矩形頂管淺埋穿越河道施工技術(shù)

弋偉GE Wei

（中鐵十七局集團(tuán)第二工程有限公司，西安 710000）

1 工程概況

本工程為杭州地鐵3號線古墩路站與古蕩科技園的連接通道，采用土壓平衡頂管法施工，頂管全長59.3m，采用1%的縱坡由高向低直線頂進(jìn)施工。通道45°角斜交下穿沿山河，在沿山河北岸古科園內(nèi)設(shè)置頂管始發(fā)井，南側(cè)接收井進(jìn)入既有地鐵3號線古墩路站風(fēng)亭。頂管管節(jié)采用C50預(yù)制自防水砼管節(jié)，抗?jié)B等級P10，管節(jié)厚度600mm，外形尺寸為4.5m×7.7m，管節(jié)壁厚為0.6m，長度為1.5m，凈空尺寸3.3m×6.5m，接口為“F”型承插口設(shè)計(jì)。

頂管結(jié)構(gòu)下穿沿山河時呈45°角，河道下長度達(dá)30m，正常情況下河水深2.3m，河床底至管節(jié)頂凈距僅5.1m，覆土厚度較薄，僅為1倍頂管高度。地下水位較淺，多為孔隙性潛水，與沿山河水連通。該段地質(zhì)從上至下依次為①淤泥、②淤泥質(zhì)黏土、③粉質(zhì)黏土夾礫石地層。管節(jié)頂部淤泥、淤泥質(zhì)黏土層土質(zhì)較差，呈流塑狀，施工易受擾動，容易導(dǎo)致開挖面失穩(wěn)，管節(jié)下部地層有黏土夾礫石地層，土質(zhì)承載力高，開挖難度大。

2 工程難點(diǎn)、風(fēng)險點(diǎn)及對策

2.1 施工難點(diǎn)及風(fēng)險點(diǎn)

①管節(jié)埋深淺，土質(zhì)穩(wěn)定性差，開挖及靠近收發(fā)井時開挖面穩(wěn)定難度較大；黏土夾礫石地層土質(zhì)強(qiáng)度高、黏性大，易“結(jié)餅”。②河床下屬于淺埋段，長距離頂進(jìn)過程中存在“背土”效應(yīng)，沉降控制風(fēng)險高。

2.2 措施與對策

①對開挖面土壓力合理計(jì)算，根據(jù)地層情況隨時變化，進(jìn)出口做相應(yīng)的加固構(gòu)造。提前就高黏性地質(zhì)準(zhǔn)備土倉添加劑。②對減摩泥漿的配置、壓力的選擇做好計(jì)算；地面沉降的觀測及時到位，并做好隔土墻等預(yù)案。

3 開挖面穩(wěn)定施工技術(shù)及措施

矩形頂管機(jī)采用土壓平衡原理，本工程地層主要為淤泥質(zhì)粘土，由于泥土的黏合性，泥土在輸送機(jī)內(nèi)輸送連續(xù)性好，出渣速度就容易控制，掘進(jìn)效率高，刀具磨損量小，利于長距離掘進(jìn)。

土壓平衡式頂管屬封閉式頂管，頂管推進(jìn)時其前端刀盤旋轉(zhuǎn)掘削地層，掘削下來的土體涌入土艙，當(dāng)掘削土體充滿土艙時，開挖面和頂管機(jī)土倉之間可視為經(jīng)典的土壓力和擋土墻之間的關(guān)系，這樣可以用Rankine土壓力理論來研究開挖面與土倉間的三種典型受力情況：主動破壞、被動破壞和靜止平衡。頂進(jìn)時開挖面受力如圖1所示。

圖1 主被動、靜止圖壓力示意圖

實(shí)踐中土倉壓力P倉和開挖面土壓力、頂管機(jī)頂進(jìn)速度密切相關(guān)。其中土倉壓力控制是保證開挖面穩(wěn)定的關(guān)鍵。

3.1 土倉內(nèi)壓力的分析與計(jì)算

土倉壓力P倉需要提前設(shè)定，以便控制頂進(jìn)和出土速度，從理論上講，應(yīng)該選擇設(shè)定的土倉壓力值P倉在Pa和Pp之間。如實(shí)際土倉壓力P倉＜Pa，則土倉前部地層會因壓力不足而沉降；如P倉＞Pp，則土倉前部地表會因應(yīng)力集中而隆起。而由于圍巖的變形不是瞬間到位的，多數(shù)情況下是一個較長的過程，預(yù)制管節(jié)可及時跟進(jìn)完成支護(hù)，若允許圍巖有一定變形且滿足沉降要求時，可適當(dāng)減小土倉壓力設(shè)定值，有利于設(shè)備參數(shù)控制和掘進(jìn)效率提高。本工程地層穩(wěn)定性較差但地面沉降要求不高，可用靜止土壓力P0為土倉壓力設(shè)定值。

開挖面土壓力采用Rankine土壓力理論計(jì)算開挖面前方土體的靜止土壓力。本工程為有地下水黏土地層，土壓力采用水土合算，公式為P0=K0γh（γ為土平均重度，h為土層深度）靜止土壓力系數(shù)K0可參考勘測資料、或采用公式K0=1－sinφ，φ為內(nèi)摩擦角，K0此處取0.5。

由于開挖面上下土壓差距較大，初始土壓力采用Rankine土壓力理論分別進(jìn)行計(jì)算：

P上＝K0γh上（土倉上部的正面土壓力）

P下＝K0γh下（土倉下部的正面土壓力）

K0：土壓系數(shù)（依據(jù)靜止土壓力系數(shù)公式及本工程詳勘資料），此處取0.5；

γ：土的平均重度，取18kN/m3；

h：覆土深度，h上取9.8m，h下取14.3m。

由以上計(jì)算可知，初始土倉壓力設(shè)定值為P上＝88kPa，P下＝128kPa。

頂進(jìn)的迎面土壓力NF等于頂進(jìn)機(jī)正面面積乘以P0：

需注意，開挖面土壓力不是一成不變的，是隨頂進(jìn)土層變化和地面荷載不斷變化調(diào)整的，由于理論計(jì)算和實(shí)際地質(zhì)間存在誤差，一般把P倉設(shè)置在P0的±20kPa范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，并根據(jù)地面沉降觀測數(shù)據(jù)的分析及時修正，以實(shí)現(xiàn)二者的平衡。

3.2 土倉壓力的控制

3.2.1 壓力控制技術(shù)

頂管機(jī)土倉內(nèi)設(shè)置若干傳感器，對土倉壓力隨時監(jiān)測，控制頂進(jìn)與出土的速度來保證土倉壓力在設(shè)定范圍內(nèi)。但在實(shí)際工程施工中，經(jīng)常會遇到土倉壓力傳感器顯示土倉壓力不穩(wěn)定、土倉內(nèi)泥“結(jié)餅”以及土倉內(nèi)不能完全充滿碴土等情況，導(dǎo)致土倉壓力與開挖面前方土壓力不平衡。因此，需改良土倉內(nèi)的碴土并采取措施建立滿足平衡條件的土倉壓力。改良時將配好的添加劑注入刀盤、土倉內(nèi)，使之與渣土混合，添加劑主要有高分子聚合物、膨潤土、泡沫劑，使用時配合使用以達(dá)到土倉內(nèi)土質(zhì)均勻易輸送的效果。

管節(jié)的理論出土量為4.5×7.7×1.5=52m3，土倉內(nèi)均勻充盈后，土倉壓力便取決于進(jìn)尺和螺旋輸送機(jī)出土量，在頂進(jìn)過程中通過觀測土倉壓力傳感器顯示的土倉壓力實(shí)測值與設(shè)定值進(jìn)行比較，判斷土倉壓力的偏差。通過調(diào)整頂進(jìn)速度與出土速度，力爭出土量理論與實(shí)際保持一致，使土倉壓力保持相對穩(wěn)定，防止出現(xiàn)較大波動。實(shí)踐中采用上述技術(shù)措施后，能夠控制土倉壓力的實(shí)測值與設(shè)定值基本一致，實(shí)現(xiàn)土壓平衡以保持開挖面穩(wěn)定。

3.2.2 施工措施實(shí)例

改良渣土的高分子聚合物添加劑功效主要在于分離或中和粘性土中的陰陽離子，降低其吸附性能，從而起到改善渣土的流動性、充盈土倉、降低結(jié)餅等作用，起效很快，但其使用效果與濃度有很大關(guān)系。

本工程頂進(jìn)到22環(huán)時，掘進(jìn)速度明顯下降扭矩上升很快，發(fā)現(xiàn)問題后，我項(xiàng)目部及時采用高分子聚合物和泡沫劑對土體進(jìn)行改良，但是效果不明顯。開倉后發(fā)現(xiàn)刀盤泥結(jié)餅現(xiàn)象嚴(yán)重。與高分子添加劑廠家溝通后認(rèn)識到，高分子聚合物是一種分子量很大的長鏈化合物，具有很強(qiáng)的吸水能力，在砂層中稀釋濃度較高（2‰～5‰），使它能夠吸收水分，粘集沙粒。而在粘土層中要以很低的稀釋濃度（0.3‰～1‰）來使用，這是因?yàn)樵谡惩林兄饕强扛叻肿尤芤褐须x子的分散性和高分子的潤滑性在作用于渣土，必須濃度很低，否則它會吸收粘土中的水分，使渣土更易結(jié)塊，起反作用。經(jīng)試驗(yàn)確定選用1‰陰離子高分子溶液按土體比重5%添加達(dá)到的最佳效果。

4 頂進(jìn)中減摩及防背土措施

4.1 摩擦力及減阻原理

頂進(jìn)過程中管節(jié)與土層摩擦力逐漸增大，需采用泥漿套技術(shù)減摩，即通過管道向外壁壓注減摩泥漿，在外壁四周形成一圈泥漿套以減小摩擦力，管道的最大摩阻力可按照《頂管工程施工規(guī)范》公式計(jì)算，總頂力為迎面阻力與周邊摩擦力之和。管道外壁與土的平均摩阻力為一常數(shù)，在減摩泥漿中根據(jù)地層不同取值在4.0~16.0之間，此處黏土中取5.0kN/m2。

所以最大摩擦力Ff=管節(jié)外周長×總長×5.0kN/m2，經(jīng)計(jì)算為7112kN。摩擦力隨頂進(jìn)距離的增加而增大。在頂進(jìn)過程中，主頂力應(yīng)緩慢增大無突變。最大推力F總=NF+Ff=3742+7112=10854kN，約1085t。其中摩阻力占約711t，為主要阻力。

要達(dá)到理論計(jì)算的減摩效果，良好減阻效果的實(shí)現(xiàn)通常通過向管道與地層之間環(huán)向注入減摩泥漿來實(shí)現(xiàn)，在注漿泵的作用下，泥漿在土層中滲透擴(kuò)散，并與土壤混合形成凝膠體，隨著凝膠體持續(xù)生成，形成不透水且能阻止泥漿繼續(xù)擴(kuò)散的泥漿套。泥漿套成形后減摩泥漿的注入壓力逐漸升高，當(dāng)管節(jié)四周充滿泥漿時，頂進(jìn)管則被泥漿懸浮液包圍受到浮托作用，這樣管道在泥漿的包圍中其減摩效果將是非常明顯的。

4.2 泥漿減阻施工措施

本項(xiàng)目所處地層以淤泥質(zhì)黏土為主，對泥漿的封閉效果較好，泥漿配比只需考慮①良好的減摩性：泥漿注入地層后能迅速變成膠凝狀，能有效堵塞地層縫隙；②足夠的稠度：使泥漿在河道下富地下水地層中能保持長時間的性能；③良好的化學(xué)穩(wěn)定性：各成分的性能不受地下水中鹽類影響。根據(jù)以上要求，經(jīng)試驗(yàn)，泥漿采用如表1配比。

表1 減阻泥漿配比表

施工時應(yīng)加強(qiáng)潤滑泥漿的管理，確保注漿和頂管機(jī)頂進(jìn)的同步性，使?jié){液能及時填充頂進(jìn)時出現(xiàn)的建筑空隙。注漿時壓力控制在50kPa左右。為了保證注漿效果，每節(jié)的注漿量應(yīng)取理論值的2～3倍。如下式：V=（4.52×7.74-4.5×7.7）×1.5×（200～300%）=1.00～1.51m3。

在始發(fā)井洞口止水裝置前的建筑空隙處設(shè)置3~4個注漿孔，當(dāng)管道外壁進(jìn)入洞內(nèi)，未與土體磨擦之前就先涂滿漿液。減摩泥漿隨管外壁向土體滲入，這樣可以避免管外壁入土后產(chǎn)生背土的現(xiàn)象。

頂管到達(dá)時，由于頂管掌子面反力減小、喪失，在頂管機(jī)靠近地下連續(xù)墻時，在頂管機(jī)內(nèi)部二環(huán)注漿孔注入雙液漿，快速止水。破除洞門后，快速頂至預(yù)定位置，快速封堵洞門間隙。頂管結(jié)束后，將外壁的減摩泥漿置換為1:1水泥凈漿以加固外側(cè)土體，消除今后在使用中可能發(fā)生的不均勻沉降。

4.3 防背土處理措施

穿越河道的淺埋矩形頂管因上方土體強(qiáng)度較小，而摩擦接觸面積比圓管大，在頂管頂進(jìn)施工過程中很容易因頂管機(jī)頭、管節(jié)摩擦力帶動其上方土體向前移動，形成頂管背土現(xiàn)象。淺埋矩形頂管工程應(yīng)針對具體地形采取必要的措施避免整體背土現(xiàn)象的發(fā)生。

在施工前，根據(jù)地形及經(jīng)驗(yàn)判斷，頂進(jìn)機(jī)由河岸向河道頂進(jìn)過程中河道中缺乏對河岸部分的支撐，易發(fā)生背土事故。背土現(xiàn)象一旦發(fā)生，處理難度較大。國內(nèi)相關(guān)項(xiàng)目有刀盤前方地面堆載法、隔斷墻法等預(yù)防措施，本項(xiàng)目結(jié)合地形特點(diǎn)采取施作隔斷墻等措施做預(yù)先處理，收到了良好效果，處理方案如圖2、圖3。

圖2 防背土隔斷墻示意圖

圖3 防背土鋼板樁隔斷墻施工圖

隔離墻原理在于切斷頂管頂部土摩擦力傳導(dǎo)，利用墻的整體性擴(kuò)大了后部土體的受力面積，使其能夠保持穩(wěn)定并不影響墻前部土體，國內(nèi)其他項(xiàng)目資料中，隔斷墻采用混凝土施工，全部設(shè)于地下，我項(xiàng)目綜合考慮在河中施工，兼顧成本及工期后，選用了可快速施工并回收的拉森Ⅳ型鋼板樁，在靠近出發(fā)側(cè)的河中施作了兩排鋼板樁，并在樁間填土形成一道隔斷墻，隔斷墻長12m、寬1m、樁底標(biāo)高高于管節(jié)頂0.5m，兩端折向河岸，并在封閉區(qū)域內(nèi)填砂土以加重并向河岸提供反力。

開始頂管到第12、13環(huán)時，前方反映阻力有所增大，調(diào)整土倉壓力后繼續(xù)頂進(jìn)，后據(jù)沉降觀測部門反饋，管節(jié)頂部河岸累計(jì)沉降達(dá)到12mm，并向河中位移5mm，數(shù)據(jù)顯示管節(jié)摩阻力對地面已產(chǎn)生影響，但隔斷墻監(jiān)測無位移，未發(fā)生明顯背土效應(yīng)，取得了良好的效果。

5 結(jié)語

在本工程矩形淺覆土頂進(jìn)施工過程中，首先要嚴(yán)格控制土倉壓力、頂進(jìn)速度和出泥量3個參數(shù)，使之相互適應(yīng)。同時采用了減摩泥漿壓漿控制技術(shù)、防背土措施后，頂管通道順利貫通。通過文中所述的措施，可以有效提高淺埋頂管穿越河道施工的成功率。