富水砂層條件下穿越復(fù)雜線路小凈距超大直徑雙頂管施工技術(shù)研究

劉 飛，馬 強，李鐵軍，付 軒，魏紅波

（中鐵一局集團有限公司廣州分公司 廣州 510660）

0 緒論

頂管法施工是一種常用于敷設(shè)地下管線的非開挖技術(shù)，該技術(shù)保護環(huán)境效果良好［1-4］，對地層的適應(yīng)性較強。相較于盾構(gòu)法［5］施工及傳統(tǒng)的明挖法［6］等工法，在無干擾破壞建筑設(shè)施、施工質(zhì)量安全及施工經(jīng)濟利潤等方面，它都具有不可替代的優(yōu)越性。在實際工作過程中，能夠根據(jù)實際的技術(shù)要點，不斷糾正管道穿越地層時產(chǎn)生的植入偏差，保證管道工程的平衡。超大直徑且近距離的雙線頂管有著特殊的施工要求，所需的施工技術(shù)水平較高。富水砂地層有著較強的流動性，土層穩(wěn)定性差，施工控制效果將影響穿越既有建構(gòu)筑的安全。

程樂群［7］提出頂進施工過程對周邊建筑進行監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整施工控制參數(shù)，確保施工安全；丁猛猛等人［8］采用三維有限元方法模擬分析富水砂層條件下多排頂管工程不同頂管順序?qū)ぷ骶冃蔚挠绊?，并提出最?yōu)施工工序；李洪運［9］針對國內(nèi)超大直徑鋼頂管施工問題的研究，提出了更為完善的施工方案及保障措施；胡聰?shù)热耍?0］采用模型試驗與有限元方法分析雙線頂管施工對地表沉降的影響，并總結(jié)沉降規(guī)律。

針對富水砂層頂管施工難題，本文開展富水砂層條件下穿越復(fù)雜線路小凈距超大直徑雙頂管施工技術(shù)研究，降低對頂管上方道路及下方地鐵線路的影響，保證施工質(zhì)量與施工效率。

1 工程應(yīng)用概況

深圳某綜合管廊工程全長235.43 m，采用雙排圓形鋼筋混凝土頂管施工，頂管采用內(nèi)徑4 000 mm，壁厚320 mm，外徑4 640 mm，每節(jié)長2 500 mm 鋼筋混凝土管材，荷載等級Ⅲ級管要求，管道接口形式為柔性接頭，F(xiàn) 型鋼承口?；炷恋燃壊坏陀贑50，抗?jié)B等級P10，雙道楔形橡膠圈止水?？傞L度約2×240 m，雙排管，兩管凈間距1 160 mm，直線頂管。頂管下穿深南大道、上穿地鐵1 號線。設(shè)計縱坡坡度為0.2%，覆土深度5.5～5.8 m。本工程單段頂距較長，頂力較大，頂管穿越深南大道，需嚴(yán)格控制路面沉降。

2 關(guān)鍵施工技術(shù)

2.1 端頭加固

本工程工作井預(yù)留洞口較大，洞門所在地層為砂層，自穩(wěn)性較差，為減小破除洞門時坍塌的風(fēng)險，必須對洞門外側(cè)土體進行加固。工作井所處環(huán)境為重要的交通十字路口，施工場地有限，經(jīng)充分研究及結(jié)合場地條件，最終確定加固范圍為沿頂管方向4 m，頂管兩側(cè)各3 m，頂管管頂以上3 m，管頂以下4 m。

采用旋噴樁+雙液漿進行端頭加固。具體做法為：先用WSS 注雙液漿沿加固區(qū)外圍進行土體加固，WSS加固深度超過旋噴樁1 m，降低地下水流速，再使用高壓旋噴樁對加固區(qū)進行加固。

2.2 觸變泥漿+軟塑性黃泥護壁材料

由于頂管機頭外徑4 740 mm，管節(jié)外徑4 640 mm，導(dǎo)致管節(jié)壁后與土層之間有50 mm 空隙，按照常規(guī)做法，空隙采用觸變泥漿填充，控制沉降及減阻，但本項目富水砂層地質(zhì)，常規(guī)觸變泥漿難以滿足使用要求，故項目針對富水砂層地質(zhì)，研發(fā)了一種適用于砂層地質(zhì)條件下施工的觸變泥漿+軟塑性黃泥護壁材料，應(yīng)用于巖石頂管機外徑與管節(jié)外徑差造成的管節(jié)壁后縫隙填充，具有快速支護、減阻及防滲作用。

2.2.1 觸變泥漿的試配、制備

考慮到砂層穩(wěn)定性差的特點，人工造漿選用優(yōu)質(zhì)膨潤土為原料，并摻人適量的純堿（氫氧化鈉）、CMC、高分子材料（聚丙烯酰胺）配制而成，配合比如表1 所示。純堿可增大泥漿pH 值至8～10，加速膨潤土顆粒的分散，增強土的水化作用，提高泥漿的膠體率和穩(wěn)定性，高分子材料可使孔壁土表面形成薄膜防止孔壁剝落，降低失水量，提高粘度。

表1 膨潤土造漿配合比Tab.1 Mixing Ratio of Bentonite Slurry （kg）

根據(jù)地質(zhì)情況及覆土厚度，初步選擇泥漿性能為：粘度30 s，比重1.1～1.16，失水量小于25 cm3/30 min，始發(fā)前按此配比配置泥漿，始發(fā)后根據(jù)試驗段反饋情況動態(tài)調(diào)整泥漿性能指標(biāo)。

2.2.2 注漿孔布置

機頭后前三節(jié)管節(jié)每節(jié)均需布置注漿孔，以后每隔1節(jié)布置1道注漿孔（注漿孔內(nèi)必須安裝單向閥）。

觸變泥漿在地面造漿，用注漿設(shè)備通過注漿管輸送至管節(jié)內(nèi)，注漿設(shè)備采用SYB50/45-Ⅱ單缸液壓注漿泵，每分鐘流量可達80 L。

注漿壓力根據(jù)覆土厚度及土層容重計算，覆土厚度取6 m，頂管覆土主要以雜填土為主，容重取17 kN/m3，故土壓力為6×17/1 000=0.1 MPa，為使觸變泥漿能更好的填充縫隙，注漿壓力取0.12 MPa，在頂進過程中，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時調(diào)整。

2.2.3 軟塑性黃泥制備

打土壓力計算方式與觸變泥漿一致，取0.12 MPa，打土量應(yīng)根據(jù)壁后體積，打土量計算：

式中：λ為打土率（一般取150%～200%）；V為頂管施工引起的空隙（m3），V=π（D2-d2）L/4；D為頂管切削外徑（m）（削切外徑4.73 m）；d為預(yù)制管片外徑（m）（預(yù)制管片外徑4.64 m）；L為回填打土段長即預(yù)制管片每環(huán)長度（預(yù)制管片每環(huán)寬2.5 m）

根據(jù)公式計算得打土量Q=3.14×（4.732-4.642）×2.5/4×（150%-200%）=（2.5～3.3）m3，即注漿量為2.5～3.3 m3/環(huán)（2.5 m）。

同時，打土量因結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整，地面輕微隆起為最佳。

2.2.4 觸變泥漿及軟塑性黃泥施工工藝

在一節(jié)管頂進完成后，立即根據(jù)計算需求量在機尾處注軟塑性黃泥填充管節(jié)壁后縫隙，形成有效支撐，恢復(fù)頂進后，通過管節(jié)注泥漿孔向壁后注觸變泥漿，進一步填充管壁后縫隙，使觸變泥漿和軟塑性黃泥形成泥漿套，起到減阻、支護及防滲作用，施工過程如圖1、圖2 所示。

圖1 軟塑性黃泥打土系統(tǒng)Fig.1 Soft Plastic Yellow Mud Drilling System

圖2 觸變泥漿注漿系統(tǒng)Fig.2 Thixotropic Mud Grouting System

2.3 監(jiān)控測量

本項目頂管監(jiān)測主要分為地面沉降和運營地鐵1 號線盾構(gòu)自動化監(jiān)測，在頂管穿越深南大道主車道時，地面監(jiān)測評率為1 次/4 h；頂管穿越運營地鐵1 號線時，自動化監(jiān)測24 h不間斷監(jiān)測，為施工提供指導(dǎo)。

地面監(jiān)測沿頂管方向5 m一個斷面，每個斷面4個監(jiān)測點，監(jiān)測范圍為頂管一倍埋深。運營地鐵自動化監(jiān)測范圍110 m，13 個斷面，其中臨近施工區(qū)域5 m 一個斷面，其余區(qū)域10 m 一個斷面，每個斷面布置5 個監(jiān)測點。

2.4 雙排管間土體注漿加固

本工程頂管，左右線凈距僅1.16 m，左線頂管過程中，對左線周邊砂層產(chǎn)生擾動，進一步降低了砂層的穩(wěn)定性，右線頂管頂進時容易引起雙排管間砂層失穩(wěn)，導(dǎo)致上方土體塌陷，造成路面坍塌，為此，在左線施工完成后，需對雙排管中間砂層進行加固，保證右線施工過程的安全穩(wěn)定。加固完成后，按照左線頂管施工步驟進行右線的頂管施工。

為了促進套養(yǎng)混養(yǎng)工作，在常規(guī)的水產(chǎn)養(yǎng)殖工作中，可以為其套種鱖魚、甲魚等優(yōu)良品種。在養(yǎng)魚池塘內(nèi)，在執(zhí)行套養(yǎng)魚種的過程中，不需要為其增加飼料、肥料等，以免給商品魚的產(chǎn)量帶來很大影響，也能確保其培育出魚種，方便第二年對其放養(yǎng)，在這種情況下，不僅能更好的保證魚種的質(zhì)量，也能達到有效的成本節(jié)約目的。

對雙排管間砂層加固前，項目根據(jù)實際情況充分研討不同加固方式，因地下水豐富，且流速快，單純水泥漿加固難以固結(jié)，水泥漿+水玻璃雙液漿能快速凝結(jié)，具體配比如表2 所示，滿足加固效果，但考慮中間砂層如固結(jié)后強度過大，右線頂進時，會對左線造成較大干擾。在充分研究并通過實驗得出一種加固方式，采用水泥漿+水玻璃+膨潤土，既能保證雙排管間砂層固結(jié)，同時強度不會太高，減小右線頂進時對左線的干擾。

表2 雙排管間加固配比Tab.2 Reinforcement Ratio between Two Rows of Pipes （kg）

左線管節(jié)生產(chǎn)時，每節(jié)管靠右線一側(cè)預(yù)留了3 個5 寸注漿孔，左線頂進完成后，用A100 鋼花管從注漿孔插入雙排管中間砂層內(nèi)，管節(jié)內(nèi)造漿，漿液凝結(jié)時間控制在20～30 s，通過自行式注漿機向砂層壓漿。壓漿時，壓力控制在0.12～0.15 MPa，注漿過程中如遇注漿壓力突然增大，停止注漿，避免注漿對左線產(chǎn)生影響。沿左線全線向雙排管間土體注漿完成后，開始施工右線。

由于沿線沒有抽芯驗證加固效果的條件，項目在右線施工時，對左線進行監(jiān)測，驗證加固效果。左線每5 m 一個監(jiān)測斷面，每個斷面3 個監(jiān)測點，分別布置在管頂、管腰部兩側(cè)，用于監(jiān)測右線頂進時左線位移情況。同時根據(jù)地面監(jiān)測數(shù)據(jù)，反饋雙排管間砂層穩(wěn)定狀況。最終，右線頂進時左線監(jiān)測數(shù)據(jù)最大位移6 mm、地面監(jiān)測最大沉降-15 mm，均在控制值范圍內(nèi)，采用的加固方式有效。

2.5 頂管水下進洞施工

2.5.1 封堵墻

由于接收井北側(cè)連接管廊明挖接收，接收時，明挖結(jié)構(gòu)已施工完成，為了減小注水量，在接收井與明挖段連接處砌筑封堵墻。右線接收時，接收井左線處同樣做封堵墻，避免注入的水從左線流走。封堵墻采用灰砂磚砌筑，“三七”墻，內(nèi)設(shè)拉結(jié)井與管廊結(jié)構(gòu)或左線管節(jié)連接，墻后設(shè)置墻垛支撐并用工字鋼設(shè)置斜撐，保證墻體穩(wěn)定性。

2.5.2 接收井內(nèi)填粘土

接收井端頭注雙液漿時，漿液可能流入井內(nèi)，影響注漿效果，同時如果只注水，漿液進入井內(nèi)后，會將延伸軌道和頂管包住，影響后續(xù)頂管機吊出，故在接收井底板上2.5 m 范圍填粘土，對漿液反壓，防止?jié){液流入接收井。

2.5.3 注水

接收時，洞門止水簾布外翻，對于泥水阻擋效果不佳，并且接收井區(qū)域地下水位高、流速快，在接收過程中易發(fā)生涌泥涌沙，造成周邊地面塌陷。在接收井內(nèi)注水，注水深度高于地下水位50 cm，保持井內(nèi)外壓力平衡，可有效降低涌泥涌砂風(fēng)險，如圖3所示。根據(jù)地下水位實測數(shù)據(jù)，地下水位在地下3.1 m 處，機頭體積119.0 m3，接收井面積124.4 m2，機頭全部進入接收井后，水位上升0.95 m，故在接收前，接收井內(nèi)注水至地面以下2.15 m。

圖3 接收井內(nèi)填粘土、注水Fig.3 Clay Filling and Water Injection in Receiving Well

2.5.4 頂管機進入接收井

接收井內(nèi)注水完畢后，觀察1 h 水位變化，封堵墻穩(wěn)定狀況及有無滲漏水，無異常情況后，頂管機刀盤緩慢切削洞門區(qū)域剩余圍護結(jié)構(gòu)混凝土，待刀盤接近洞門止水簾布時，停止轉(zhuǎn)動，避免破壞止水簾布。

2.5.5 接收井端頭袖閥管注雙液漿

⑴頂管機到達加固區(qū)前，在接收井外側(cè)預(yù)留兩排袖閥管，袖閥管內(nèi)徑50 mm，間距1 000×1 000排列，梅花型布置，如圖4 所示。頂管范圍袖閥管深度至管頂，頂管范圍外袖閥管深度至管底。

圖4 袖閥管平面布置Fig.4 Layout Plan of Sleeve Valve Pipe

⑵頂管機完全進入接收井后，立即通過袖閥管注雙液漿，封堵管節(jié)壁后縫隙，阻斷泥水通道。

端頭注漿完成后，用水泵抽出接收井內(nèi)清水，第一次抽50 cm 后，觀察水位變化30 min，如果水位上升或下降，則說明端頭注漿封堵效果不好，需重新注漿。如水位沒變化，繼續(xù)抽排1 m，再次觀察水位變化，如此循環(huán)，直至將水抽排完成。

2.5.6 頂管機吊出

接收井內(nèi)清水抽排完成后，清除井內(nèi)粘土，分節(jié)吊出頂管機。頂管機吊頂管機吊裝采用的SAC3000 型汽車吊，其整機長度18 240 mm，整機寬度3 000 mm，高度4 000 mm；吊裝時最長主臂80 m，基本臂長15.4 m。主鉤和副鉤滿足頂管機吊裝作業(yè)。分兩節(jié)吊出，分別為前盾和刀盤、后盾。其中前刀盤和前盾重約95 t，后盾重約32 t。

3 結(jié)論

基于對綜合管廊頂管施工技術(shù)的研究，提出一種富水砂層條件下穿越復(fù)雜線路小凈距超大直徑雙頂管施工技術(shù)，采用觸變泥漿+軟塑性黃泥護壁材料，有效控制沉降，減小摩阻力；針對雙排管間土體進行注漿加固，保證后續(xù)頂管施工的安全；采用水下進洞施工控制技術(shù)，保證水下進洞施工的安全，同時提高施工效率；實現(xiàn)了富水砂層條件下穿越復(fù)雜線路小凈距超大直徑雙頂管的安全高效施工，取得顯著的經(jīng)濟效益，具體經(jīng)濟效益分析表如表3所示。

表3 經(jīng)濟效益分析Tab.3 Economic Benefit Analysis