臨近河流泥水平衡頂管始發(fā)技術研究

曹祝華

摘 要：以某城市電力隧道施工為背景，對臨近河流泥水平衡頂管始發(fā)進行了相關技術研究，通過對頂進井端頭加固、加強洞門密封措施、分段控制泥水倉壓力、隧道內注聚氨酯等措施，確保了泥水平衡頂管機安全始發(fā)，有效地降低了始發(fā)階段洞門涌水涌砂施工風險，確保頂管的施工安全。

關鍵詞：泥水平衡頂管;始發(fā)即下穿河流;洞門密封;分段控制泥水倉壓力

中圖分類號：TU990.3 ? 文獻標志碼：A ? 文章編號：1003-5168（2022）6-0098-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.06.023

Study on Muddy Water Balance Pipe Jacking Initiation Technology in Adjacent River

CAO Zhuhua

（China Railway 11th Bureau Group Urban Rail Engineering Co.， Ltd， Wuhan 430000，China）

Abstract：Power tunnel construction in a city as the background， the slurry balance pipe jacking originating in rivers which has carried on the related technology research， through to the ejection hole end reinforcement， strengthening their burrows sealing measures， subsection control pressure mud storehouse， tunnel grouting reinforcement measures， such as to ensure smooth after the smooth starting slurry balance pipe jacking in rivers， effectively reduce the risk of construction， Ensure the safety of pipe jacking construction.

Keywords：mud water balance pipe jacking;it starts and goes down the river;door seal;control sludge tank pressure by sections construction technique

1 工程背景

1.1 工程概況

某新建電力隧道位于鄭州市東北部，采用泥水平衡頂管法施工，該隧道全長194.42 m，隧道埋深約12.47 m，隧道縱向坡度為0.5%，頂管隧道采用Φ3.5 m鋼筋混凝土“F”鋼承口管，壁厚0.32 m，管節(jié)采用C50鋼筋混凝土分節(jié)預制，抗?jié)B等級P8，每節(jié)長2.5 m。在隧道兩端分別設計有頂進井及接收井，工作井內徑為11 m，外徑為13.4 m，深度為21.3 m。該隧道出工作井段和進工作井段均采用旋噴樁進行加固。

該隧道施工過程中須下穿城市主要道路以及城市內部河流;隧道上方還有雨水、污水、給水、燃氣、電力等多種管線，周邊環(huán)境較為復雜。

隧道位于黃河沖積平原，土層分布穩(wěn)定，厚度變化小，屬均勻地質。隧道主要穿越地層為粉砂、細砂層中，其中主要以細砂層為主。地下水位埋深約4.17 m，水位位于頂管隧道上方8.3 m。

1.2 頂管隧道與河流的位置關系

在距離隧道頂進井約20 m處，有一城市內部河流，該河道控制寬度為75.4 m，河道深度為4.14 m，河道底部距離隧道頂6.2 m。河流兩岸河堤按照1∶3的比例分兩級放坡，河流水位深度為2.3 m，具體位置關系如圖1、圖2所示。

1.3 設備工作原理及相關參數(shù)

結合現(xiàn)場實際工況和水文地質情況，本項目頂管隧道掘進采用的是一臺NPDφ3500泥水平衡頂管掘進機。泥水平衡頂管機通過泥漿壓力以掌子面的水土壓力，并充分利用泥漿的攜砂作用將泥沙帶出的機械式頂管作業(yè)。其原理是充分利用泥漿護壁的特點，在掌子面處形成一層致密的泥膜，以防止開挖面坍塌[1]。

該泥水平衡頂管掘進機外徑為4.2 m，長度為5.2 m，配置4臺55 kW驅動電機，最大頂進速度可達200 mm/min，刀盤直徑為4.24 m，最大扭矩為1 400 kN·m，最大總推力達2 000 t。

2 施工重難點

2.1 富水砂層中頂進，施工難度大

本項目處于黃河沖積平原，地下水位較高，地下水位位于拱頂上方8.3 m。頂管掌子面通過地層主要為粉細砂，在富水砂層的頂管施工容易出現(xiàn)掌子面失穩(wěn)現(xiàn)象。而且頂進軸線控制難度較大，稍有不慎就會使得軸線偏位。粉細砂層受擾動后容易液化，更容易使掌子面失穩(wěn)，增加施工難度[3]。

2.2 始發(fā)即下穿河道

頂管始發(fā)是頂管隧道施工中的高風險工序，本工程頂進井距離河道的水平距離20 m，而設備總機長度為5.2 m。當?shù)侗P進入河道范圍時，由于河床底部廣泛分布的粉細砂自穩(wěn)性較差，透水性強，極易發(fā)生地層失穩(wěn)，掌子面坍塌，河水倒灌的現(xiàn)象。而且在計算泥水倉壓力時，需要根據(jù)河堤過渡段覆土深度變化進行調整，泥水倉壓力變化較大，頂進過程中控制難度較大，稍有不慎極易發(fā)生冒頂、塌方，造成河床破壞，引發(fā)河水倒灌等險性事件。

2.3 始發(fā)洞門密封要求較高

結合頂管的施工特點，頂管始發(fā)極易發(fā)生涌水涌砂的險性事故，需要對洞門密封嚴格要求。而且本工程地下水位埋深僅4.17 m，水位位于頂管隧道上方8.3 m，刀盤需承受的水壓較大，加大了始發(fā)過程中涌水、涌砂的風險。另外，在始發(fā)20 m后，頂管機將下穿河流，頂管機刀盤進入河床底部，該范圍內地層主要以粉細砂為主，在河水的長期浸泡下，地層的自穩(wěn)性較差。掘進過程中水流極易沿管周間隙，沖擊洞門，形成透水通道，引發(fā)河水大量涌入，釀成險性事故。結合上述分析，為降低施工風險，保障現(xiàn)場施工安全，需要對洞門密封提出更高要求[2]。

3 始發(fā)即下穿河流的主要技術措施

3.1 頂進井端頭加固

為降低洞門鑿除與始發(fā)的風險，創(chuàng)造始發(fā)階段洞口密封條件，對頂進井洞門前方土體采用旋噴樁加固，旋噴樁樁徑600 mm，間距400 mm，加固區(qū)域為隧道中心上下、左右各5 m，加固區(qū)域沿隧道線路長10 m。洞門前方土體加固與頂進井井壁貼合200 mm。同時，為確保端頭加固區(qū)域與頂進井之間咬合密實，在接縫處進行WSS加固，采用水玻璃+水泥漿的雙液漿進行加固，水泥漿水灰比控制在1∶1，注漿壓力控制在0.5 MPa左右，具體加固形式如圖3、圖4所示。

3.2 洞門密封處理

考慮本工程范圍內地下水位埋深較淺，而且始發(fā)后即下穿河流，結合現(xiàn)場實際情況，對頂進井洞門采用三道洞門止水簾布進行密封，如圖5所示。第一道止水簾布安裝在頂進井的預埋洞門鋼環(huán)上，與洞門鋼環(huán)的內壁平齊。第一道止水簾布安裝完成后，在頂進井壁上植筋，施做一道寬度為300 mm的外置混凝土前墻，前墻的內徑與洞門鋼環(huán)平齊，厚度為300 mm。前墻施工完成后，在外側安裝第二道止水簾布，然后施做第二段前墻。第二段前墻的結構尺寸與第一段前墻相同，在第二段前墻外緣處安裝第三道止水簾布，并在止水簾布外側安裝折頁壓板，以防止外側水壓力過大，造成涌水、涌砂現(xiàn)象[4]。

較常規(guī)洞門密封措施相比，本工程采用三道止水簾布進行密封，可以在刀盤進入加固體前，提前向前墻內注入泥漿，建立起泥水倉壓力與掌子面土體壓力的平衡，確保始發(fā)安全。而且，能降低洞門涌水、涌砂的施工風險[5]。

3.3 地面跟蹤注漿技術

為有效控制洞門涌水、涌砂現(xiàn)象的發(fā)生，在端頭加固前后，利用WSS注漿工法，注水玻璃—磷酸化學漿液，以填充開挖輪廓與管節(jié)外周之間的間隙。注漿深度為頂管隧道底部+1.5 m深，分布在隧道兩側。其中水玻璃要求其波美度不得小于40 °Be'，磷酸的純度不得低于85%。注漿前，先將水玻璃與水按照1∶1的比例進行混合，磷酸與水按照1∶23的比例進行混合，然后將兩種稀釋后的液體按照1∶1的體積比混合使用。為確保漿液能達到封閉滲水通道，凝固時間不得大于8 s。注漿壓力為0.2～0.5 MPa，終孔止?jié){壓力控制在0.8～1.0 MPa。頂進期間，時刻關注洞門情況，一旦發(fā)生滲漏，即采用上述注漿方法，具體如圖6所示。

3.4 管壁注入泥漿，形成泥漿套

本工程采用的頂管機外徑比管節(jié)外徑大6 cm，頂管機刀盤過后，外圍土體與管道之間有較大空隙，極易引起地表沉降。為控制沉降，本項目通過在管道外壁壓入泥漿的方式，即通過頂管機，在管節(jié)與土體的空隙之間注入泥漿來填充管道外側的空隙，形成泥漿套，控制地面沉降。為確保泥漿填充的效果，在管道中間位置預留1圈注漿孔，共計4個，按照120°的夾角均勻分布在管道外壁上。

為確保泥漿套質量，需要確定配合比，嚴格控制泥漿參數(shù)，保證泥漿性能。本工程實施中，通過不斷試驗，最終確定采用膨潤土礦粉配置的泥漿，膨潤土與水的配合比為1∶6;漿液指標黏度為46 Pa·s，比重為1.06 g/cm3，含砂率<2%。進漿比重需控制在1.05～1.10，排漿比重控制在1.25～1.30。另外，在泥漿中加入聚丙烯聚合物漿液，該漿液按照水、聚丙烯、純堿配比為1∶0.005∶0.03配制而成。

壓漿主要分為三步進行。第一步，在管節(jié)頂進過程中壓漿，主要對管節(jié)底部進行壓漿，將管道位于泥漿當中，使管節(jié)在泥漿中產(chǎn)生的浮力抵消部分管節(jié)自重，減小摩擦力，減少管道在頂進過程中因摩擦帶走的外圍土體。第二步，因頂管機刀盤大于管節(jié)，需要在頂進過程中對頂管機尾部和尾部的前三節(jié)管道注入泥漿，以填充產(chǎn)生的空隙，防止在頂進過程中發(fā)生較大沉降。第三步，為頂管接收后對整條線路管道進行注漿。因管道在頂進過程中勢必會攜帶部分土體，產(chǎn)生新的空隙，為防止因該部分空隙造成沉降，在頂進結束后，對整個管道壓入泥漿，控制沉降[6]。

3.5 洞內注聚氨酯，填充透水通道

頂管施工期間，對臨近頂進井的四節(jié)管道，在洞內反復注入聚氨酯，填充管道外周與開挖輪廓之間的間隙，降低透水風險。本工程采用的是聚氨酯進行填充，為保證聚氨酯的發(fā)泡效果，將水性聚氨酯和油性聚氨酯按照2∶1的質量比混合注入，壓力控制在0.4 MPa以內。為確保注漿效果良好，在聚氨酯混合溶液中加入少量柴油，使聚氨酯混合物容易在遇到水后迅速發(fā)泡膨脹，形成有效的固結體。

3.6 分段控制泥水倉壓力

泥水平衡頂管掘進機是利用泥水倉內的泥水壓力來抵抗地層中的水土壓力，在頂管機頂進過程中，頂管機泥水倉內的壓力小于掌子面的水土壓力時，地面就會產(chǎn)生沉降;當泥水倉壓力大于掌子面的水土壓力時，在泥水倉壓力的作用下，地面就會產(chǎn)生隆起。因此，泥水倉壓力是控制地表沉降或隆起，確保施工安全的重要參數(shù)。

為防止地表的沉降和隆起，泥水倉壓力的上限不得大于掌子面的主動土壓力，下限不得小于掌子面的被動土壓力。本工程中，為準確確定泥水倉壓力，將隧道分成5個區(qū)間段分別進行計算。具體方式如下。根據(jù)施工經(jīng)驗，頂管泥水倉壓力應為靜止土壓力的1.1～1.2倍，考慮周邊風險較高，對地面沉降要求較嚴，調整范圍控制在±15 kPa以內。土壓力的理論計算為式（1）（2）（3）。

主動土壓力

Pa=γh tan 2（45-φ1/2）-2c tan （45-φ1/2） ? （1）

被動土壓力

Pb=γh tan 2（45+φ1/2）+2c tan （45+φ1/2） ? （2）

靜止土壓力

Po=K0γh ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式（1）（2）（3）中：γ為土的容重;φ為土體的內摩擦角;c為土的黏聚力;h為頂管覆土深度;K0為靜止土壓力系數(shù)，即1-sinφ′，其中φ′為土的有效內摩擦角。

得出計算結果后，需要結合施工過程中的頂推速度、出土量以及地面沉降情況進行進一步確認。

經(jīng)過確定，本工程頂進泥水倉壓力值為靜止土壓力的1.1～1.2Po（Po為靜止土壓力），即103.95～146.64 kPa。

3.7 加強監(jiān)測

隧道施工過程中，為準確掌握具體情況，項目制定了詳細的監(jiān)測措施，本工程中主要對地表沉降監(jiān)測、管頂內部下沉監(jiān)測、管內收斂監(jiān)測等內容進行監(jiān)測。以隧道軸線為中心，在隧道兩側布點，間距為2.5～3.0 m，每組斷面布設15點。

4 結語

隨著城市新建電纜隧道的不斷發(fā)展，越來越多的隧道需下穿城市河流等多種風險源，泥水平衡頂管施工也越來越受青睞，本研究通過介紹頂進井的端頭加固，頂進井的洞門密封措施，地面跟蹤注漿，管壁后壓入泥漿，洞內注聚氨酯、加強監(jiān)測等措施，對控制泥水平衡頂管始發(fā)與頂進風險取得了一定的成效，為臨近河流頂管施工積累了可借鑒的經(jīng)驗。

參考文獻：

[1] 李方楠，沈水龍，羅春泳.考慮注漿壓力的頂管施工引起土體變形計算方法[J].巖土力學，2012，33（1）：204-208.

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[3] 孫前金，楊明勇.控制機械頂管地表沉降技術[J].中國高新科技，2018（8）：37-39.

[4] 楊明勇，孫前金.頂管工程施工中的止水與防滲漏技術[J].安徽建筑，2018，24（3）：101-102.

[5] 薄其功.泥水平衡式頂管施工方法及過程管理介紹[J].科技風，2014（24）：145.

[6] 張榕生.泥水平衡式頂管施工難題的分析與處理[J].福建建設科技，2002（3）：27-29.