大口徑泥水平衡鋼頂管新型進(jìn)出洞門施工技術(shù)

嚴(yán)國仙 陳 強(qiáng) 韓舉宇

上海市政建設(shè)有限公司 上海 200438

頂管施工工法是一種敷設(shè)地下管線時(shí)的非開挖施工技術(shù)，它無需進(jìn)行大面積的地面開挖，只需在管線路徑上設(shè)置幾口工作井即可進(jìn)行施工且可穿越公路、橋梁、鐵路、地面構(gòu)筑物等多種障礙，現(xiàn)已大量運(yùn)用在給水、排污、輸油、輸天然氣等各種市政管線工程之中，取得了良好的應(yīng)用效果。頂管工程預(yù)留洞門常采用鋼筋混凝土墻，進(jìn)出洞時(shí)為方便施工一般采用人工鑿除，采用頂管機(jī)直接破碎磨除的案例較少，也缺乏類似工程經(jīng)驗(yàn)。

黃浦江上游水源地連通管工程某頂管段施工過程中，一方面，因工期緊，需要提前完成頂管出洞以期盡快開始頂進(jìn)施工，然而洞口加固土體強(qiáng)度齡期較短，尚未達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，導(dǎo)致預(yù)留洞口只破除了1/3不到，便發(fā)生局部坍塌，出洞困難。另一方面，本頂管段需穿越黃浦江支流河道，河道防汛墻樁基與管頂距離小，防汛墻保護(hù)要求高；穿越過程中應(yīng)控制好對防汛墻的擾動(dòng)，避免產(chǎn)生大的變形。

針對這些問題，技術(shù)人員提出了在刀盤上加焊特質(zhì)鎢鋼刀頭以增大刀盤切削混凝土的能力，直接利用頂管機(jī)磨除預(yù)留洞門進(jìn)出洞口，安全可靠；在穿越河道時(shí)，通過合理控制頂進(jìn)施工中的各種技術(shù)參數(shù)、加強(qiáng)監(jiān)測等措施，保證了河道防汛墻的安全，最終確保了頂管施工的順利完成。

1 工程概述

1.1 工程概況

本工程為黃浦江上游水源地連通管某標(biāo)段，管線采用頂管法施工。其中JD04—JD03頂管段管徑DN3 600 mm，長度380.42 m，管頂覆土15.81～16.62 m，需下穿河道黃浦江支流紫石涇，穿越范圍約為112 m，河道區(qū)域覆土10.5 m。紫石涇河面寬約100 m，水深約3.3 m，淤泥厚度0.5～0.7 m，河道防汛墻基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土預(yù)制板樁。本段頂管采用泥水平衡面板式頂管機(jī)[1-2]。

1.2 工程地質(zhì)

本工程土層揭露從上到下依次為①1填土、②1粉質(zhì)黏土、③1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③1t黏質(zhì)粉土、④淤泥質(zhì)黏土、④1t粉砂、⑤1a黏土、⑥粉質(zhì)黏土、⑦1砂質(zhì)粉土、⑦2-1粉砂。

本段頂管主要穿越第④灰色淤泥質(zhì)黏土層，極少零星的頂管穿越第④t層灰色粉砂層，上覆第③1層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層。

其中④灰色淤泥質(zhì)黏土層呈流塑狀態(tài)，含云母及有機(jī)質(zhì)，偶夾薄層粉土；④t灰色粉砂層主要分布于④層底部，含云母，夾少量黏性土，呈稍密～中密狀態(tài)，該層土易產(chǎn)生坍塌、流砂、管涌現(xiàn)象；③1灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層為流塑狀，含云母及有機(jī)質(zhì)，土質(zhì)均勻，局部夾砂較多，局部為粉質(zhì)黏土。

對本工程影響較大的地下水主要為第四紀(jì)地層中的潛水、承（微）承壓水。潛水賦存于淺部地層中，埋深0.4～3.0 m。微承壓水賦存于全新統(tǒng)地層中的粉性土或砂土中，呈不連續(xù)分布，局部與承壓水連通，其水位低于潛水位，呈周期性變化，水位埋深3～11 m。承壓水賦存于上更新統(tǒng)地層中的粉性土或砂土中，其水位低于潛水位，呈周期性變化，水位埋深3～12 m。

2 出洞技術(shù)

2.1 出洞背景

2.1.1 工作井概況

工作井JD04井采用沉井施工方式，排水下沉，井深22.50 m，預(yù)留洞口直徑DN4 200 mm，標(biāo)高－15.10 m，洞口處土體為④層灰色淤泥質(zhì)黏土；刃腳標(biāo)高－21.55 m，刃腳處土體為⑥層粉質(zhì)黏土，距離承壓水層⑦1草黃色砂質(zhì)粉土0.9 m。

下沉過程中，因降水井遭到破壞而未有效將承壓水位降至設(shè)計(jì)標(biāo)高，導(dǎo)致該井發(fā)生突涌，不得不臨時(shí)采用回灌措施，最終沉井采用了水下封底，大大延誤了工期。沉井底板施工完成具有一定強(qiáng)度后，隨即進(jìn)行本段頂管出洞口高壓旋噴樁加固施工。

2.1.2 工期要求

建設(shè)單位要求于12月15日實(shí)現(xiàn)全線管道給水聯(lián)調(diào)，故加快頂管施工進(jìn)度已迫在眉睫。為此現(xiàn)場擬嘗試提前出洞，頂管機(jī)安放到位后，采取沿預(yù)留洞口上半圓周鉆取探孔的方法逐步破除預(yù)留洞門。采取鉆孔的方法可最直觀地觀察土體加固情況，若洞口發(fā)生坍塌，流土可利用頂管機(jī)予以阻擋，避免出現(xiàn)安全事故[3-4]。

在破除洞門的過程中，一方面因?yàn)槎纯诩庸虆^(qū)域土體未完全達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，另一方面高壓旋噴樁加固施工擴(kuò)大了土體擾動(dòng)范圍，最終導(dǎo)致土壓力過大以致將上半圓周預(yù)留混凝土洞門推到，土體涌入井內(nèi)，現(xiàn)場通過千斤頂推進(jìn)頂管機(jī)以阻止土體大規(guī)模涌入井內(nèi)（圖1）。

圖1 洞口坍塌

2.2 技術(shù)措施

2.2.1 方案選擇

方案選擇必須考慮兩方面因素：

一方面，洞口已發(fā)生坍塌，加固土體已涌入井內(nèi)，原加固區(qū)受到破壞，故利用余下的加固土體達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后再進(jìn)行出洞施工已無可能；若重新加固洞口，必將耽擱、延長工期，且洞口與井內(nèi)相通，重新加固時(shí)井外土體將進(jìn)一步涌入井內(nèi)。

另一方面，洞口處仍留有余下的一半混凝土墻，若要出洞必須將其破碎；采用人工鑿除必將再次引起土體坍塌。

綜合考慮，唯有在頂管機(jī)刀盤上采取措施，通過在現(xiàn)有面板式頂管機(jī)刀盤上焊接特制鎢鋼刀頭以增大頂管機(jī)切削混凝土的能力，利用頂管機(jī)磨除洞口混凝土進(jìn)而完成出洞施工。

2.2.2 頂管機(jī)改進(jìn)

采用在頂管機(jī)刀盤上焊接能夠切削鋼筋混凝土的特制鎢鋼刀頭（滾刀）的改進(jìn)措施，使頂管機(jī)能快速完成對鋼筋混凝土預(yù)留洞門的切削，順利進(jìn)出洞。

待涌入井內(nèi)的加固土達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，將頂管機(jī)調(diào)出井內(nèi)進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)時(shí)將泥水平衡頂管機(jī)刀盤拆除，放置在平整地面上，在原刀盤面板上加焊18把硬質(zhì)鎢鋼先行刀，呈3根條幅式對稱、間隔120°分布（圖2）。滾刀與刀盤采用氣焊黃銅釬焊（圖3）。

圖2 滾刀焊接位置示意

圖3 滾刀焊接

2.2.3 復(fù)核驗(yàn)算

預(yù)留洞口混凝土墻的磨除過程中，墻體將對頂管機(jī)刀盤產(chǎn)生反作用力，此反作用力將對刀盤、頂管機(jī)主軸產(chǎn)生較大扭矩，因此必須對刀盤、主軸的扭矩承載力進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算[5-6]。

頂管機(jī)磨除洞口主要通過新增刀頭切削混凝土，故扭矩均是通過新增刀頭傳遞給頂管機(jī)面板及主軸的。且在磨除過程中，必須對頂管機(jī)施加一頂力，以保證頂管機(jī)刀盤能與預(yù)留混凝土墻保持緊密接觸，實(shí)現(xiàn)有效切割磨除；但此頂力又不能過大，若頂力越大，在反作用力的作用下，刀盤承受的扭矩將越大，極有可能導(dǎo)致頂管機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)超負(fù)荷工作，出現(xiàn)損壞。

為保證頂管機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正常工作，同時(shí)確保頂管可以正常進(jìn)行，必須將頂力控制在合理范圍內(nèi)，既不能太小，又不能過大，也即磨除洞口時(shí)頂力應(yīng)有一個(gè)控制上限Pmax。本段頂管機(jī)設(shè)計(jì)最大扭矩Tmax為507.043 kN·m，以此作為依據(jù)來進(jìn)行頂管機(jī)磨除洞口頂力控制上限Pmax的計(jì)算，即通過Tmax反算出Pmax。

經(jīng)計(jì)算，Pmax=1 690 kN，因此在切削鋼筋混凝土洞門階段，必須將頂力控制在1 690 kN以內(nèi)。

2.2.4 出洞止水措施

本段頂管管徑較大，且頂進(jìn)距離較長，工作井JD04井深度較大，下沉過程中產(chǎn)生突涌導(dǎo)致承壓水涌入井內(nèi)。在出洞施工階段，承壓水亦可能從洞口流入井內(nèi)，傳統(tǒng)的橡膠“抹套”不能滿足要求，本工程決定采用鋼法蘭盤根止水裝置。

工作井內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工時(shí)預(yù)留穿墻鋼套管，鋼套管伸出井壁200 mm，法蘭寬度200 mm（圖4）。

圖4 法蘭示意

由于機(jī)頭直徑大于鋼管（擴(kuò)大部分為泥漿套），止水法蘭不能一次安裝到位，因此必須按傳統(tǒng)方法安裝橡膠“抹套”。

待機(jī)頭進(jìn)入洞口后拆除抹套的鋼壓板，安裝止水法蘭（圖5）。

圖5 止水法蘭組裝示意

2.3 出洞施工

頂管機(jī)安裝完成后，逐步向洞口推進(jìn)，且不斷清除井內(nèi)涌入的土體。在頂進(jìn)至封堵墻時(shí)放慢頂進(jìn)速度，頂進(jìn)速度控制在2 cm/h左右，減少對頂管機(jī)內(nèi)部設(shè)備的損壞；正常頂進(jìn)時(shí)刀盤轉(zhuǎn)速為2.146 r/min，在切削鋼筋混凝土封堵墻時(shí)將刀盤轉(zhuǎn)速控制在1 r/min，減小頂管機(jī)電機(jī)和主軸的發(fā)熱。

進(jìn)出洞口施工階段，其核心是合理控制頂力，必須將最大頂力Pmax控制在1 690 kN以下。磨除洞口時(shí)，嚴(yán)禁為加快進(jìn)出洞速度而加大頂力，且磨除洞口過程中應(yīng)根據(jù)刀盤扭矩的實(shí)時(shí)情況，隨時(shí)調(diào)整頂力，避免因頂力過大而造成扭矩過大，從而引起刀盤軸承超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，損壞設(shè)備（圖6）。

磨封堵墻施工時(shí)，切削的混凝土和鋼筋進(jìn)入排泥管，小部分碎塊和碎鋼筋可以被排出，但大量的混凝土碎塊和碎鋼筋還是聚集在出泥管內(nèi)，此時(shí)，主要通過將出水管拆除利用人工進(jìn)行清除。

2.4 進(jìn)出洞效果

焊接硬質(zhì)鎢鋼刀頭后的頂管機(jī)，其切削破碎磨除混凝土的能力得到大大加強(qiáng)，預(yù)留洞門處厚30 cm的鋼筋混凝土墻能很快地被切削完（圖7），且頂管機(jī)進(jìn)洞后依然保持完好。采用頂管機(jī)切削洞門的施工方式，大大加快了施工進(jìn)度，降低了常規(guī)的人工鑿除預(yù)留洞門的風(fēng)險(xiǎn)，保障了本段頂管的順利貫通。

圖6 頂管機(jī)出洞

圖7 頂管機(jī)切削進(jìn)洞封堵墻

3 穿越河道（Ⅳ級）技術(shù)

本段頂管斜穿紫石涇，紫石涇河面寬約100 m，穿越范圍約為112 m，水深約3.3 m，淤泥厚度0.5～0.7 m，河底高程－2.79 m，管頂覆土約為10.5 m（圖8）。上覆土層主要為③1灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和④灰色淤泥質(zhì)黏土，均呈流塑狀態(tài)，具流變觸變特性，極易發(fā)生擾動(dòng)，工程性質(zhì)較差。

3.1 難點(diǎn)

紫石涇河岸東西兩側(cè)均存在防汛墻，保護(hù)要求等級高。防汛墻采用預(yù)制板樁基礎(chǔ)，樁底距離設(shè)計(jì)管道軸線頂標(biāo)高約為1.0 m，現(xiàn)防汛墻處于穩(wěn)定狀態(tài)。頂管穿越河道防汛墻期間，必須控制好各項(xiàng)頂進(jìn)施工參數(shù)，保持開挖面的穩(wěn)定，減小對上覆土層的擾動(dòng)，并加強(qiáng)對防汛墻的保護(hù)，避免防汛墻產(chǎn)生過大變形。

圖8 頂管下穿紫石涇河道剖面

3.2 頂進(jìn)控制措施

3.2.1 合理控制掘進(jìn)、壓漿參數(shù)

穿越河道防汛墻期間，一方面，頂速應(yīng)控制在20～30 mm/min，防止頂速過快導(dǎo)致偏差過大，增大土體擾動(dòng)。另一方面，泥水平衡頂管機(jī)主要是通過泥水倉的泥水壓力平衡頂管開挖面的水土壓力，為嚴(yán)格控制防汛墻沉降，必須設(shè)置并控制好泥水倉泥水壓力，以確保開挖面的穩(wěn)定。實(shí)際計(jì)算中，采用朗肯土壓力理論計(jì)算頂管機(jī)刀盤正面土壓力。

一般情況下，泥水倉泥水壓力的設(shè)定必須控制在主動(dòng)與被動(dòng)土壓力之間。理論上講，若能將泥水壓力控制為與靜止土壓力強(qiáng)度相近，則地層受到的擾動(dòng)最小，開挖面也最穩(wěn)定。實(shí)際施工時(shí)，我們將泥水倉壓力設(shè)置為比靜止土壓力強(qiáng)度高20 kPa左右，靜止土壓力強(qiáng)度為123 kPa，故將泥水壓力設(shè)置為143 kPa。實(shí)際施工過程中，應(yīng)根據(jù)頂管埋深的不同以及地層條件的變化，結(jié)合泥水倉壓力表讀數(shù)不斷修正，以防止壓力過大而導(dǎo)致地表過度隆起，或過小而使掘進(jìn)面失穩(wěn)，引起地表過大沉降。

本段頂管頂管機(jī)刀盤切削直徑為3 668 mm，通過在頂管機(jī)上焊接φ10 mm的鋼筋以增大管道周圍的空隙，頂進(jìn)過程中還需及時(shí)做好同步注漿及沿線補(bǔ)漿，以控制沉降[7-8]。

3.2.2 頂管姿態(tài)控制

頂管施工進(jìn)入河道范圍時(shí)，每頂進(jìn)50 cm進(jìn)行一次頂管姿態(tài)測量，做到勤推、勤測、勤糾。避免因?yàn)檩S線出現(xiàn)過大偏差而進(jìn)行強(qiáng)制糾偏，頂管的糾偏操作應(yīng)根據(jù)頂管姿態(tài)變化曲線圖，經(jīng)過分析以后確定，從而將對管外土體的擾動(dòng)減到最小。

3.2.3 監(jiān)測控制

加強(qiáng)對防汛墻的保護(hù)性監(jiān)測、信息化施工。由監(jiān)測單位對防汛墻進(jìn)行變形監(jiān)測，穿越河道防汛墻前30 m，進(jìn)行初始值監(jiān)測，進(jìn)入防汛墻后測量頻率提高至2 h一次，機(jī)頭越過后恢復(fù)為2次/d。一旦發(fā)現(xiàn)變形超過報(bào)警值（30 mm），就應(yīng)立即采取保護(hù)性跟蹤注漿措施。

監(jiān)測結(jié)果顯示：穿越紫石涇時(shí)，紫石涇防汛墻變形控制在6 mm以內(nèi)，隨著區(qū)間的貫通后，監(jiān)測數(shù)據(jù)逐漸趨于收斂。

4 結(jié)語

通過在所選用的面板式泥水平衡頂管機(jī)刀盤上焊接特質(zhì)鎢鋼刀頭增大刀盤的切削能力，頂管機(jī)利用自身刀盤在較短的時(shí)間內(nèi)便順利破碎切削了進(jìn)出洞口的預(yù)留鋼筋混凝土墻，從而降低了人工鑿除洞門的風(fēng)險(xiǎn)，安全順利地完成了頂管的進(jìn)出洞施工。

同時(shí)本段頂管的順利實(shí)施，為頂管進(jìn)出洞門提供了一種新的施工技術(shù)，也為復(fù)雜工況下微擾動(dòng)施工穿越技術(shù)提供了技術(shù)保障。