富水砂層多孔頂管施工頂力及管節(jié)摩阻力監(jiān)測(cè)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(tuán)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(kuò)張，開發(fā)地下空間日益重要，多孔隧道平行施工應(yīng)運(yùn)而生。傳統(tǒng)暗挖法施工會(huì)對(duì)土層應(yīng)力狀態(tài)造成擾動(dòng)，對(duì)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(gè)重要施工參數(shù)，它直接影響工作井后背設(shè)計(jì)、管節(jié)的強(qiáng)度要求、中繼環(huán)的配置數(shù)量和間距及頂進(jìn)設(shè)備的選擇。管節(jié)摩阻力是衡量頂進(jìn)效果的一個(gè)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(duì)頂管隧道施工過程中頂力和管節(jié)摩阻力進(jìn)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(duì)上海某長(zhǎng)距離大口徑急曲線頂管施工中實(shí)測(cè)的頂力和由此計(jì)算的平均摩阻力隨頂程變化情況做了分析；嚴(yán)國(guó)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(duì)頂力的影響及頂管施工對(duì)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(jìn)過程中頂管機(jī)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(qiáng)[7]依托上海14號(hào)線桂橋路站管幕段實(shí)例工程，根據(jù)頂進(jìn)過程實(shí)際工況和監(jiān)測(cè)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(jìn)力影響因素及合理預(yù)計(jì)方法；尹榮申等[9]基于隨機(jī)介質(zhì)理論分析從雙孔到4孔等多孔頂管頂進(jìn)過程中變形指標(biāo)的演化過程。但在富水砂層頂管頂進(jìn)施工在全國(guó)屬于首例，因此，對(duì)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(zhǎng)距離多孔頂管施工中一節(jié)管段各自實(shí)測(cè)的頂力及管節(jié)摩阻力隨頂進(jìn)距離的變化情況進(jìn)行分析，并進(jìn)一步分析從單孔到二孔、三孔的多孔頂管頂進(jìn)過程中頂力及管節(jié)摩阻力的演變過程，研究結(jié)果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程施工具有一定的指導(dǎo)價(jià)值。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

?？谑忻捞m機(jī)場(chǎng)二期擴(kuò)建場(chǎng)外排水工程二標(biāo)段位于海口市美蘭區(qū)美蘭機(jī)場(chǎng)附近，主要任務(wù)為排除美蘭機(jī)場(chǎng)二期擴(kuò)建區(qū)域、部分機(jī)場(chǎng)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(jì)采用專用鋼筋混凝土管，每節(jié)長(zhǎng)度2.5m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50，抗?jié)B等級(jí)P8。頂管段管節(jié)設(shè)計(jì)直徑為3 500mm，共計(jì)3 390m(1 356節(jié))，頂管段設(shè)計(jì)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(qiáng)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(qiáng)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?gòu)?qiáng)透水層。勘察期間工作井水位埋深1.30～7.60m，水位標(biāo)高4.500～20.000m，主要受大氣降雨補(bǔ)給的影響，地下水位年變幅為2.00m。

1.3 測(cè)點(diǎn)布置

在頂管施工影響范圍內(nèi)的路面還需要進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，對(duì)判定支護(hù)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(cè)點(diǎn)用水準(zhǔn)儀測(cè)定標(biāo)高，通過其監(jiān)測(cè)判定推進(jìn)和支護(hù)安全具有重要意義。路面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(cè)線。路面沉降觀測(cè)點(diǎn)開頂前2天布設(shè)并記錄初始數(shù)據(jù)，頂進(jìn)結(jié)束注漿完畢后繼續(xù)監(jiān)控，待監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定后結(jié)束監(jiān)控測(cè)量。根據(jù)頂進(jìn)速度，擬沿頂進(jìn)軸線方向路面超前15m開始測(cè)量以便提前收集沉降數(shù)據(jù)，及時(shí)采取糾正措施。具體測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 施工測(cè)點(diǎn)布置

2 頂進(jìn)過程頂力和管節(jié)摩阻力系數(shù)監(jiān)測(cè)

2.1 頂力和管節(jié)摩阻力分析

泥水平衡頂管機(jī)在富水砂層地層中對(duì)于挖掘面的穩(wěn)定可以有效進(jìn)行保持，對(duì)管周圍土擾動(dòng)比較小，對(duì)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(zhǎng)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(yùn)土方作業(yè)，故采用泥水平衡機(jī)頂進(jìn)。管節(jié)設(shè)計(jì)直徑為3 500mm的泥水平衡頂管機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 頂管機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

以實(shí)際施工工序?yàn)槔治龈凰皩佣嗫醉敼茼斶M(jìn)時(shí)的頂力和摩阻力變化規(guī)律，即施工時(shí)依次按照1號(hào)孔頂管、3號(hào)孔頂管、2號(hào)孔頂管的順序，其中2號(hào)孔頂管為中間隧道，1號(hào)孔頂管和3號(hào)孔頂管為兩邊隧道。

通過現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析可知，頂管在頂進(jìn)到2.5m時(shí)開始對(duì)頂力和管節(jié)摩阻力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，1號(hào)孔監(jiān)測(cè)如圖4所示。隨著頂進(jìn)長(zhǎng)度的增加，頂力整體呈間歇性上升趨勢(shì)，整條頂力曲線可按照趨勢(shì)分成3段，0～220m段頂力呈小幅增長(zhǎng)趨勢(shì)，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(zhǎng)趨勢(shì)，500～620m段頂力呈大幅度增長(zhǎng)趨勢(shì)。隨著頂進(jìn)長(zhǎng)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(shì)。0～160m段管節(jié)摩阻力呈大幅降低趨勢(shì)，達(dá)到1.13kPa；160～250m段管節(jié)摩阻力呈小幅增長(zhǎng)趨勢(shì)；250～600m段呈小幅度降低達(dá)到最小值0.88kPa，后趨于穩(wěn)定趨勢(shì)。

圖4 1號(hào)孔頂力、摩阻力與頂程關(guān)系

2號(hào)孔監(jiān)測(cè)如圖5所示。隨著頂進(jìn)長(zhǎng)度的增加，頂力整體呈間歇性上升趨勢(shì)，整條頂力曲線可按照趨勢(shì)分成4段，0～120m段頂力呈大幅增長(zhǎng)趨勢(shì)，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(zhǎng)趨勢(shì)，320～350m段頂力呈大幅度增長(zhǎng)趨勢(shì)，達(dá)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(shì)。隨著頂進(jìn)長(zhǎng)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(shì)。0～120m段管節(jié)摩阻力呈大幅降低趨勢(shì)，達(dá)到2.0kPa；120～300m段管節(jié)摩阻力呈小幅降低趨勢(shì)，達(dá)到最小值1.31kPa；300～350m段呈小幅度上升達(dá)到1.9kPa，350～500m段再次呈小幅度降低并最終趨于穩(wěn)定趨勢(shì)。

圖5 2號(hào)孔頂力、摩阻力與頂程關(guān)系

3號(hào)孔監(jiān)測(cè)如圖6所示。隨著頂進(jìn)長(zhǎng)度的增加，頂力整體呈間歇性上升趨勢(shì)，整條頂力曲線可按照趨勢(shì)分成3段，0～167m段頂力呈大幅增長(zhǎng)趨勢(shì)，167～600m段頂力呈小幅度間歇性增長(zhǎng)趨勢(shì)，600～640m段頂力呈增長(zhǎng)趨勢(shì)并達(dá)到最大值14 500kN。隨著頂進(jìn)長(zhǎng)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(shì)。0～75m段管節(jié)摩阻力呈大幅降低趨勢(shì)，達(dá)到4.13kPa；75～640m段管節(jié)摩阻力呈間歇性小幅變化趨勢(shì)，其中在598m處達(dá)到最小值1.28kPa，后便一直趨于穩(wěn)定。

圖6 3號(hào)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(shí)，3個(gè)隧道施工頂管的頂力在初始階段都有快速爬升的趨勢(shì)。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(shí)頂力最大值在頂程最大時(shí)出現(xiàn)，當(dāng)頂管數(shù)量由單孔增加到雙孔、三孔時(shí)，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(gè)階段出現(xiàn)。同時(shí)，3個(gè)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(shì)，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(zhǎng)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(duì)穩(wěn)定，是保證施工順利進(jìn)行的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)。影響長(zhǎng)距離多孔頂管頂力和管節(jié)摩阻力的因素是錯(cuò)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(gè)頂進(jìn)過程中頂力雖然整體上呈增大趨勢(shì)，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(zhǎng)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(duì)焊接面進(jìn)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(hào)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(jì)算雖然考慮了安全系數(shù),但由于頂進(jìn)過程中涉及因素非常多,頂力會(huì)超過設(shè)計(jì)控制范圍。為確保頂進(jìn)時(shí)安全，當(dāng)總推力達(dá)到中繼間允許頂力的70%時(shí)，即需安放第1個(gè)中繼間。而當(dāng)主頂油缸達(dá)到中繼間允許總推力的80%時(shí)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(gè)50t千斤頂，總推力20 000kN；φ3.5m管節(jié)中繼間內(nèi)部配置32個(gè)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(diǎn)是密封裝置可調(diào)節(jié)、可組合、可在常壓下對(duì)磨損的密封圈進(jìn)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(zhǎng)距離直線頂管的工藝要求。

3.2 泥漿減阻技術(shù)

管道頂進(jìn)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(gè)注漿孔，分別布置在管節(jié)上下各1個(gè)，左右方向各1個(gè)。采用機(jī)頭同步注漿和管道跟進(jìn)補(bǔ)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(jī)頭處應(yīng)安裝隔膜式壓力表，以檢驗(yàn)漿液是否到達(dá)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(chǎng)直接加水?dāng)嚢琛ｍ敼軡?rùn)滑漿注漿用的膨潤(rùn)土必須是天然鈉基膨潤(rùn)土，再經(jīng)過嚴(yán)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(jìn)過程中，再根據(jù)實(shí)際使用情況進(jìn)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(shí)，必須經(jīng)過充分?jǐn)嚢?，漿料采用低速旋流攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，每次最多可攪拌400L漿液。根據(jù)實(shí)際頂進(jìn)情況，對(duì)所采用的漿液配合比進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)5m3塑料存儲(chǔ)罐2只，攪拌均勻的漿液輸送至存儲(chǔ)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(jìn)行補(bǔ)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(hù)壁。

補(bǔ)漿應(yīng)按順序依次進(jìn)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(chǎng)頂進(jìn)的土質(zhì)情況進(jìn)行控制，注漿實(shí)際用量要比理論大得多，一般可達(dá)理論值的4～8倍。根據(jù)不同管外徑分別計(jì)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(shí)對(duì)管道外壁進(jìn)行充填加固，把原注入的膨潤(rùn)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(shí)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(shí)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(jìn)方向控制

采取嚴(yán)格的放樣復(fù)核制度，并做好原始記錄。頂進(jìn)前必須遵守嚴(yán)格的放樣復(fù)測(cè)制度，堅(jiān)持三級(jí)復(fù)測(cè)，確保測(cè)量萬無一失。布設(shè)在工作井后方的儀座必須保證頂進(jìn)過程中的穩(wěn)定性，必須定時(shí)復(fù)測(cè)并及時(shí)調(diào)整。頂進(jìn)糾偏必須勤測(cè)量、多微調(diào)，并設(shè)置偏差警戒線。初始推進(jìn)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(jìn)速度，另一方面要不斷調(diào)整油缸編組和機(jī)頭糾偏。

3.4 頂管糾偏

糾偏系統(tǒng)位于機(jī)頭部位，有4個(gè)糾偏油缸，糾偏時(shí)，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(dòng)糾偏段朝機(jī)身段偏斜的相反方向轉(zhuǎn)過一定的角度，這時(shí)糾偏段和機(jī)身段之間的環(huán)形超挖間隙發(fā)生變化，機(jī)頭的頂進(jìn)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(jī)身段和后續(xù)管道向糾偏段偏轉(zhuǎn)的方向前進(jìn)。

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

糾偏操作方案的依據(jù)為測(cè)量提供的機(jī)頭折角、傾斜儀基數(shù)和走動(dòng)趨勢(shì)、前后尺讀數(shù)比較、機(jī)尾處地面沉降量等。0.5°以上的大動(dòng)作糾偏須盡量避免并在交接時(shí)慎重討論，不得已時(shí)也應(yīng)爭(zhēng)取在非重要地段進(jìn)行并加強(qiáng)觀測(cè)。糾偏動(dòng)作后如無折角變動(dòng)應(yīng)立即停止頂進(jìn)，會(huì)同電工、機(jī)修工檢查電路和液壓管路，盡早排除故障，嚴(yán)防軸線超差。糾偏應(yīng)在下管后盡早進(jìn)行，注意觀察傾斜儀讀數(shù)的糾后趨勢(shì)及光點(diǎn)滯后變化，同時(shí)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(shì)，管節(jié)摩阻力呈間歇性下降最終趨于穩(wěn)定趨勢(shì)。

2)頂管數(shù)量從單孔增加到三孔時(shí)，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(shí)，頂力最大值出現(xiàn)在頂程最大處；多孔時(shí)，頂力最大值出現(xiàn)在頂程后段的某個(gè)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(shì)，然而多孔頂進(jìn)時(shí)的管節(jié)摩阻力在初始階段降低的程度遠(yuǎn)大于單孔頂進(jìn)。

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(jìn)方向、頂管糾偏等。

4)頂進(jìn)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(duì)各影響因素的稀釋作用增強(qiáng)，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(zhǎng)距離頂管的頂力控制在較小范圍內(nèi)。