軟土地層深埋大直徑泥水平衡頂管始發(fā)出洞安全技術(shù)

湯 武

上海建工（浙江）水利水電建設(shè)有限公司 上海 200082

國(guó)內(nèi)頂管技術(shù)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，技術(shù)工藝已越來(lái)越成熟，機(jī)頭工具管的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、鋼砼頂管接頭密封技術(shù)、自動(dòng)測(cè)量技術(shù)、泥漿減摩技術(shù)、頂管操作井施工技術(shù)得到大幅度的改進(jìn)與提高，許多高難度的頂管工程得以成功實(shí)施，如雙曲線頂管，最小半徑可達(dá)到50倍管道外徑；一次性頂進(jìn)2km多的超長(zhǎng)距離頂管；最大直徑達(dá)到DN4000mm的頂管，頂管深度越來(lái)越深。但在頂管的進(jìn)出洞環(huán)節(jié)上，付出過(guò)許多慘痛的代價(jià)，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，至今仍有在進(jìn)出洞施工中出安全問(wèn)題的案例。

與盾構(gòu)進(jìn)出洞相比，頂管洞口要小一些，但兩者在密封機(jī)理上還是有區(qū)別的。盾構(gòu)進(jìn)出洞安全僅限始發(fā)井與接收井兩端，洞口安全主要采用擴(kuò)大加固體范圍與洞門(mén)外降水，保證土體穩(wěn)定，不發(fā)生流砂，雖然也安裝簾布橡膠板，是為了一旦洞外土體坍塌起擋泥作業(yè)，要完全依靠簾布橡膠板防止地下水滲漏，難度很大，成本很高。

而頂管進(jìn)出洞安全，特別是始發(fā)出洞安全，是頂進(jìn)全過(guò)程的，管道在移動(dòng)就必須要密封住洞口、控制住沉降、維護(hù)住管外減摩泥漿套，雖然也有用洞門(mén)降水降低地下水位，但降水時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)產(chǎn)生一定的土體沉降，另外管外減摩漿后竄，還是要依靠洞口密封裝置封住[1-3]。

在軟土地層對(duì)土體位移非常敏感的地區(qū)，大埋深、大直徑管道頂進(jìn)的始發(fā)出洞安全，須作為關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行研究攻關(guān)。

1 工程背景

某輸水管線工程采用DN3600雙管供水，供水距離約為27km，管中心間距7.2m，鋼管壁厚34mm，設(shè)計(jì)最大流速2.68m/s，水力坡降1.39%，供水規(guī)模為440萬(wàn)m3/日。

工程范圍內(nèi)J46—J53號(hào)頂管井間的DN3600雙管采用頂管施工，頂管長(zhǎng)度918m×2根，管道下穿地鐵7號(hào)線南側(cè)出入口圍護(hù)樁，J47號(hào)井DN3600mm管底深度達(dá)到17.6m。

頂管施工主要涉及第③、④層和⑤1-1層大部分，J46—J47號(hào)井區(qū)間頂管穿越④層淤泥質(zhì)粘土和⑤1-1粘土層交界處，因該區(qū)間⑤1-1粘土層分布較薄，頂管隧道底貼近其下分布的⑤2-1a層砂質(zhì)粉土，該層土滲透系數(shù)較大，富含地下水，具微承壓性，須充分考慮對(duì)該區(qū)間頂管施工進(jìn)出洞、機(jī)頭及中繼間密封的不利影響。

J47號(hào)井位于高科西路與南側(cè)汽車(chē)修理廠之間，北側(cè)高科西路下分布有地鐵7號(hào)線雙管隧道，市政管線及強(qiáng)弱電管線密布，還有南側(cè)汽車(chē)修理廠，離井位基坑距離較近，離南側(cè)地鐵隧道邊線凈距只有5m，井位東側(cè)有6層居民樓、地鐵7號(hào)線錦繡路站，對(duì)施工沉降要求高。

DN3600雙管頂管與地鐵七號(hào)線隧道相對(duì)位置斷面：J46—J47號(hào)井區(qū)間DN3600雙管頂管，與地鐵7號(hào)線隧道軸線平行，最小凈距7.0m，沿線下穿錦繡路車(chē)站南側(cè)出入口圍護(hù)樁、大直徑電力隧道、南干線污水管道等，頂管管內(nèi)底在地鐵隧道底以下3.4m。

2 頂管方案選擇

J46—J47號(hào)井區(qū)間DN3600雙管頂管，長(zhǎng)度918m，與地鐵7號(hào)線隧道平行，凈距7.0m，為降低頂管施工對(duì)地鐵隧道的不利影響，采用泥水平衡頂管機(jī)頂進(jìn)。

原設(shè)計(jì)方案J46號(hào)井為始發(fā)工作井，位于高科西路博華路口，周?chē)h(huán)境敏感程度較之J47號(hào)井要低一些，管道埋深也要淺2m，是相鄰標(biāo)段C11標(biāo)的施工范圍。為便于施工進(jìn)度安排，將始發(fā)工作井調(diào)整為J47號(hào)井，從下游往上游頂進(jìn)。

3 始發(fā)洞口密封技術(shù)

盾構(gòu)隧道也存在洞口密封問(wèn)題，隧道直徑較頂管管道直徑大得多，但兩者對(duì)洞口密封的要求也有區(qū)別，盾構(gòu)隧道重點(diǎn)考慮的是始發(fā)出洞時(shí)盾構(gòu)機(jī)的密封，隧道管片的密封可采用在管內(nèi)注漿進(jìn)行封堵，同時(shí)將洞口始發(fā)段土體加固得長(zhǎng)一些，一般比盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)度長(zhǎng)2m左右，以降低對(duì)洞口密封的要求，同時(shí)輔以洞口降水，在無(wú)水的狀態(tài)下出洞；而頂管始發(fā)密封則要考慮頂管全程的洞口密封安全。

泥水平衡頂管由于泥水壓力的作用，較之土壓平衡頂管對(duì)洞口密封的要求高。土壓平衡機(jī)頭始發(fā)出洞時(shí)，機(jī)頭直接切削加固體土體，土倉(cāng)無(wú)泥水壓力，洞口密封底部承受地下水壓力水頭H。

3.1 泥水平衡頂管機(jī)洞口密封壓力計(jì)算

泥水平衡機(jī)頭穿過(guò)洞口密封裝置，在切削洞口加固體前，須打開(kāi)送泥泵供水，以便能切削破碎加固體，若不考慮送泥泵加壓的影響，洞口密封底部承受泥漿箱液面高度泥水壓力(以清水為主)，即地下水壓力水頭H加液面高度Hw；

洞口密封耐壓P計(jì)算：按J47號(hào)井始發(fā)洞口管道埋深17.6m，泥漿箱液面高出地面1.8m，安全系數(shù)取1.1，則P=1.1×(17.6+1.8)×10=213.4 kPa。

管道底部⑤2-1a層砂質(zhì)粉土微承壓水頭最高水位在地面下3.0m，對(duì)洞口密封耐壓要求較上式計(jì)算值低。

針對(duì)47號(hào)井頂管管道大深度，坑外土層分布，周邊環(huán)境對(duì)土體位移沉降的敏感程度，作為始發(fā)工作井，頂管機(jī)出洞安全與頂管全程的洞口密封是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，可以說(shuō)關(guān)系到這一節(jié)長(zhǎng)距離頂管施工的成敗，我公司調(diào)動(dòng)集中技術(shù)力量進(jìn)行重點(diǎn)攻關(guān)。

3.2 洞口密封構(gòu)造的選擇

洞口密封止水裝置須滿(mǎn)足如下3個(gè)條件：

①能適應(yīng)機(jī)頭外徑與鋼管外徑變化的要求；

②能適應(yīng)頂管全程鋼管外徑加工精度變化的要求；

③密封件的磨損與更換能滿(mǎn)足長(zhǎng)距離頂管的需要。

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研與分析，有如下二種構(gòu)造，各有優(yōu)缺點(diǎn)，分析如下：

3.2.1 雙道簾布橡膠止水裝置

優(yōu)點(diǎn)：一次性安裝，同時(shí)滿(mǎn)足頂管機(jī)外徑與鋼管外徑密封要求，對(duì)管外徑制作精度適應(yīng)性強(qiáng)，外層簾布橡膠板更換方便；

缺點(diǎn)：對(duì)簾布橡膠板平整度及材料性能如強(qiáng)度、延伸率要求高。

3.2.2 盤(pán)根止水裝置

優(yōu)點(diǎn)：耐壓高，油盤(pán)根耐磨性好，對(duì)發(fā)現(xiàn)的滲漏點(diǎn)，可快速通過(guò)鋼卡馬的張拉壓緊油盤(pán)根，實(shí)現(xiàn)徑向封堵；

缺點(diǎn)：機(jī)頭外徑密封與管道外徑密封須分二次安裝，油盤(pán)根徑向密封間隙有限，磨損后更換困難。

經(jīng)分析比較，決定采用雙道簾布橡膠加雙道壓注濃漿的止水裝置，流塑狀的濃漿一方面起潤(rùn)滑作用，能有效降低簾布橡膠與管道之間的摩擦力，另一方面能及時(shí)地填充滲流間隙，加強(qiáng)密封效果，增大密封壓力。

3.2.3 簾布橡膠板的設(shè)計(jì)與安裝

對(duì)于高密封性的簾布橡膠板制作，須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)襯鋼套筒端面板的尺寸及固定螺栓分布配制，工廠整體成形，不允許現(xiàn)場(chǎng)粘結(jié)接頭。

簾布橡膠板內(nèi)圈直徑的確定：理論上內(nèi)圈直徑越小，管道通過(guò)后橡膠板內(nèi)圈的拉伸量越大，密封壓力越高，但同時(shí)會(huì)大幅度增加橡膠板與管道的摩阻力，會(huì)產(chǎn)生橡膠板彎角處的應(yīng)力集中，造成橡膠板開(kāi)裂與簾布條斷裂，如圖1示。

圖1 頂管洞口密封斷面圖

施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)于大直徑頂管，橡膠板內(nèi)圈伸長(zhǎng)量要控制得小一些[4]，一般控制在10%～15%；

簾布橡膠板材料性能要求：厚度20mm主要成分是氯丁膠和天然橡膠，徑向尼龍線橫向棉紗線成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，重要的應(yīng)用場(chǎng)合須做材料性能試驗(yàn)，要求伸長(zhǎng)率在300%以上，抗拉強(qiáng)度在10MPa以上。

簾布橡膠板的安裝：現(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)腳手架，整體提升安裝，壓板與螺栓擰緊后，目測(cè)檢查整圈橡膠板密貼無(wú)空隙，無(wú)褶皺，底鋼板與固定螺栓無(wú)松動(dòng)；復(fù)核安裝后簾布橡膠板內(nèi)圈中心與頂管中心的偏差值，控制在20mm以?xún)?nèi)。

3.2.4 濃漿壓注

洞口預(yù)埋的壓注管徑為3英寸管，圓周布置6個(gè)壓注口，如圖2示：

圖2 濃漿注入口分布

濃漿配置：以?xún)?yōu)質(zhì)粘土和膨潤(rùn)土為主，流塑狀，坍落度18cm～20cm；

注漿泵：采用柱塞泵，進(jìn)漿口螺桿輸送供漿。

壓注方法：先下后上，左右對(duì)稱(chēng)，以壓漿量為主，控制注漿壓力，以免簾布橡膠板的過(guò)大變形。

4 洞口始發(fā)段土體加固技術(shù)

J47號(hào)井圍護(hù)墻采用1000mm地墻，始發(fā)洞門(mén)外土體采用攪拌樁加固，設(shè)計(jì)方案如圖3示。

圖3 洞口始發(fā)段土體加固范圍設(shè)計(jì)圖

4.1 洞口土體加固范圍調(diào)整

J47號(hào)井調(diào)整為始發(fā)工作井后，為始發(fā)出洞安全，查閱同類(lèi)工程加固體穩(wěn)定計(jì)算資料，洞門(mén)外加固體范圍調(diào)整如下：

洞口加固體管道軸線方向總厚度調(diào)整為5000mm，為保證加固體整體均勻性，全部采用三軸攪拌樁，水泥摻量20%，加固深度在管中心以下4800mm，樁頂標(biāo)高-7.2m，樁底標(biāo)高-16.8m。

4.2 地墻與加固體結(jié)合部防滲處理

大深度大直徑頂管機(jī)始發(fā)出洞，在1000mm地墻鑿除后，處于最危險(xiǎn)狀態(tài)，它的安全保障與二個(gè)因素有關(guān)，一是土體強(qiáng)度問(wèn)題，二是滲漏問(wèn)題，解決好這兩個(gè)問(wèn)題，洞門(mén)安全才有保障[5]。

洞口加固體強(qiáng)度：加固體厚度調(diào)整為5m，加固范圍在管道上下左右各3m，與地鐵盾構(gòu)始發(fā)洞口加固體比較，雖然加固厚度小了一半，但頂管洞口直徑較?。?000mm），還有圓形井洞外加固體成圓弧狀，有土拱效應(yīng)，按同類(lèi)工程施工經(jīng)驗(yàn)，水泥摻量提高到20%的三軸攪拌樁加固體，能滿(mǎn)足強(qiáng)度要求；

洞口滲漏：與加固體整體性均勻性有關(guān)，三軸攪拌樁每幅之間采用套鉆法施工；與加固體與地墻結(jié)合嚴(yán)密性有關(guān)，工程實(shí)踐中，洞口滲漏往往與這一環(huán)節(jié)處理不到位有關(guān)；地墻與加固體之間有空擋，而采用旋噴樁彌補(bǔ)空擋又無(wú)法做到位，造成滲漏或事故的重重隱患。

4.2.1 地墻與加固體結(jié)合處理

首先在施工工序上徹底解決滲漏隱患，先施工洞口加固體，再施工地墻，在地墻內(nèi)側(cè)增加一排850mm三軸攪拌樁，使成槽抓斗對(duì)稱(chēng)挖土，不發(fā)生偏斜，如圖4示：

圖4 地墻與洞口加固施工平面

4.2.2 質(zhì)量控制重點(diǎn)

質(zhì)量控制重點(diǎn)如下：

①按折線精確放樣每幅地墻平面位置，兩側(cè)攪拌樁凈間距略大于地墻寬度20mm～30mm；

②三軸攪拌樁垂直度控制在1/500；

③地墻施工采用重型抓斗挖槽，按1/500控制垂直度。

5 周?chē)h(huán)境保護(hù)與監(jiān)測(cè)

J47號(hào)井處于對(duì)土體位移高敏感環(huán)境中，北側(cè)地鐵7號(hào)線隧道須重點(diǎn)保護(hù)。

為掌握與控制頂管施工對(duì)地鐵7號(hào)線隧道的影響程度，除地鐵申通運(yùn)營(yíng)公司在隧道內(nèi)安裝水平尺監(jiān)控外，作為施工監(jiān)測(cè)，在J47號(hào)井與地鐵7號(hào)線隧道間設(shè)置測(cè)斜孔和跟蹤注漿孔。

6 效果監(jiān)測(cè)

5月15日下午頂管機(jī)頭調(diào)試完成，一周后洞口地墻鑿除，雙道簾布橡膠板止水裝置短鋼套安裝到位，洞門(mén)內(nèi)干燥無(wú)滲漏水，5月22日始發(fā)出洞。

在頂管機(jī)頭穿過(guò)第二道簾布橡膠板密封圈后，切削加固體前，送漿管直放清水，不開(kāi)啟送漿泵，洞口下部有少量滲水，下部二個(gè)壓漿口壓注濃漿，先內(nèi)后外，洞口無(wú)滲水。

測(cè)斜孔監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理后如圖5示。

圖5 測(cè)斜孔觀測(cè)數(shù)據(jù)圖

至晚上八點(diǎn)半機(jī)頭全部進(jìn)入洞內(nèi)，測(cè)得最大水位移3.2mm，遠(yuǎn)低于隧道周?chē)试S的土體位移20mm的要求，如圖6示。

圖6 測(cè)斜孔位移數(shù)據(jù)匯總圖

7 結(jié)論

本文針對(duì)大埋深、大直徑泥水平衡頂管始發(fā)出洞安全問(wèn)題，提出了改進(jìn)與優(yōu)化措施，在上海浦東軟土地層，緊鄰高科西路地鐵七號(hào)線錦繡路站即將運(yùn)營(yíng)的隧道南側(cè)，對(duì)土體位移有較高敏感地區(qū)，在不實(shí)施洞門(mén)降水的情況下，成功實(shí)施泥水平衡頂管始發(fā)出洞，將隧道位移控制在最小范圍內(nèi)，總結(jié)如下：

(1) 采用“夾心餅干式”地墻施工方法是解決地墻與洞門(mén)外加固體無(wú)縫連接的有效辦法，重點(diǎn)是控制好三軸攪拌樁垂直度，采用重型抓斗成槽；

(2) 針對(duì)大深度、大直徑頂管始發(fā)洞門(mén)外的土體加固方法，全部采用三軸攪拌樁施工工藝，能保證加固體的強(qiáng)度與防滲性能；

(3) 采用雙道簾布橡膠板加上壓注濃漿的洞口密封止水裝置，能滿(mǎn)足泥水平衡頂管始發(fā)出洞高泥水壓力的密封要求，須重點(diǎn)控制好簾布橡膠板的材料檢驗(yàn)、制作安裝精度、濃漿壓注的施工質(zhì)量。