富含水礫砂層中頂管隧道水下貫通技術(shù)

祁永春，劉小林，郝立釗，邵子璐，董昱汕

中國石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊

1.引言

頂管作為一項施工便捷、費用經(jīng)濟、較為環(huán)保的非開挖施工技術(shù)，在國內(nèi)已經(jīng)得到較為廣泛的應(yīng)用，關(guān)鍵技術(shù)和重要工序施工也日趨成熟，但在水量大、滲透性強、地質(zhì)松散的礫砂層中，頂管機接收和隧道貫通仍是風(fēng)險高、技術(shù)難度大的一道施工工序[1]。選擇一種合理的貫通方式，對于工程的成功尤為重要。

富春江頂管工程采用頂管工法施工，頂管穿越全長658 m，內(nèi)徑2.4 m。工作井長11 m、寬10 m、深12 m，接收豎井內(nèi)徑為13 m，井深為17.3 m。富春江頂管工程的貫通段位于圓礫層，其間充填細砂，地下水與江水聯(lián)通，水量大，施工水壓0.14 MPa。為了在頂管隧道貫通和頂管機接收過程中有效控制地下水?dāng)y帶礫砂涌入接收豎井，防止地面塌陷，避免管節(jié)位移，工程采取了水下接收頂管機和隧道貫通技術(shù)，通過豎井灌水、洞門密封、潛水定位、注漿封水等多種方式結(jié)合的施工技術(shù)，順利完成了隧道貫通和設(shè)備接收工作。

2.水下貫通原理

水下貫通是在隧道貫通前，向接收豎井內(nèi)灌入一定量的水，水位根據(jù)貫通段地下水位情況確定，保持井內(nèi)水位略高于地下水位1～2 m，利用井內(nèi)水壓平衡地下水土壓力，在隧道貫通過程中，維持地層與井內(nèi)壓力相對平衡，在水下將頂管機頂進到位，對洞門進行注漿處理，最終將井內(nèi)的水排出，實現(xiàn)隧道貫通的一種技術(shù)。

3.頂管隧道貫通流程

頂管隧道貫通流程如圖1所示。

Figure 1.The procedure of pipe-jacking tunnel圖1.頂管隧道貫通流程

4.隧道貫通的關(guān)鍵技術(shù)措施

4.1.洞門密封安裝

洞門密封裝置主要由預(yù)埋圓環(huán)板、簾布橡膠密封圈、圓環(huán)壓板，依次通過雙頭螺柱連接固定而組成。洞門橡膠密封圈的內(nèi)徑至少小于刀盤直徑300 mm，以便當(dāng)?shù)侗P穿過密封后，密封能夠緊緊包裹頂管機和頂管管節(jié)。

4.2.洞門注漿設(shè)施安裝

洞門注漿設(shè)施包括接收豎井洞門周圍預(yù)埋直徑1 in的注漿管路，及與該管路連接的閥門、注漿軟管等，所有注漿管路之間采用三通連接。根據(jù)貫通后注漿的需求，在接收井內(nèi)洞口周圍預(yù)埋7根直徑2 in注漿管，管口與豎井外壁齊平。其中5根注漿管路直接通往地層，2根注漿管路通過90?彎頭通往洞口鋼環(huán)內(nèi)側(cè)，貫通準(zhǔn)備期間在井壁兩側(cè)分別設(shè)置3路直徑1 in鍍鋅管路順沿井壁通過三通管路、直徑1 in快速接頭和直徑1 in軟管接頭卡子與直徑1 in軟管連接，軟管通過變徑與直徑2 in球閥連接。每一路都做好標(biāo)記并安裝好閥門，每一路注漿之前都需要壓水試驗，打通注漿通道。

4.3.接收豎井內(nèi)灌水

在接收豎井內(nèi)一切準(zhǔn)備工作完成后，利用7.5 kW潛水泵，從江中抽水灌入接收豎井。根據(jù)頂管機帶有的壓力傳感器測得的地下水壓力，計算地下水水位高度，將豎井內(nèi)水位灌至略高余地下水水位1 m。

4.4.頂管機刀盤定位

根據(jù)頂管機測量系統(tǒng)實時顯示的頂進里程，計算刀盤破除洞門混凝土的位置。同時，密切觀察接收豎井內(nèi)水面情況，由于刀盤破除洞門混凝土后，掉落的混凝土在水中會形成氣泡，造成水體渾濁，當(dāng)水面不斷出現(xiàn)密集的氣泡，并慢慢變得渾濁的時候，說明刀盤已經(jīng)開始逐漸進入洞門密封。在刀盤頂進全部進入密封后，安排潛水員下潛至刀盤和密封位置，判斷刀盤與密封的相對位置，確定貫通偏差。

4.5.洞門注漿封水

4.5.1.注漿材料配比

頂管機頂進到位后，對洞門周圍注漿封水，漿液采用雙液漿。漿液配比如表1所示。

Table 1.The slurry blending ratio of grouting and water blocking表1.注漿封水漿液配比

4.5.2.注漿壓力和注漿量控制

1) 注漿壓力

為保證達到對環(huán)向空隙的有效充填，同時又能確保封堵效果，注漿壓力應(yīng)控制在比地層水土壓力高0.1～0.2 MPa，連續(xù)注漿壓力不得超過0.6 MPa。

2) 注漿量

式中：V為理論注漿量，m3；d1為刀盤外徑，取2.955 m；d2為管節(jié)外徑，取2.86 m；L為注漿范圍總長度，m。

其中注漿量根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行壓注。

4.5.3.注漿效果判斷

1) 監(jiān)測水面的渾濁程度。豎井內(nèi)回填水經(jīng)過沉淀基本清澈，當(dāng)注漿效果不好時漿液會從簾布橡膠進入豎井，豎井內(nèi)會出現(xiàn)渾濁情況，判斷洞門封堵效果不佳，繼續(xù)注漿。

2) 綜合對比壓力和水的渾濁程度，待到注漿壓力較穩(wěn)定且液面無渾濁情況時，可以進行豎井內(nèi)水的排放。

3) 管節(jié)注漿孔探測。利用鋼釬對注漿點位進行鉆孔檢查，查看是否有涌水。如沒有，螺旋蓋+逆止閥堵上。如有涌出水，記錄涌出量，對該點位繼續(xù)壓注雙液漿，壓注后繼續(xù)探孔檢查，如無涌出，將該孔堵上，如有涌出，繼續(xù)壓注雙液漿，直至不漏水為止。

4.6.接收豎井內(nèi)排水

接收豎井內(nèi)的水分階段進行排出，水位每下降4 m停止抽水，觀察2 h，井內(nèi)水位是否變化，如無變化繼續(xù)排水，直至全部排出井內(nèi)的水。排水時，首先利用頂管機配置的排漿泵進行抽排水，其流量可達350 m3/h，能夠快速降低井內(nèi)水位。當(dāng)無法用排漿泵繼續(xù)排水時，采用潛水泵排水。

5.結(jié)語

富春江頂管工程成功應(yīng)用水下貫通技術(shù)，有效控制了施工風(fēng)險，順利實現(xiàn)了頂管隧道貫通和設(shè)備接收，為頂管隧道貫通積累了寶貴的經(jīng)驗。頂管隧道水下貫通技術(shù)能夠在富春江頂管工程中順利實施并取得成功，不僅需要各項關(guān)鍵技術(shù)的綜合運用，也得益于其接收豎井的尺寸足夠一次性容納頂管機的長度，在頂管機全部進入接收豎井后，可以采取雙液注漿止水。對于小尺寸的接收豎井，頂管機需分至少兩段進行拆除，頂管隧道需要在第一段主機拆除后繼續(xù)向前頂進，以滿足后續(xù)的頂管機部分拆除，這對注漿封水的材料、技術(shù)參數(shù)、止水效果提出了更高的要求，這也是今后頂管隧道采取水下貫通技術(shù)的一項重要研究內(nèi)容。