復(fù)雜地質(zhì)條件下長(zhǎng)距離大口徑頂管施工技術(shù)

梁其東，馬 闊

（1.日照市水務(wù)集團(tuán)有限公司，山東 日照 276800；2.山東省水利工程局，山東 濟(jì)南 250014）

日照市沭水東調(diào)鋼筋混凝土管道頂進(jìn)工程共有4個(gè)頂程，共計(jì)長(zhǎng)2395m。管材為鋼承口式鋼筋混凝土管，采用“F“型鋼承口式鋼筋混凝土管，鋼套環(huán)接口，楔型+半圓型兩道橡膠圈密封。項(xiàng)目主要工程內(nèi)容如表1。

表1 頂管主要工程內(nèi)容

1 頂管設(shè)備的選擇

根據(jù)工程地質(zhì)條件確定頂管設(shè)備的類型和施工工法，同時(shí)，設(shè)備的選擇也是工程施工成功的關(guān)鍵。

1.1 工程頂管穿越主要土層特性

Ⅵ-③層：黏土（Q4alp），灰褐、黃褐色，可塑，切面較光滑，夾砂粒、小礫石。該層分布廣泛，層厚一般 1.50～4.30m，層底高程 103.40～116.65m。

Ⅵ-④層：含砂黏土（Q3alp），黃色、褐黃色雜黑斑、白斑，可塑-硬可塑。該層分布于設(shè)計(jì)樁號(hào)1+100～3+300段，該層局部未揭穿，層厚一般3.10～14.90m，層底高程 97.20～103.30m。

Ⅳ-⑤層：礪質(zhì)粗砂（Q3alp），黃色、淺黃色，稍密，飽和。該層分布于設(shè)計(jì)樁號(hào)0+000～2+480段，該層未揭穿，控制最大層厚一般9.10m，最大控制層底高程94.50m。

Ⅳ-⑥層：碎石土（Q3alp），褐色、黃褐色，上部夾大量風(fēng)化巖碎屑（呈粗砂顆粒狀，少量碎塊狀），中下部夾大量碎石和風(fēng)化巖碎塊。該層分布于設(shè)計(jì)樁號(hào)3+000～4+000段，最大揭露厚度21.90m，最大控制底高程94.75m。

1.2 選擇頂管掘進(jìn)機(jī)

本工程采取兩臺(tái)大刀盤泥水平衡頂管法施工，一臺(tái)型號(hào)為TNPD3500泥水平衡頂管機(jī)，另一臺(tái)為NPD3500泥水平衡（卵石）頂管機(jī)。

泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)是通過胸板前密封艙內(nèi)護(hù)壁泥漿平衡正面土壓，以泥水平衡自動(dòng)控制土壓力。與其它類型頂管設(shè)備相比，泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)具有平衡效果好，施工速度快、對(duì)土質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)、土體沉降控制好等特點(diǎn)，施工過程中地表最大沉降量可控制在20mm以內(nèi)，每天頂進(jìn)速度可達(dá)20m以上。它采用地面遙控操作，操作人員不必進(jìn)入管道。

2 注漿減摩技術(shù)

2.1 漿液配置技術(shù)

本頂管上游臨近老河床出洞時(shí)的300m范圍內(nèi)為砂性土，含水量高、滲透性強(qiáng)，因此要求該段的漿液黏度要高、失水量要小，對(duì)土層能起一定的支承作用，在頂管出洞后，使管節(jié)周圍能迅速形成泥漿環(huán)套。當(dāng)頂程在200～600m時(shí)，頂管掘進(jìn)機(jī)處于全斷面黏土層中頂進(jìn)，不僅土層滲透性小，且壓漿環(huán)套較易形成，此時(shí)要求漿液以起潤(rùn)滑作用為主。在頂進(jìn)4-6號(hào)井時(shí)，此段處于破碎巖石地質(zhì)，采用易固結(jié)性漿液。

2.2 注漿系統(tǒng)

頂管注漿系統(tǒng)分為機(jī)頭同步注漿和管道補(bǔ)漿。機(jī)頭同步注漿由地面液壓注漿泵通過Φ50管路壓送到機(jī)頭處儲(chǔ)箱內(nèi)，再由螺桿泵定量壓入機(jī)頭殼體外，在機(jī)頭處應(yīng)安裝隔膜式壓力表，以檢驗(yàn)漿液是否到達(dá)指定位置，在所有注漿孔內(nèi)要設(shè)置單向閥和球閥，軟管和接頭的耐壓力5MPa，支管通徑為Φ25。在整個(gè)管道中每間隔4節(jié)管子設(shè)1處補(bǔ)漿斷面共6個(gè)注漿孔，補(bǔ)漿由總管（Φ50）壓送至各補(bǔ)漿斷面上的注漿孔。補(bǔ)漿應(yīng)按順序依次進(jìn)行，每班不少于2次循環(huán)，定量壓注。

2.3 減摩注漿技術(shù)

減阻泥漿的拌漿要嚴(yán)格按操作規(guī)程進(jìn)行，催化劑，化學(xué)添加劑等要攪拌均勻，膨潤(rùn)土加入后要充分?jǐn)嚢?，使其充分水化。泥漿拌好后，放置一定的時(shí)間才能使用。壓漿是通過儲(chǔ)蓄池處的壓漿泵將泥漿壓至管道內(nèi)的壓漿總管，然后經(jīng)由壓漿孔壓至管壁外，施工中，在壓漿泵，工具管尾部等處裝有壓力表，便于觀察，控制和調(diào)整壓漿壓力。在壓漿支管處的漿液壓力一般應(yīng)控制略高于土體靜止土壓力。

頂進(jìn)施工中，減阻泥漿的用量主要取決于管道周圍空隙的大小及周圍土層的特征，一般按管壁空隙的3cm計(jì)算理論壓漿量，由于泥漿的流失及地下水的作用，泥漿的實(shí)際用量要比理論用量大得多，一般可達(dá)理論值的3～5倍，但在施工中根據(jù)土質(zhì)情況、頂進(jìn)情況而定。

3 頂管施工技術(shù)

3.1 總推力估算及中繼間設(shè)置

本標(biāo)段頂管施工中頂管管徑為Ф3500，管材允許頂力15000kN，2#頂管工作井后靠背的設(shè)計(jì)允許頂力為30000kN，4#工作井后靠背的設(shè)計(jì)允許頂力為45000kN。具體計(jì)算值詳見表2。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙頂管管節(jié)所能承受的最大頂力為15000kN，因此需設(shè)置中繼間，中繼間所承受頂力不大于設(shè)計(jì)規(guī)定允許值的F0=15000kN，也不得大于工作井允許承受的頂力。中縫間布置數(shù)量見表3。

表2 頂力計(jì)算表

表3 中繼間布置匯總表

N=（F-F0）/F0

N為中繼間個(gè)數(shù)（取整數(shù)）；F為總頂力。

3.2 初始頂進(jìn)

頂管機(jī)初始頂進(jìn)是頂管施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，其主要內(nèi)容包括：出洞口前地層降水和土體加固、設(shè)置頂管機(jī)始發(fā)基座、頂管機(jī)組裝就位調(diào)試、安裝密封脹圈、頂管機(jī)試運(yùn)轉(zhuǎn)，拆除洞臨時(shí)墻、頂管機(jī)機(jī)貫入作業(yè)面加壓和頂進(jìn)等。

1）試頂。頂管機(jī)在出洞后頂進(jìn)的前20m作為頂進(jìn)試驗(yàn)段。通過試驗(yàn)段頂進(jìn)熟練掌握頂管機(jī)在本工程地層中的操作方法、頂管機(jī)推進(jìn)各項(xiàng)參數(shù)的調(diào)節(jié)控制方法：熟練掌握觸變泥漿注漿工藝：測(cè)試地表隆陷、地中位移等，并據(jù)此及時(shí)詳細(xì)分析在不同地層中各種推進(jìn)參數(shù)條件下的地層位移規(guī)律和結(jié)構(gòu)受力狀況，以及施工對(duì)地面環(huán)境的影響，并及時(shí)反饋調(diào)整施工參數(shù)，確保全段頂管安全順利施工。

2）頂進(jìn)主要參數(shù)。在頂管機(jī)頂進(jìn)中，泥漿的壓力、濃度對(duì)保持挖掘面的穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用。泥漿濃度根據(jù)土質(zhì)變化及時(shí)調(diào)整。泥水艙泥漿壓力取決與地下水、土壓力，施工過程及時(shí)測(cè)得數(shù)據(jù)，確定泥水壓力，使泥水艙壓力始終大于水壓力。

泥水初定參數(shù)：頂進(jìn)速度：20mm/min；泥水密度：1.15t/m3；泥水艙壓力：p=0.1～0.2MPa（根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制）。

頂進(jìn)速度：機(jī)頭頂進(jìn)速度設(shè)定20mm/min。如要加大頂進(jìn)速度，在保證泥水艙泥壓的條件下，要先加大泥漿流量，再計(jì)算頂進(jìn)速度，否則排泥管會(huì)堵塞。

3）頂管機(jī)偏差控制。頂管機(jī)向前頂進(jìn)的反力，由工作井后靠背提供。刀盤切削土體的扭矩要是由頂管機(jī)殼與土層之間的摩擦力矩來平衡。當(dāng)摩擦力矩?zé)o法平衡刀盤切削土體產(chǎn)生的扭矩時(shí)頂管機(jī)將形成滾動(dòng)偏差。過大的滾動(dòng)會(huì)影響測(cè)量板、糾偏油缸、螺旋出土機(jī)偏離正常位置，造成測(cè)量、糾偏及出土困難，對(duì)頂管軸線偏斜也有一定影響。引起方向偏差的原因，并及時(shí)對(duì)頂管機(jī)的偏差進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4）頂管機(jī)偏差調(diào)整。①滾動(dòng)糾偏。由于刀盤正反向均可以出土，因此通過反轉(zhuǎn)頂管機(jī)刀盤，就可以糾正滾動(dòng)偏差。允許滾動(dòng)偏差小于等于1.50時(shí)頂管機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)報(bào)警，提示操作者切換刀盤旋轉(zhuǎn)方向，進(jìn)行反轉(zhuǎn)糾偏。②豎直方向糾偏。控制頂進(jìn)方向的主要方法時(shí)改變單側(cè)糾偏油缸行程。但它與頂管機(jī)偏差變化量間的關(guān)系沒有固定規(guī)律，需要靠人的經(jīng)驗(yàn)靈活掌握。當(dāng)頂管機(jī)出現(xiàn)下俯時(shí)，可加大下側(cè)糾偏油缸行程，當(dāng)頂管機(jī)出現(xiàn)上仰時(shí)，可加大糾偏油缸行程，來進(jìn)行糾偏。③水平方向糾偏。與豎直方向糾偏的原理一樣，左偏時(shí)加大左側(cè)糾偏油缸行程，右偏時(shí)則加大右側(cè)糾偏油缸行程。

4 其它技術(shù)措施

工作井洞口止水裝置應(yīng)確保良好的止水效果。根據(jù)設(shè)計(jì)，我們安裝兩道工作井洞口止水裝置。該裝置必須與導(dǎo)軌上的管道保持同心，誤差應(yīng)小于2mm。在橡膠止水法蘭之前應(yīng)預(yù)埋注漿管，以便壓注膨潤(rùn)土泥漿。頂管出洞口采用高壓旋噴樁地基加固法，頂管進(jìn)出洞口高壓旋噴樁加固措施是施工成敗的關(guān)鍵。

[1] 徐前衛(wèi).盾構(gòu)施工參數(shù)的地層適應(yīng)性模型試驗(yàn)及其理論研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2006.