梁上，如圖2所示，尺寸分別為①14 m×5 m×2.5 m，②14 m×3 m×2.5 m，③14 m×4 m×2.5 m，其中②節(jié)為管節(jié)上下井活動棚，頂管管節(jié)尺寸7.7 m×4.5 m×1.5 m，考慮到活動棚在起吊過程中造成工作井的熱量損失、吊裝過程中的安全距離、場地受限等方面因素，方案策劃在第③節(jié)，即頂進方向后部設(shè)置活動棚起落架，管節(jié)下井時將第②節(jié)棚就近放置在第③節(jié)起落架上方，該措施節(jié)約了管節(jié)下井時間，經(jīng)施工過程統(tǒng)計約100 min，與無棚狀態(tài)下的管節(jié)下放環(huán)節(jié)相比僅增加約20 min。

圖2 工作井保溫棚Fig.2 Working Well Insulation Shed

泥水循環(huán)管道是泥水平衡式頂管機施工必不可少的一部分，管道連接著泥水分離區(qū)及工作井施工區(qū)。在工作井保溫棚及泥水設(shè)施保溫棚間存在直接裸露位置，若不采取保溫措施，管道泥水將會在極短的時間內(nèi)凍結(jié)，為保證在高寒情況下泥水循環(huán)過程中泥水正常循環(huán)，通過組合試驗方案擬采用伴熱帶、保溫棉對管道進行加熱保溫，流程如下：泥水循環(huán)管道?伴熱帶?熱量反射膜?玻璃棉?塑料帶。

施工過程：泥水循環(huán)管道直徑125 mm，布設(shè)管道時留有伴熱帶纏繞工作面，每間隔10 mm螺旋纏繞伴熱帶，如圖3所示，為防止堵管時爆管在快速接頭處預(yù)留500 mm長伴熱帶，而電伴熱是用電能量來補充在工藝流程中所散失的熱量，從而維持流動介質(zhì)最合理的工藝溫度［2］，故鋪設(shè)完成后通電試熱，測試通過后沿管道走向鋪設(shè)熱量反射膜及玻璃棉，每鋪設(shè)一段后用塑料扎帶扎緊，通電后采用水銀溫度計測量管壁及保溫棉內(nèi)部溫度，確定溫度在5℃以上視為驗收通過，伴熱帶溫度設(shè)置采用溫控器隨室外溫度變化進行調(diào)整，驗收通過后方可注入循環(huán)泥漿以確保泥漿不產(chǎn)生“掛壁”情況，在頂管機施工過程中，電工巡查人員定時監(jiān)測管壁及保溫棉內(nèi)部溫度，確保頂管正常頂進期間及工作間歇期間泥漿溫度達到使用要求。

圖3 伴熱帶纏繞Fig.3 With Tropical Entanglement

3.2 頂管冬季施工供暖系統(tǒng)分析

本次冬季施工室外溫度-21℃～-32℃，室內(nèi)溫度的設(shè)置是關(guān)鍵分析內(nèi)容。方案初步策劃：根據(jù)人體穿著單衣在室內(nèi)適宜的溫度24℃為基數(shù)，需要考慮的因素如下：頂管施工作業(yè)人員需要隨時進行室內(nèi)外工作面切換、人員進出暖棚穿脫需要穿脫方便、室內(nèi)外溫差過大會產(chǎn)生人體不適（室內(nèi)施工出汗現(xiàn)象、室外寒風(fēng)侵襲），保溫棚溫度初步設(shè)置為：24℃-5℃=19℃。通過與多名作業(yè)人員交流溫度對體感的影響，基本確定室內(nèi)溫度控制在18～19℃，作業(yè)人員在此溫度區(qū)間脫去棉衣施工較為適宜，同時外出作業(yè)前穿戴厚棉衣后可較快適應(yīng)室外溫度。

暖棚內(nèi)供暖加熱措施分為2種：①熱風(fēng)炮供暖（供熱功率100 kW，燃油動力），如圖4?所示；②蓄熱式電鍋爐供暖（80 kW，電能，三檔設(shè)置），如圖4?所示。

圖4 暖棚內(nèi)供暖加熱措施Fig.4 Heating Measures in the Greenhouse

熱工計算參數(shù)：

泥水保溫棚體積V1=20 m×10 m×7.5 m=1 500 m3；工作井保溫棚體積V2=12 m×14 m×9 m=1 512 m3；物料保溫棚體積V3=14 m×12.5 m×6 m=1 050 m3；環(huán)境溫差△T=19℃-（-27℃）=46℃；聚苯乙烯泡沫板保溫系數(shù)K=3.0；熱風(fēng)炮供熱功率為100 kW/臺；工作井井深為9 m。

3.2.1 熱風(fēng)炮數(shù)量計算

W1=△T×V1×K=46×1 500×3=207 kW＞100 kW

A1≈2臺；

W2=△T×V2×K=46×1 512×3=208.65 kW＞100 kW

A2≈2臺；

W3=△T×V3×K=46×1 050×3=144.9 kW＞100 kW

A3=2臺。

式中：W1為泥水保溫棚供暖所需功率；W2為工作井溫棚供暖所需功率；W為物料保溫棚供暖所需功率；△T為室外與室內(nèi)溫差；V1為泥漿保溫棚總體積；V2為工作井保溫棚總體積；V3為物料保溫棚總體積；K為聚苯乙烯泡沫板保溫系數(shù)。

泥漿保溫棚熱風(fēng)炮所需數(shù)量A1=2臺；工作井保溫棚所需數(shù)量A2=2臺；物料棚所需數(shù)量A3=2臺。總計所需熱風(fēng)炮臺數(shù)A=A1+A2+A3=6臺。

3.2.2 電鍋爐數(shù)量計算

電鍋爐供暖采用XDDGL-80 kW柜式智能電鍋爐，定額功率為80 kW/臺，額定電壓為380 V，有效供暖面積900 m2（普通民房），層高按3 m計算。

S1=20×10×（7.5/3）=500 m2；

S2=12×14×（9/3）=504 m2；

S3=14×12.5×（6/3）=350 m2；

S1+S2+S3=1 354 m2＞900 m2。

式中：S1為泥水保溫棚供暖面積（m2）；S2為工作井溫棚供暖所需面積（m2）；S3為物料保溫棚供暖所需面積（m2）。

暖棚共需要2臺智能電鍋爐。

電費：0.68元/kW·h；熱風(fēng)炮燃油消耗值：8 L/h；柴油費用：5.5元/L。

經(jīng)濟對比：

電鍋爐24 h使用費用=

80 kW×24 h×2×0.68元/kW·h=2 611.2元

熱風(fēng)炮24 h使用費用=

24 h×8 L/h×6×5.5元/L=6 336元

從安全、高效、節(jié)能、恒溫、環(huán)保、清潔考慮，方案擬采用2臺80 kW的電鍋爐及若干組暖氣片進行水暖供熱。

電鍋爐體積較小可放置在物料棚內(nèi)，1號電鍋爐負(fù)責(zé)給遠距離的泥水分離器保溫棚供暖，2號電鍋爐負(fù)責(zé)給物料保溫棚以及工作井活動棚供暖。泥水分離器保溫棚內(nèi)設(shè)置24個暖氣片，均分布在泥漿池側(cè)壁，確保泥漿保持在14℃左右；工作井活動棚內(nèi)設(shè)置27個暖氣片，主要分布在吊裝管節(jié)以及洞門附近，目的是為了給隧道內(nèi)提供熱量以及快速提升因活動棚起落造成的溫度損失，并對剛下井的管節(jié)進行升溫，確保其在進入洞門前恢復(fù)至0℃以上；在物料保溫棚設(shè)置9個暖氣片，主要分布在膨潤土攪拌處以及四周墻體上，保證物料保溫棚的達到19℃，保證工作人員的工作效率，該類供暖方式為蓄熱式電采暖，而蓄熱式電采暖不僅經(jīng)濟效益好，而且可以有效地減少環(huán)境污染，提高工作質(zhì)量，社會效益十分明顯，電鍋爐系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 電鍋爐系統(tǒng)Fig.5 Electric Boiler System

3.3 頂進施工溫度控制

3.3.1 管節(jié)溫控措施

泥水平衡式頂管掘進機在頂進過程中需要吊裝管節(jié)下井，而管節(jié)插口位置需要進行密封膠圈的黏貼，管節(jié)密封橡膠圈其材質(zhì)為氯丁橡膠及遇水膨脹橡膠的復(fù)合體，該類復(fù)合橡膠圈有良好的物理機械性能，耐油，耐熱，耐燃，耐日光，耐臭氧，耐酸堿，耐化學(xué)試劑。缺點是耐寒性和貯存穩(wěn)定性較差。在-28℃的氣溫下，該復(fù)合橡膠圈的塑性會下降，若直接在低溫環(huán)境下進行管節(jié)的拼裝，則可能導(dǎo)致密封橡膠圈脆性破裂。所以管節(jié)進場后粘貼密封橡膠圈，為保證密封橡膠圈及粘接膠的性能穩(wěn)定，密封橡膠圈及粘結(jié)膠儲存在泥水設(shè)施保溫棚內(nèi)進行恒溫存儲，在管節(jié)吊裝下井前安排專人對承插口處進行噴燈預(yù)熱后黏貼密封橡膠圈，以確保膠條拼裝質(zhì)量。

3.3.2 物料棚溫控措施

觸變泥漿在靜置或受震條件下分別呈凝膠或溶膠狀態(tài)。在泥水平衡式頂管施工過程中觸變泥漿至關(guān)重要，觸變泥漿在頂管頂進過程中主要起到減阻潤滑的作用，減小管節(jié)對土體的擾動，為此，需往泥漿中加入化學(xué)處理劑（如純堿），以增加粘土的分散性和漿液的穩(wěn)定性，加強土顆粒的水化作用、降低泥漿的失水量，保持適當(dāng)?shù)某矶龋?］。泥漿拌和后的停滯時間應(yīng)在12 h以上。在泥水平衡式頂管機冬季施工過程中關(guān)于觸變泥漿發(fā)酵溫度的控制是影響觸變泥漿效果的關(guān)鍵因素，物料保溫棚溫度通過水暖氣片控制溫度，保證在19℃，水暖氣片如圖6所示。

圖6 水暖氣片F(xiàn)ig.6 Water Radiator

3.3.3 泥漿及渣土外運措施

頂進過程中泥水循環(huán)分離后的土方存放在泥水設(shè)施保溫棚內(nèi)，泥水設(shè)施保溫棚大門利用活動簾布進行遮蓋，泥水分離器篩分出土?xí)r，門簾掀開后采用挖機進行倒運出棚，渣土完成倒運后歸堆，渣土在-25℃的溫度下，外部表層結(jié)冰，內(nèi)部渣土溫度保持在0℃以上，及時清運不影響渣土裝車，渣土在運輸過程中會與車體發(fā)生凍結(jié)，進入棄土場后需要挖機輔助卸渣。泥漿外運采用棉布對車身進行包裹，添加防凍劑，預(yù)防泥漿凍結(jié)在車箱內(nèi)，冬季泥漿車如圖7所示。

圖7 冬季泥漿車Fig.7 Winter Mud Truck

4 結(jié)語

⑴本次冬季施工是泥水平衡式矩形頂管機在高寒地區(qū)的首次應(yīng)用，方案采用電鍋爐水暖系統(tǒng)的方式對保溫棚進行供暖，有效的克服了低溫對泥水循環(huán)系統(tǒng)的影響，確保了泥水平衡式矩形頂管機正常頂進。

⑵大耿家站人行通道在冬季順利貫通，證明了泥水平衡頂管機在高寒地區(qū)的適應(yīng)性，為今后類似工程在東北地區(qū)施工提供了參考依據(jù)，同時該工程的成功實施也加快了東北地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的速度。