富水砂層多孔頂管施工頂力及管節(jié)摩阻力監(jiān)測分析

楊俊峰，鄧文杰，余世祥，林 鍵，詹 杰，曹廣勇

(1.中鐵四局集團第四工程有限公司，安徽 合肥 230000； 2.安徽建筑大學(xué)建筑結(jié)構(gòu)與地下工程安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230601； 3.安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

0 引言

隨著城市不斷擴張，開發(fā)地下空間日益重要，多孔隧道平行施工應(yīng)運而生。傳統(tǒng)暗挖法施工會對土層應(yīng)力狀態(tài)造成擾動，對周邊環(huán)境和建筑物造成影響，特別是在富水砂層地區(qū)，傳統(tǒng)的開挖方式已經(jīng)解決不了開挖期間滲水漏水等問題，頂管法施工提供了一種有效的解決方法。頂力是頂管施工中必須確定的一個重要施工參數(shù)，它直接影響工作井后背設(shè)計、管節(jié)的強度要求、中繼環(huán)的配置數(shù)量和間距及頂進設(shè)備的選擇。管節(jié)摩阻力是衡量頂進效果的一個重要指標(biāo)，它綜合反映了施工中泥漿的制備質(zhì)量、注漿工藝以及軸線控制質(zhì)量的好壞。

基于此，諸多學(xué)者對頂管隧道施工過程中頂力和管節(jié)摩阻力進行了大量研究[1-3]，為解決復(fù)雜環(huán)境下頂管施工提供了重要理論支撐。向安田等[4]對上海某長距離大口徑急曲線頂管施工中實測的頂力和由此計算的平均摩阻力隨頂程變化情況做了分析；嚴國仙等[5]在玻璃夾砂管在頂管工程中的應(yīng)用基礎(chǔ)上討論了注漿對頂力的影響及頂管施工對周圍環(huán)境的影響；王賀敏等[6]基于劍橋模型建立矩形頂管工程施工的有限元分析模型，研究頂進過程中頂管機側(cè)摩阻力、頂推力共同作用影響；在單頂管隧道的研究基礎(chǔ)上，潘偉強[7]依托上海14號線桂橋路站管幕段實例工程，根據(jù)頂進過程實際工況和監(jiān)測書數(shù)據(jù)，分析管幕群頂管施工影響地面的原因；吉小明等[8]采用三維數(shù)值模擬方法，研究近距離多根頂管施工過程中頂進力影響因素及合理預(yù)計方法；尹榮申等[9]基于隨機介質(zhì)理論分析從雙孔到4孔等多孔頂管頂進過程中變形指標(biāo)的演化過程。但在富水砂層頂管頂進施工在全國屬于首例，因此，對多孔頂管隧道施工在富水砂層中的研究具有重要意義。

本文就?？诟凰皩娱L距離多孔頂管施工中一節(jié)管段各自實測的頂力及管節(jié)摩阻力隨頂進距離的變化情況進行分析，并進一步分析從單孔到二孔、三孔的多孔頂管頂進過程中頂力及管節(jié)摩阻力的演變過程，研究結(jié)果對現(xiàn)場實際工程施工具有一定的指導(dǎo)價值。

1 工程概況

1.1 項目概況

?？谑忻捞m機場二期擴建場外排水工程二標(biāo)段位于海口市美蘭區(qū)美蘭機場附近，主要任務(wù)為排除美蘭機場二期擴建區(qū)域、部分機場一期區(qū)域、高鐵區(qū)域及周邊區(qū)域的澇水。主線里程4+026.1—4+535.7段和4+776.3—5+435.9段為三孔直徑3.5m頂管，頂管橫向間距3.18m，包括工作井及接收井，地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 地質(zhì)剖面

頂管段管節(jié)設(shè)計采用專用鋼筋混凝土管，每節(jié)長度2.5m，混凝土強度等級C50，抗?jié)B等級P8。頂管段管節(jié)設(shè)計直徑為3 500mm，共計3 390m(1 356節(jié))，頂管段設(shè)計坡度為i=0.4‰。

1.2 工程地質(zhì)條件

圖2 工作井地質(zhì)斷面

工程內(nèi)的環(huán)境水主要為勘探鉆孔內(nèi)地下水及沿線地表水，地下水主要賦存于②層粉砂、③層中砂層中，屬于孔隙潛水，強透水層；地下水位埋深在1.90～4.10m，水位標(biāo)高3.500～4.080m。⑤層強風(fēng)化玄武巖、⑤1層中風(fēng)化玄武巖屬基巖裂隙水，透水性一般；⑥層中砂、⑧層粗砂的孔隙承壓水屬強透水層?？辈炱陂g工作井水位埋深1.30～7.60m，水位標(biāo)高4.500～20.000m，主要受大氣降雨補給的影響，地下水位年變幅為2.00m。

1.3 測點布置

在頂管施工影響范圍內(nèi)的路面還需要進行沉降監(jiān)測，對判定支護結(jié)構(gòu)的豎向沉降具有重要作用。在頂管施工路線通過的路面直接埋設(shè)監(jiān)測點用水準(zhǔn)儀測定標(biāo)高，通過其監(jiān)測判定推進和支護安全具有重要意義。路面沉降監(jiān)測點設(shè)置要求為縱向間距20m，橫向間距5m，共設(shè)置2道監(jiān)測線。路面沉降觀測點開頂前2天布設(shè)并記錄初始數(shù)據(jù)，頂進結(jié)束注漿完畢后繼續(xù)監(jiān)控，待監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定后結(jié)束監(jiān)控測量。根據(jù)頂進速度，擬沿頂進軸線方向路面超前15m開始測量以便提前收集沉降數(shù)據(jù)，及時采取糾正措施。具體測點布置如圖3所示。

圖3 施工測點布置

2 頂進過程頂力和管節(jié)摩阻力系數(shù)監(jiān)測

2.1 頂力和管節(jié)摩阻力分析

泥水平衡頂管機在富水砂層地層中對于挖掘面的穩(wěn)定可以有效進行保持，對管周圍土擾動比較小，對地面沉降控制有很大幫助，相比于其他類型的頂管有較小的施工總推力。特別是在黏土層，比較適合長距離頂管，棄土通過攪拌裝置把土體攪拌成泥漿，利用排水系統(tǒng)把泥漿送到泥漿罐，不存在吊土、搬運土方作業(yè)，故采用泥水平衡機頂進。管節(jié)設(shè)計直徑為3 500mm的泥水平衡頂管機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 頂管機主要技術(shù)參數(shù)

以實際施工工序為例分析富水砂層多孔頂管頂進時的頂力和摩阻力變化規(guī)律，即施工時依次按照1號孔頂管、3號孔頂管、2號孔頂管的順序，其中2號孔頂管為中間隧道，1號孔頂管和3號孔頂管為兩邊隧道。

通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析可知，頂管在頂進到2.5m時開始對頂力和管節(jié)摩阻力進行監(jiān)測，1號孔監(jiān)測如圖4所示。隨著頂進長度的增加，頂力整體呈間歇性上升趨勢，整條頂力曲線可按照趨勢分成3段，0～220m段頂力呈小幅增長趨勢，220～500m段頂力剛開始呈小幅度減少然后繼續(xù)呈小幅度增長趨勢，500～620m段頂力呈大幅度增長趨勢。隨著頂進長度的增加，管節(jié)摩阻力呈間歇性先大幅度下降、后小幅度上升、最終趨于平穩(wěn)的趨勢。0～160m段管節(jié)摩阻力呈大幅降低趨勢，達到1.13kPa；160～250m段管節(jié)摩阻力呈小幅增長趨勢；250～600m段呈小幅度降低達到最小值0.88kPa，后趨于穩(wěn)定趨勢。

圖4 1號孔頂力、摩阻力與頂程關(guān)系

2號孔監(jiān)測如圖5所示。隨著頂進長度的增加，頂力整體呈間歇性上升趨勢，整條頂力曲線可按照趨勢分成4段，0～120m段頂力呈大幅增長趨勢，120～320m段頂力剛開始趨于平穩(wěn)的然后繼續(xù)呈小幅度增長趨勢，320～350m段頂力呈大幅度增長趨勢，達到最大值11 090kN，350～500m段頂力呈小幅度下降并逐漸趨于平穩(wěn)的趨勢。隨著頂進長度的增加，管節(jié)摩阻力呈先大幅度下降、后小幅度下降、最終趨于平穩(wěn)的趨勢。0～120m段管節(jié)摩阻力呈大幅降低趨勢，達到2.0kPa；120～300m段管節(jié)摩阻力呈小幅降低趨勢，達到最小值1.31kPa；300～350m段呈小幅度上升達到1.9kPa，350～500m段再次呈小幅度降低并最終趨于穩(wěn)定趨勢。

圖5 2號孔頂力、摩阻力與頂程關(guān)系

3號孔監(jiān)測如圖6所示。隨著頂進長度的增加，頂力整體呈間歇性上升趨勢，整條頂力曲線可按照趨勢分成3段，0～167m段頂力呈大幅增長趨勢，167～600m段頂力呈小幅度間歇性增長趨勢，600～640m段頂力呈增長趨勢并達到最大值14 500kN。隨著頂進長度的增加，管節(jié)摩阻力呈間歇性先大幅度下降、后小幅度下降、最終趨于平穩(wěn)的趨勢。0～75m段管節(jié)摩阻力呈大幅降低趨勢，達到4.13kPa；75～640m段管節(jié)摩阻力呈間歇性小幅變化趨勢，其中在598m處達到最小值1.28kPa，后便一直趨于穩(wěn)定。

圖6 3號孔頂力、摩阻力與頂程關(guān)系

2.2 頂管施工順序影響分析

當(dāng)頂管隧道施工由單孔逐漸增加到3孔時，3個隧道施工頂管的頂力在初始階段都有快速爬升的趨勢。由于施工隧道不斷調(diào)整和增加，頂力往往在初始階段提升幅度較大，并出現(xiàn)頂力的第1次峰值。在單孔施工時頂力最大值在頂程最大時出現(xiàn)，當(dāng)頂管數(shù)量由單孔增加到雙孔、三孔時，頂力最大值并不是出現(xiàn)在頂程最大處，而是在頂程后段的某個階段出現(xiàn)。同時，3個隧道施工頂管的管節(jié)摩阻力在初始階段都有快速下降的趨勢，隨后出現(xiàn)間歇性小幅度變化直至趨于穩(wěn)定。管節(jié)摩阻力變化是引起長距離頂管頂力變化的根本原因，通過設(shè)置中繼間、注漿減阻、控制糾偏等手段來降低管節(jié)摩阻力來保證頂力的相對穩(wěn)定，是保證施工順利進行的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)。影響長距離多孔頂管頂力和管節(jié)摩阻力的因素是錯綜復(fù)雜、多方面的，并且控制這些施工參數(shù)較為困難，在整個頂進過程中頂力雖然整體上呈增大趨勢，但是頻率較高，震蕩幅度較大，無法較為精確的描述。

3 影響頂力和管節(jié)摩阻力因素及控制措施

綜上所述，影響富水砂層長距離多孔頂管頂力和管節(jié)摩阻力的主要因素如下。

焊接前須對焊接面進行預(yù)處理，去除焊接基材和母材表面的油、銹和氧化物，采用不同牌號的銀釬焊料，焊劑為銀釬焊溶劑，脫水劑為無水乙醇，采用火焰焊接方式?；脑嚇映叽鐬?0 mm×10 mm×10 mm，母材尺寸為10 mm×10 mm×30 mm。

3.1 中繼間的設(shè)置

頂力計算雖然考慮了安全系數(shù),但由于頂進過程中涉及因素非常多,頂力會超過設(shè)計控制范圍。為確保頂進時安全，當(dāng)總推力達到中繼間允許頂力的70%時，即需安放第1個中繼間。而當(dāng)主頂油缸達到中繼間允許總推力的80%時就必須啟用中繼間。

中繼間最大行程為30cm，φ4.0m管節(jié)中繼間內(nèi)部配置40個50t千斤頂，總推力20 000kN；φ3.5m管節(jié)中繼間內(nèi)部配置32個50t千斤頂，總推力16 000kN；各頂段中繼間設(shè)置如表2所示。

表2 中繼間設(shè)置

中繼間選用組合密封中繼間，其主要特點是密封裝置可調(diào)節(jié)、可組合、可在常壓下對磨損的密封圈進行調(diào)換，從而攻克了在高水頭、復(fù)雜地質(zhì)條件下由于中繼間密封圈的磨損而造成中繼間滲漏的技術(shù)難題，滿足了各種復(fù)雜地質(zhì)條件和高水頭壓力下的超長距離直線頂管的工藝要求。

3.2 泥漿減阻技術(shù)

管道頂進過程中，通過向管外壁壓注觸變泥漿，來降低管外壁與土體之間的摩擦阻力。每節(jié)管節(jié)預(yù)留4個注漿孔，分別布置在管節(jié)上下各1個，左右方向各1個。采用機頭同步注漿和管道跟進補漿相結(jié)合的方法確保注漿效果。觸變泥漿由地面液壓注漿泵通過兩道管路壓送到各注漿孔。在機頭處應(yīng)安裝隔膜式壓力表，以檢驗漿液是否到達指定位置，在所有注漿孔內(nèi)要設(shè)置球閥，軟管和接頭的耐壓力為5MPa。

觸變泥漿需選用專用成品泥漿材料，現(xiàn)場直接加水?dāng)嚢?。頂管潤滑漿注漿用的膨潤土必須是天然鈉基膨潤土，再經(jīng)過嚴格的烘干、粉碎、干燥、球磨、過篩等加工工藝，加工成半成品。然后，再根據(jù)特殊地質(zhì)的使用要求，添加各種輔助材料。根據(jù)成熟注漿施工工藝，確定該種地質(zhì)條件下注漿液配合比。在頂進過程中，再根據(jù)實際使用情況進行調(diào)整，找出適合于施工的最佳泥漿配合比如表3所示。

表3 注漿配合比

調(diào)制漿液時，必須經(jīng)過充分攪拌，漿料采用低速旋流攪拌機進行攪拌，每次最多可攪拌400L漿液。根據(jù)實際頂進情況，對所采用的漿液配合比進行優(yōu)化調(diào)整。現(xiàn)場設(shè)5m3塑料存儲罐2只，攪拌均勻的漿液輸送至存儲罐中靜置2h以上，充分膨脹以后才能使用。

同步注漿必須隨頂隨注，先注后頂，管線后面管道的注漿孔視頂力大小進行補漿。為防止頂完后管外四周土體塌陷，在管外四周注水泥漿護壁。

補漿應(yīng)按順序依次進行，每班不少于2次循環(huán)，定量壓注?？刂坪米{壓力及注漿量，具體注漿壓力及注漿量根據(jù)現(xiàn)場頂進的土質(zhì)情況進行控制，注漿實際用量要比理論大得多，一般可達理論值的4～8倍。根據(jù)不同管外徑分別計算每米最少注漿量，注漿壓力控制在0.2～0.3MPa，通過不銹鋼壓力表來控制注漿壓力。

頂管完成后及時對管道外壁進行充填加固，把原注入的膨潤土漿置換。使用的泥漿置換材料為水泥加粉煤灰漿，其配合比為水∶水泥∶粉煤灰=5∶1∶3。通過管道內(nèi)部的壓漿孔壓注，注漿壓力控制在0.05MPa，注漿次數(shù)不少于3次，兩次間隔時間不大于24h。每2節(jié)混凝土管編為1組，分為注漿孔與排漿孔。將注漿泵清洗干凈，吸漿龍頭放入灰漿池內(nèi)，開啟注漿泵，打開第1組注漿孔，當(dāng)?shù)?組排漿孔冒出灰漿后，關(guān)閉閥門，再打開第2組，以此類推，直到全線完成。再關(guān)閉所有閥門，保壓30min，保壓時注漿壓力為1MPa。泥漿置換完成后，應(yīng)拆除主通道漿管和管內(nèi)弧形漿管就地清洗，以免漿液凝固堵塞。

3.3 頂進方向控制

采取嚴格的放樣復(fù)核制度，并做好原始記錄。頂進前必須遵守嚴格的放樣復(fù)測制度，堅持三級復(fù)測，確保測量萬無一失。布設(shè)在工作井后方的儀座必須保證頂進過程中的穩(wěn)定性，必須定時復(fù)測并及時調(diào)整。頂進糾偏必須勤測量、多微調(diào)，并設(shè)置偏差警戒線。初始推進階段，方向主要是主頂油缸控制，因此，一方面要減慢主頂油缸推進速度，另一方面要不斷調(diào)整油缸編組和機頭糾偏。

3.4 頂管糾偏

糾偏系統(tǒng)位于機頭部位，有4個糾偏油缸，糾偏時，通過控制各糾偏油缸的伸縮，使糾偏油缸活塞桿的合力推動糾偏段朝機身段偏斜的相反方向轉(zhuǎn)過一定的角度，這時糾偏段和機身段之間的環(huán)形超挖間隙發(fā)生變化，機頭的頂進阻力便失去原有平衡，在后方頂推力和土壓力的共同作用下，迫使機身段和后續(xù)管道向糾偏段偏轉(zhuǎn)的方向前進。

通過觀察安裝于機頭后部示位標(biāo)靶上激光光點的坐標(biāo)確定機頭的偏差，通過機頭糾偏段確定需進行糾偏的角度，然后查閱糾偏油缸行程與糾偏角度對應(yīng)關(guān)系表，調(diào)整糾偏油缸行程對機頭進行控制。隨管道的頂進，持續(xù)觀測示位靶的激光坐標(biāo)來驗證糾偏效果。

糾偏操作方案的依據(jù)為測量提供的機頭折角、傾斜儀基數(shù)和走動趨勢、前后尺讀數(shù)比較、機尾處地面沉降量等。0.5°以上的大動作糾偏須盡量避免并在交接時慎重討論，不得已時也應(yīng)爭取在非重要地段進行并加強觀測。糾偏動作后如無折角變動應(yīng)立即停止頂進，會同電工、機修工檢查電路和液壓管路，盡早排除故障，嚴防軸線超差。糾偏應(yīng)在下管后盡早進行，注意觀察傾斜儀讀數(shù)的糾后趨勢及光點滯后變化，同時通知地面和地下壓漿人員加大同步壓漿量。

4 結(jié)語

1)泥水平衡頂管頂力整體呈間歇性上升趨勢，管節(jié)摩阻力呈間歇性下降最終趨于穩(wěn)定趨勢。

2)頂管數(shù)量從單孔增加到三孔時，頂力和管節(jié)摩阻力隨著頂程的變化發(fā)生著相應(yīng)的變化，具體表現(xiàn)如下:單孔時，頂力最大值出現(xiàn)在頂程最大處；多孔時，頂力最大值出現(xiàn)在頂程后段的某個階段，而不是在頂程最大處。從單孔到多孔管節(jié)摩阻力一直呈降低趨勢，然而多孔頂進時的管節(jié)摩阻力在初始階段降低的程度遠大于單孔頂進。

3)多孔頂管施工過程中影響頂力及管節(jié)摩阻力的因素包括設(shè)置中繼間、泥漿減阻、控制頂進方向、頂管糾偏等。

4)頂進過程中頂力和管節(jié)摩阻力所受影響復(fù)雜多變，隨著頂程增加，頂程對各影響因素的稀釋作用增強，管節(jié)摩阻力所受影響沒有頂力明顯。通過控制施工參數(shù)、改良施工工藝，可以把長距離頂管的頂力控制在較小范圍內(nèi)。