大口徑頂管穿越不明地質(zhì)高速公路的設(shè)計(jì)探究

張新宇

(深圳市廣匯源環(huán)境水務(wù)有限公司，廣東 深圳 518000)

1 工程復(fù)雜性論述

DN2400初雨轉(zhuǎn)輸管，是為有效解決深圳市寶安區(qū)九圍河沿河初雨進(jìn)入鐵崗水庫的關(guān)鍵工程，能最大限度地緩解雨季時過度沉積污染的底泥和九圍河流域范圍內(nèi)面源污染帶入鐵崗水庫問題。

該工程設(shè)計(jì)規(guī)模為100%的旱流漏排污水(0.85萬m3/d)和九圍河流域范圍內(nèi)建成區(qū)7mm/h內(nèi)的初雨水全部截排。本次DN2400初雨管，原施工圖設(shè)計(jì)為初雨轉(zhuǎn)輸隧洞，尺寸為1.8m×1.8m，采用新奧法施工，斷面形式為馬蹄形。因該段補(bǔ)勘存在砂層，且西邊為洲石公路，東邊為機(jī)荷高速，為保證九圍河工程的順利施工，該段調(diào)整為DN2400Ⅲ級鋼筋混凝土專用頂管加水平超前深孔注漿施工。該段橫穿機(jī)荷高速長度約96m，管道埋深為8.72～14.2m，根據(jù)兩端井位鉆孔勘察成果，本段頂管管位處于中粗砂層和砂質(zhì)黏性土，穩(wěn)定地下水水位約為30.71m(地面高程為33.11m),地下水豐富。且機(jī)荷高速約96m的管段中間無法進(jìn)行地質(zhì)勘察鉆孔，機(jī)荷高速段地質(zhì)情況不明。但該管段所處位置的東北側(cè)方向約200m處原為大型棄渣場，存在大量孤石(直徑20～300cm不等)，經(jīng)機(jī)構(gòu)檢測，孤石飽和單軸抗壓強(qiáng)度在70～100MPa。機(jī)荷高速公路下管位所處地層遇孤石的風(fēng)險(xiǎn)極大。

2 工程設(shè)計(jì)方案研究論證

針對上述DN2400初雨管橫穿機(jī)荷高速地層不明、地下水豐富，管位處于砂層且存在孤石概率極大的不利邊界條件下，選擇投資可控、施工安全且保證機(jī)荷高速正常運(yùn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)方案難度極大。本次針對DN2400初雨管橫穿機(jī)荷高速的設(shè)計(jì)可行方案開展研究論述。

2.1 非開挖工法可行性論證

2.1.1 氣壓平衡式工法

氣壓平衡式頂管通過作用于臨時掘進(jìn)工作面上的氣體壓力來阻止地下水。此工法特別適用于流砂層且地下水豐富的土層，對砂層有很好的適應(yīng)性。氣壓平衡工法在頂管機(jī)頭中部設(shè)置兩道氣壓密封門，把掘進(jìn)機(jī)分為前后艙，在遇到地下障礙物時可打開艙門進(jìn)入挖掘面人工清障，特別適用于既有地下水，又有不可預(yù)見的不明地下障礙物的地段的頂進(jìn)。且氣壓平衡式工法適用于大直徑頂管工程，通過調(diào)節(jié)供給的壓縮空氣的壓力大小，實(shí)時調(diào)節(jié)艙內(nèi)壓力的高低，可精確到0.1kPa，平衡比較徹底，施工后地面沉降極小。

本次DN2400初雨轉(zhuǎn)輸管非開挖工藝最關(guān)鍵的是要考慮到機(jī)荷高速公路下可能存在未知的障礙物，不排除飽和單軸抗壓強(qiáng)度大于50MPa的塊石存在，同時，結(jié)合兩端井位鉆孔地勘成果資料，管段管位處于含砂層且有豐富地下水，故氣壓平衡工法適用于本工程。

2.1.2 泥水平衡式工法

泥水平衡式頂管主要是利用泥水壓力來平衡地層和地下水壓力的一種頂管工法，以泥漿平衡裝置自動控制。通過調(diào)節(jié)進(jìn)泥和吸泥的泵量，使工作倉內(nèi)泥水壓力和地下水壓力保持平衡狀態(tài)。整個頂進(jìn)過程中，控制好頂進(jìn)與出泥速度尤其關(guān)鍵。其施工安全快速，特別是適用滲透系數(shù)大于10cm/s，有嚴(yán)重流砂時。但遇到微風(fēng)化及中風(fēng)化巖層時，如強(qiáng)度大于50MPa，頂進(jìn)比較困難。考慮到機(jī)荷高速路段下地層不明，存在孤石的概率極大，若遇孤石頂進(jìn)困難機(jī)頭無法拿出，為保證機(jī)荷高速正常運(yùn)行不可能明挖，故本項(xiàng)目不推薦此工法。

2.1.3 泥水平衡巖石頂管工法

與泥水平衡式工法區(qū)別在于采用能掘進(jìn)硬巖的破巖頂管工法，機(jī)頭適應(yīng)的巖石強(qiáng)度在70～100MPa。頂管頂進(jìn)前需超前注漿改善不良地質(zhì)，固化頂管斷面的松散土質(zhì)，便于巖石頂管安全施工。

破巖頂管工法關(guān)鍵之處在于機(jī)頭，其刀盤正面布置的滾輪刀具，根據(jù)巖石的硬度確定，對其質(zhì)量及破碎巖石硬度需充分評估，確保對巖層可剪切破碎，同時滾輪刀具的安裝及在線更換需專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行。巖石頂進(jìn)時不能操作過急，整個頂進(jìn)過程需緩慢循序漸進(jìn)。

對于易崩壞的礫石地層，采用泥水式機(jī)頭最理想，送水壓力平衡地下水可以防止噴發(fā)和流失，控制地面下沉至最小。本工法同樣適用于該工程，施工周期短，但每延米費(fèi)用接近2萬元，因本項(xiàng)目非前期施工圖設(shè)計(jì)，變更費(fèi)用受限。

綜合分析上述三種非開挖頂管工法適用性及特點(diǎn)，考慮到氣壓平衡式工法可開艙門，若遇到不明地層可進(jìn)入挖掘面人工清障，且綜合單價(jià)較破巖頂管工法經(jīng)濟(jì)，故本工程采取氣壓平衡式工法較合適。

2.2 水平超前深孔注漿參數(shù)及工藝確定

針對DN2400初雨管橫穿機(jī)荷高速地層不明、地下水豐富，除常規(guī)的氣壓平衡式工法頂進(jìn)之外，為確保頂管頂進(jìn)過程中遇到障礙物不得不開艙作業(yè)，在機(jī)荷高速又無法進(jìn)行地面加固的邊界條件下，對頂管段周邊進(jìn)行水平超前全斷面深孔注漿改善不良地質(zhì)，固化頂管斷面的松散土質(zhì)是非常有必要的，便于頂管順利安全施工。

2.2.1 注漿布置形式

結(jié)合本項(xiàng)目工程特點(diǎn)，無法采取地面垂直或傾斜注漿，只能在工作井內(nèi)采取放射性超前預(yù)注漿工藝。注漿前，掌子面掛網(wǎng)噴射200mm厚混凝土，做為止?jié){墻，鋼筋網(wǎng)采用φ25錨桿固定在掌子面上。全斷面注漿孔在掌子面基本成環(huán)形布置，分2環(huán)，第一環(huán)6孔，孔深6.264m，外插角17°；第二環(huán)3孔，孔深6.021m,外插角5°；注漿孔孔口管采用φ89焊接鋼管，孔口管長2.5m，孔口管外露長度20～30cm，孔口管壁與鉆孔之間采用麻絲填塞并注漿固結(jié)嚴(yán)實(shí)，孔口管起著導(dǎo)向作用，鉆孔安裝時，須牢固且嚴(yán)格控制外插角度(見圖1、圖2)。

圖1 全斷面深孔注漿布置(單位：mm)

圖2 全斷面深孔注漿縱斷面(單位：mm)

2.2.2 注漿材料及注漿壓力

本次注漿材料采用水泥-水玻璃雙液漿，它具有速凝且凝固時間可控的特點(diǎn)，初定C∶S(體積比)=1 ∶(0.6～1.0)，水玻璃濃度為35～40波美度，模數(shù)2.6～2.8，水泥漿水灰比0.8 ∶1.0～1.0 ∶1.0。初定注漿壓力為0.5～2.0MPa；其他工程設(shè)計(jì)具體參數(shù)可通過現(xiàn)場注漿實(shí)驗(yàn)確定。

2.2.3 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

注漿管路連接后，應(yīng)通過壓水試驗(yàn)檢查注漿管路的密封性，并疏通注漿管路，沖洗圍巖裂隙，利于漿液擴(kuò)散，提高注漿效果。當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓，并持續(xù)保持10min以上，且注漿量大于設(shè)計(jì)注漿量的80%以上時，即可結(jié)束本孔注漿。

2.2.4 注漿效果評判

掌子面一個循環(huán)的所有注漿孔完成注漿后，在開挖前，需要對注漿堵水、加固的效果進(jìn)行檢查，檢查的方法是在掌子面主要破碎處、主要出水點(diǎn)附近設(shè)置3～5個檢查孔，抽取巖芯觀察并測定滲漏水量，當(dāng)測孔內(nèi)涌水量大于0.2L/(min·m)，或有一處涌水量為10L/min以上時，應(yīng)追加注漿鉆孔；或者進(jìn)行壓水試驗(yàn)，在0.75MPa的壓力下，吸水量大于2L/(min·m)時，應(yīng)追加注漿鉆孔，直至小于上述指標(biāo)為止。

2.3 工作井與接收井外圍的止水設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目工作井靠近機(jī)荷高速及洲石公路，有豐富地下水，考慮到地下水過高會導(dǎo)致沉井下沉過程中破壞洲石公路和機(jī)荷高速公路結(jié)構(gòu)的問題，為保證沉井施工安全，對其工作井外圍設(shè)計(jì)高壓旋噴樁止水，樁徑中心距工作井外壁0.5m，樁徑550mm，咬合150mm，樁長16m。注漿材料選用強(qiáng)度等級為32.5級的普通硅酸鹽水泥，水灰比暫定為1.0，每延米樁身水泥用量不小于300kg，注漿壓力應(yīng)大于20MPa，提升速度宜控制在7～12cm/min，旋轉(zhuǎn)速度為10r/min。其具體參數(shù)可根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)段確定的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。

3 本工程延伸頂管設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)

3.1 頂管工藝前期勘察成果質(zhì)量的把關(guān)

頂管前期設(shè)計(jì)工藝選擇最核心的依據(jù)是頂管管位所處地層地質(zhì)情況，故地質(zhì)勘察布孔的合理性及勘察成果的準(zhǔn)確度非常關(guān)鍵，很多工程前期設(shè)計(jì)工期短，勘察時限更短，且設(shè)計(jì)人員和勘察人員溝通不緊密，往往勘察布孔與設(shè)計(jì)管位偏差較大，且大部分項(xiàng)目勘察并未嚴(yán)格按照頂管設(shè)計(jì)規(guī)范要求按不同勘察階段的探孔間距布孔，導(dǎo)致實(shí)際施工管位所處地層與提供的勘察成果有偏差，特別是遇到特殊地層，會直接導(dǎo)致重大變更，對項(xiàng)目投資及工期都有較大影響。

3.2 大口徑頂管長距離頂進(jìn)減少推力的設(shè)計(jì)

頂管頂進(jìn)過程中需要克服管道與四周土體的側(cè)向摩阻力及前方的土體壓力，頂管頂進(jìn)時的推力,主要是克服管外壁與地層間的摩擦力。而管材的軸向耐荷力有一定限度,為有效解決這一矛盾,措施一是在頂管機(jī)后部和各管段內(nèi)通過注漿孔向管外壁和地層間的空隙注入潤滑劑,形成漿套,可大大減小管壁摩阻力,其效率在25%～60%(視地層不同而不同)；措施二是根據(jù)工程具體情況確定頂力，對中長距離頂管應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況在管段間按一定間隔設(shè)置“中繼間”的千斤頂組,采用接力方式頂進(jìn)。整個頂進(jìn)結(jié)束后,撤去千斤頂組,使中繼間閉合形成一個標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)。中繼間的止水密封圏，考慮采用可在線更換的密封圈；措施三是刀具(特別是滾輪刀具)的在線更換設(shè)計(jì)，這也是有效延長長距離頂進(jìn)減少推力的有效方法之一。

4 砂礫地層和巖盤地層兼用頂管機(jī)應(yīng)用思考

由于砂礫地層和巖盤地層掘進(jìn)設(shè)備的刀盤面板構(gòu)造(有法蘭盤式、小倒角式和大倒角式等)和刀具的配置結(jié)構(gòu)有較大的不同,后者須具耐磨特性和主要靠刀盤剪切破碎巖石,而前者須具擠壓破碎防止礫石地層倒壞的機(jī)能,同時兩者都須在遭遇黏土?xí)r要防止進(jìn)泥口堵塞和刀具嵌泥的故障,故面對砂礫地層和巖盤地層兼用頂管機(jī)是今后頂管設(shè)計(jì)針對復(fù)雜地層的研究方向之一。

5 結(jié) 語

頂管施工是一種對環(huán)境影響很小的非開挖工法，特別是在深圳這個國際化大都市，穿越市政主干道、鐵路、高速公路及重要建(構(gòu))筑物時，頂管工藝是首選。但大口徑頂管在實(shí)施過程中仍然會遇到很多突發(fā)事件，如頂管掘進(jìn)時發(fā)生路面沉降、塌陷，涌水、涌沙等，故頂管前期設(shè)計(jì)結(jié)合地質(zhì)勘察成果一定要充分論證其方案可行性，在頂管工藝的選擇論證及地層復(fù)雜與否選擇土體注漿加固等均需充分研究探討，保證項(xiàng)目投資可控，并對可能發(fā)生的突發(fā)事故做好應(yīng)急預(yù)案，確保頂管工程順利實(shí)施。