深厚富水砂層地區(qū)大直徑鋼頂管施工關(guān)鍵技術(shù)

安關(guān)峰 王譚

(廣州市市政集團有限公司 510060)

引言

隨著現(xiàn)代化城市的快速發(fā)展，城市建設(shè)用地日趨緊張，愈來愈多的市政公共設(shè)施只能轉(zhuǎn)入地下進行開發(fā)建設(shè)，頂管技術(shù)作為一種非開挖地下管道鋪設(shè)的施工技術(shù)，近年來得到了快速發(fā)展[1-3]。 然而，在施工過程中，頂管段不可避免地會穿越富水深厚砂層、全風化泥巖、上軟下硬等不利地層。 一方面給頂管施工帶來了難度，另一方面造成頂管工作井及進出洞口涌水涌沙，導致地面塌陷，帶來嚴重的經(jīng)濟損失與不良的社會影響[4-6]。

石井河上游截污渠箱工程是貫徹執(zhí)行廣東省政府《南粵水更清行動計劃(2013 -2020 年)》，為提高廣州市白云區(qū)石井河上游(均禾涌、夏茅涌)區(qū)域的污水和初雨收集率的重點項目。 工程包括夏茅涌截污管渠、均禾涌截污管渠、進廠總管和尾水排放管等4 個子項。 管渠長度合計18.2km，入流設(shè)施 18 座，截污閘 16 座。 本文將結(jié)合石井河上游截污渠箱工程中的頂管施工，針對富水砂層、上軟下硬地層中頂管工程的施工關(guān)鍵技術(shù)進行分析，重點探討了頂管設(shè)備選型、工作井止水、頂管進出洞止水、頂進測量糾偏以及管節(jié)焊接技術(shù)等，并提出相應(yīng)的解決方案。

1 工程概況

石井河上游截污渠箱工程頂管施工分為F、H、I、J、P 線 5 個標段，約 9.2km。 圖 1 中 F 線長度917m，H、I 截污管長 2050m，J 線進廠總管長2050m，P 線尾水排放管長為 2032m，J、P線兩區(qū)段頂管平行分布，為雙層頂管。 管材采用DN2200 鋼管、DN3000 鋼管以及 DN3600 鋼套管內(nèi)襯DN3000 鋼管三種類型，工程采用泥水平衡機械頂管施工。

圖1 頂管沿線平面布置Fig.1 The diagram of the pipe du ct

頂管所在場地的土層主要為素填土＜1 -0 ＞、粉質(zhì)粘土 ＜1-3 ＞、粉砂 ＜1-4 ＞、中砂 ＜1-5 ＞、礫砂 ＜1 -6 ＞ 、強風化泥巖 ＜3 -2 ＞ 、中風化泥巖＜3 -3a ＞，各土層的物理力學參數(shù)見表1。 由于場地內(nèi)砂層平均厚度約4m ～12m，地下含水量豐富。 頂管工作井、頂管端頭止水均是施工過程中控制的要點。 本工程共設(shè)置頂管工作井35 個、接收井31 個，工作井直徑10m，采用沉井法或逆作法施工。

表1 土層物理力學參數(shù)Tab.1 Physico-mechanical parameters of soil

2 工程施工技術(shù)難點

(1)頂管穿越地層分布有砂層、粉質(zhì)粘土層、泥巖層、上軟下硬復合地層，頂進施工控制要求嚴格，其中粉質(zhì)粘土及泥巖中粘粒含量多，粘度大，非常容易造成刀盤結(jié)泥餅的情形，直接影響頂管掘進。

(2)在深厚富水砂層地區(qū)，采用水泥土攪拌樁或旋噴樁作為止水帷幕成樁效果差，跑漿漏漿嚴重，往往達不到設(shè)計要求，起不到有效的止水作用，嚴重時還會導致井內(nèi)涌水涌沙，使地面大范圍塌陷。

(3)在頂管進出洞時，頂管工具頭與頂管關(guān)節(jié)往往會存在一定厚度的超挖空隙，一般為3cm～5cm，待工具頭穿越后，地下水、砂極易從該空隙滲出，出現(xiàn)安全事故，制約工期。

(4)本工程屬于大直徑頂管工程，管節(jié)長度為6m，綜合考慮場地內(nèi)不利地層的情況下，工作井內(nèi)施工空間有限，現(xiàn)場無法滿足在鋼管底部設(shè)置焊坑進行施焊，難以保證管節(jié)焊接質(zhì)量。

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 頂管設(shè)備選型

1.頂管機選型

針對本項目區(qū)間隧道的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、地層參數(shù)、地面和地下的環(huán)境，以及本工程粉細砂層廣泛分布等地質(zhì)特點，考慮采用泥水平衡式頂管掘進機施工[7]。

泥水平衡式頂管在水壓很高以及土質(zhì)物理力學參數(shù)變化很大的條件下都能適用； 另外，頂管設(shè)備泥漿注入系統(tǒng)具有自動調(diào)節(jié)功能，能有效保持泥水壓力與地層水壓力和土壓力平衡，對排土量能進行嚴格控制，繼而減少地面沉降。 頂進過程中保證泥漿壓力控制在自然地下水壓的1.1 ～1.2 倍。 從頂管機頭位置注入觸變泥漿，沿頂管周邊將形成具有一定厚度(20mm ～30mm 左右)的潤滑泥漿套，并間距10m 設(shè)一道補漿孔，施工中嚴格控制膨潤土的濃度來達到最好的減阻效果。

2.刀盤刀具組合

廣州地區(qū)典型的軟硬復合地層常常會給頂管掘進施工造成相當大的困難，如頂管姿態(tài)難以控制、刀盤刀具過量或異常磨損、刀盤開裂與變形等。 這些困難與頂管機刀盤在復合地層中掘進受力狀態(tài)密切相關(guān)。

根據(jù)工程地質(zhì)特點，本項目量身定做了適用于軟硬復合地層中的刀盤與刀具，具備硬巖掘進及軟土掘進的功能。 配置高強度的刀具包括破碎硬巖的滾刀、刮刀、貝殼刀以及開挖軟土的齒刀，刀盤邊緣配備了超挖刀。 刀盤刀具的設(shè)計能滿足方便和及時地進行刀具修理和更換的要求。

值得注意的一點是，刀具設(shè)計中使?jié)L刀超前量略大于刮刀，這樣即使在硬巖地層條件下，滾刀發(fā)生破損時仍可保護軟刀工具。 另外，為避免頂管底部硬巖增加邊緣刀具的磨損，在同一開挖軌跡上布置有兩把邊緣滾刀，并配合使用二次破碎裝置，大大提高了刀具壽命。 實踐證明頂管頂進非常順利，表明刀盤刀具的設(shè)計形式是非常適應(yīng)于該項目的地層情況的，這對類似地質(zhì)情況下的刀盤選擇有重要的參考作用。

3.結(jié)泥餅處理措施

通過增加刀盤開口率以及在泥土倉設(shè)多個高壓水孔來去除刀盤結(jié)泥餅現(xiàn)象，其中噴射高壓水能有效減少粘土在刀盤上形成泥餅的情況。 當有大塊土體或塊石進入頂管機泥土倉時，經(jīng)刀盤轉(zhuǎn)動被軋碎成小塊土體，經(jīng)泥水倉被泥水循環(huán)管道帶走。

3.2 頂管始發(fā)井止水技術(shù)

保證始發(fā)井不漏水一直是設(shè)計與施工中需要關(guān)心的一個重要問題[8]。 本工程現(xiàn)場砂層深厚，達10m 以上。 且地下水位較高，在工作井施工時(逆作法)，由于較高的水頭壓力作用使得砂層從未來得及施工的工作井井壁下涌出，導致井外地面塌陷嚴重。 基于此，施工方、設(shè)計方、業(yè)主方等相關(guān)單位針對富水深厚砂層地區(qū)工作井止水技術(shù)的難點問題進行探討分析，決定采用一種用于富水地區(qū)的雙重止水結(jié)構(gòu)。

首先在擬定工作井范圍內(nèi)外側(cè)施打一定數(shù)量兩兩相接的拉森型鋼板樁。 鋼板樁打入相對不透水層大于1m，完全阻斷工作井與外界地下水的聯(lián)系，形成第一層止水帷幕，繼而在鋼板樁帷幕和工作井井壁之間設(shè)有兩排兩兩相交的旋噴樁帷幕(圖2)。 這時鋼板樁一定程度上防止了旋噴樁在富水深厚砂層地區(qū)出現(xiàn)跑漿漏漿的現(xiàn)象，保障旋噴樁成樁質(zhì)量高，阻水效果加倍。 后續(xù)坑內(nèi)開挖時可根據(jù)工程實際情況確定是否設(shè)置降水井。

鋼板樁帷幕和旋噴樁帷幕都具有防止外圍地下水涌入井內(nèi)的功能。 兩者的組合能實現(xiàn)良好的土層加固與止水功能，在深厚富水砂層地區(qū)具有良好的適用性。 該技術(shù)也成功應(yīng)用于本工程后續(xù)工作井的施工(包括逆作法和沉井)，現(xiàn)場實施情況良好。

圖2 工作井外側(cè)止水帷幕Fig.2 The water-resisting curtain

因采用雙重止水技術(shù)，使得鋼板樁圍護、旋噴樁及工作井井壁共同抵抗周邊土層壓力，在一定程度上可以增強工作井本身結(jié)構(gòu)的強度和剛度。 根據(jù)有限元數(shù)值分析計算結(jié)果，鋼板樁可分擔工作井受力占到10%。

3.3 頂管進出洞技術(shù)

頂管進出洞容易造成洞口位置坍塌，引起工程事故。 特別是頂管穿越深厚富水砂層地區(qū)時，對端頭加固止水要求十分嚴格，既要確保洞口土體具有一定的承載能力，也要保障洞口的止水效果，達到進出洞口時不出現(xiàn)涌水流砂現(xiàn)象，保證施工安全[9，10]。

現(xiàn)有頂管井穿洞口止水裝置一般采用在洞周一定范圍內(nèi)施打旋噴樁、攪拌樁、袖閥管和素混凝土墻止水幕墻并加固，并在洞口位置安裝可拆式止水鋼圈，再在鋼圈上安裝止水膠圈，達到止水效果。 但是在深厚富水砂層地區(qū)，施打攪拌樁效果往往不甚理想，止水效果差。

由于頂管工具頭與頂管關(guān)節(jié)存在一定厚度的超挖空隙，一般為3cm ～5cm。 待工具頭穿越后，地下水、砂極易從該空隙滲出，嚴重時造成地面塌陷。 因此，如何選用一種簡便有效的方法開展頂管進出洞口的止水，仍屬于一項關(guān)鍵問題。

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，為避免頂管進出洞口涌水涌沙，保障頂管順利頂進，采取一種多重的洞口止水保障措施。

所采用的第一道止水環(huán)包括預埋鋼環(huán)、橡膠圈、鋼壓板、鋼壓環(huán)和螺栓。 預埋鋼環(huán)固定在工作井預留洞口上，內(nèi)徑同預留洞口一樣大小。 將止水橡膠圈安裝在預埋鋼環(huán)上，最后用鋼壓環(huán)和鋼壓板通過螺栓壓緊(圖3)。

圖3 止水環(huán)構(gòu)造Fig.3 The waterproof ring structure

繼而在始發(fā)井預留洞口位置的一定范圍內(nèi)澆注混凝土后座。 預埋鋼環(huán)與混凝土座接觸的一面焊接有數(shù)根開叉的錨桿，并在進出洞位置砌成平口形式。 在混凝土座的預留洞孔安裝第二道止水環(huán)，第二止道水構(gòu)造同第一止水環(huán)。 在頂管準備出洞時，將工具頭推進預留孔，這時兩道止水環(huán)中的止水橡膠圈會緊抱工具頭外殼，發(fā)揮雙重保障的止水作用。 另外，頂管工具頭外圍纏繞吸水膨脹材料(麻繩、麻絲、棉紗或者布條)，使用纏繞吸水膨脹材料的頂管工具頭進行掘進。 頂管工具頭進洞后所纏繞的吸水膨脹材料會遺留在洞口以堵住頂管工具頭與管節(jié)之間所存在的超挖空隙，有效防止空隙內(nèi)漏水漏砂，為防止頂管進出洞漏水漏砂提供第三道保障，該止水裝置構(gòu)造見圖4。

圖4 頂管進出洞止水裝置Fig.4 The schematic entering and exiting tunnel

在深厚富水砂層地區(qū)該頂管進出洞止水技術(shù)具有施工方便且止水效果好的特點。 通過在工作井內(nèi)現(xiàn)澆的混凝土座既可以增加水流的滲流路徑，又能起到加固頂管井的效用，同時纏繞頂管機頭的吸水膨脹材料可有效封堵頂管工具頭與管節(jié)之間所存在的空隙。 較傳統(tǒng)采用水玻璃或水泥漿封堵空隙更加簡便快捷，止水性強，經(jīng)濟效益好。

3.4 頂進測量糾偏

在上軟下硬復合地層中進行頂管施工，經(jīng)常會導致頂進偏離軸線的情況，頂管的測量糾偏工作就變得尤為重要[11]。

1.測量

管道軸向測量將高精度激光經(jīng)緯儀安置在觀測臺上，它發(fā)出的激光束為管道中心線，符合設(shè)計坡度要求時為頂管導向的基準線。 施工開始時將頂管機的測量靶的中心與激光斑點中心重合。當頂管機頭出現(xiàn)偏差，相應(yīng)激光斑點將偏離靶中心。 測量靶圖像通過視頻傳送到操作臺的監(jiān)示器上，從而可觀察激光斑點偏離靶中心圖像。 通過控制糾偏千斤頂?shù)纳炜s量，進行頂進方向的糾正，使頂管機始終沿激光束方向前進(圖5)。

圖5 頂進施工中的測量示意Fig.5 The schematic of survey in jacking construction

另外一個主要的任務(wù)是掌握好管線的高程和設(shè)計坡度要求。 在地面上把永久性水準引測至井邊，通過垂直吊鋼尺引測至井下，設(shè)臨時水準點。 再在管道內(nèi)架設(shè)水準儀測至機尾部標靶，即可知道機頭高程偏差。 此水準還可從機頭測出來，閉合差按二級水準控制。 為了確保機頭準確進洞，在頂進到最后30m ～50m 時，用人工測量的方式，對管線進行復核，做到精確放樣。

2.糾偏

頂進施工時使測量靶中心與激光光斑中心重合。 當掘進機頭出現(xiàn)偏差，相應(yīng)測量靶中心將偏離光斑中心，從而給出偏離信號，通過視頻傳送到操作臺的監(jiān)示器。 如果工具頭的方向偏差超過10mm，即應(yīng)采用糾偏千斤頂進行糾偏。

頂管機的測量靶網(wǎng)格為10mm，根據(jù)頂管機測量靶激光點的偏移量計算頂管機的斜率。 伸出相應(yīng)的糾偏千斤頂組，糾偏千斤頂布置見圖6，使頂管機推進改變方向，從而實現(xiàn)頂進方向的控制。糾正偏量應(yīng)緩慢進行，使管節(jié)逐漸復位，不得猛糾硬調(diào)，使工具頭始終沿激光束方向前進。

圖6 糾偏千斤頂布置Fig.6 The rectifying jack

頂管頂出穿墻洞及在長度30m ～40m 范圍內(nèi)的偏差是影響全段偏差的關(guān)鍵。 特別是出墻洞時，由于管段長度短、工具頭重量大，進出洞口土質(zhì)易受擾動等因素的影響，往往會導致向下偏。 此時，應(yīng)該綜合運用工具頭自身糾偏和調(diào)整千斤頂?shù)淖饔昧狭χ行膩砜刂祈敼芊较颉?糾偏應(yīng)貫穿在頂進施工的全過程，必須做到嚴密監(jiān)測頂管的偏位情況，并及時糾偏，盡量做到糾偏在偏位發(fā)生的萌芽階段。

3.5 大直徑鋼頂管焊接

鋼管管節(jié)之間的連接采用焊接，因鋼管屬于柔性管，管節(jié)焊接的質(zhì)量直接影響到管道質(zhì)量。

現(xiàn)場采用標準管節(jié)，標準段長6m，鋼管直徑3056mm，鋼管材質(zhì)采用Q235B 級鋼。 由于工作井施工條件有限，無法滿足在鋼管底部設(shè)置焊坑進行施焊。 為保證鋼管焊接質(zhì)量，現(xiàn)場采用定制的鋼管，其底部1500mm 接口為單坡口(圖7a)，施焊過程中采用單面焊接雙面成型工藝。 其余接口為雙坡口，施焊過程全部采用雙面焊接，焊接接口樣式見圖7b 和圖7c。 施焊前將母材坡口位置打磨光滑(圖8)，確保焊縫質(zhì)量符合要求。

圖7 鋼管焊接樣式Fig.7 The style steel pipe welding groove

圖8 管節(jié)坡口示意Fig.8 The schematic diagram of the pipe groove

為了避免焊縫底部無法進行X 射線檢測。 現(xiàn)場人員在焊縫接口處留長約1m 螺栓連接的可拆裝軌道，方便焊縫檢測。 同時避免每次檢測都要切割鋼軌的弊端，減少工作量，保證大直徑頂管能正常施工。

4 結(jié)語

1.富水砂層地區(qū)進行頂管施工，工作井與頂管進出洞口止水是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，采用簡潔有效的多重止水技術(shù)，避免工作井與洞口位置涌水涌沙，防止地面塌陷。

2.大直徑鋼管管節(jié)的焊接質(zhì)量直接影響管道的質(zhì)量，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，選擇單面坡口和雙面坡口的組合形式，單坡口雙面成型和雙坡口雙面焊接工藝保證焊縫質(zhì)量。

3.由于各項技術(shù)、施工措施考慮充分、全面，各項技術(shù)、施工措施選擇得當，管理到位，取得了良好的經(jīng)濟和社會效益，積累了很多成功的施工經(jīng)驗，可供類似工程參考、借鑒。