大口徑頂管穿越粉細(xì)砂層技術(shù)難題及應(yīng)對(duì)措施

蔣平 陳德軍 黃意兵 宋曉陽 石瑞瑞

1.中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 天津 300374

2.中鐵上海工程局集團(tuán)有限公司 201906

引言

目前，隨著我國城市建設(shè)的發(fā)展，排水管道越埋越深，直徑越來越大，采用大口徑頂管的工程面對(duì)各種復(fù)雜地質(zhì)條件，尤其是遭遇長距離的厚粉細(xì)砂層地質(zhì)情況［1，2］，頂管機(jī)頭的方向?qū)㈦y以控制，直接影響工程的順利貫通，控制不當(dāng)還會(huì)造成危及人員生命安全的重大事故［3］。

某城市截流主干管道全長6434m，采用內(nèi)徑4m的鋼承口式鋼筋混凝土頂管，覆土深度近30m，且經(jīng)常需要排空檢修，對(duì)管材的抗?jié)B性能和接口的密封性能有較高要求。其中，在標(biāo)段Y6-Y7 中，頂進(jìn)長度到225m 時(shí)，前方地質(zhì)遇到了粉細(xì)砂層，出現(xiàn)了頂力驟增、機(jī)頭“磕頭”、頂進(jìn)、糾偏困難等問題，如果不及時(shí)采取工程措施進(jìn)行干預(yù)，機(jī)頭進(jìn)洞將非常困難，造成工程的重大損失。

對(duì)于上述問題，通過設(shè)計(jì)單位、施工單位和相關(guān)專家的反復(fù)論證，分別采取了一系列切實(shí)可行的處理措施，使頂管工程順利進(jìn)洞貫通，各項(xiàng)指標(biāo)滿足工程設(shè)計(jì)的要求。本文就本工程在穿越粉細(xì)砂層時(shí)遇到的問題進(jìn)行原因分析，并對(duì)采取的工程措施進(jìn)行總結(jié)，為類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供借鑒和幫助。

1 工程概況及地質(zhì)條件

截流主干管道Y6-Y7 采用內(nèi)徑4m 鋼承口式鋼筋混凝土頂管，長度1162m，曲線頂管，其中直線段長441m ＋294m ＝735m，曲線段長427m，曲率半徑2000m，管道路由地質(zhì)剖面如圖1 所示。從圖中可以看出，頂管在頂進(jìn)至225m 時(shí)，機(jī)頭穿過②2粉質(zhì)黏土夾粉土（Q4al）層，并且開始進(jìn)入②4粉土夾粉砂（Q4al）和②5粉砂夾粉土（Q4al）中。

圖1 管道路由地質(zhì)剖面Fig.1 Geological profile of pipeline route

工程區(qū)域土層自上而下可分為六層：

①素填土（Q4ml）：灰褐色，松散～稍密，稍濕，夾少量植物根莖、粉土、粉砂及碎石，主要由粉質(zhì)黏土組成，堆填時(shí)間3 ～5 年；層頂標(biāo)高4.77m ～6.75m，層厚1.90m ～5.90m；

②1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（Q4al）：灰色，流塑，局部夾腐植物，高壓縮性，韌性中等，干強(qiáng)度中等，稍有光澤，局部夾粉土薄層，土質(zhì)不均勻，分布尚穩(wěn)定；該層頂板標(biāo)高0.85m ～3.71m，層厚1.60m ～17.20m，fak＝70kPa；

②2粉質(zhì)黏土夾粉土（Q4al）：灰色，軟塑，局部流塑，夾粉土粉砂薄層，呈千層餅狀，具水平層理，粉土含量較高處，搖震反應(yīng)迅速，中等偏高壓縮性，韌性中等，干強(qiáng)度中等，稍有光澤，土質(zhì)不均勻，分布不穩(wěn)定；該層頂板標(biāo)高-9.61m ～-4.96m，層厚3.20m ～11.30m，fak＝90kPa；

②4粉土夾粉砂（Q4al）：灰色，稍～中密，濕，夾粉砂薄層，具水平層理，中等壓縮性，韌性低，干強(qiáng)度低，無光澤，搖振反應(yīng)迅速，土質(zhì)不均勻，分布不穩(wěn)定；該層頂板標(biāo)高-9.29m ～1.27m，層厚6.50m ～10.40m，fak＝120kPa；

②5粉砂夾粉土（Q4al）：青灰色，稍～中密，飽和，由石英、云母及暗色礦物組成，中等壓縮性，分選性好，級(jí)配差，土質(zhì)不均勻，局部為粉土，分布不穩(wěn)定；該層頂板標(biāo)高-16.26m ～-8.83m，層厚4.90m ～10.10m，fak＝150kPa；

②6粉砂（Q4al）：青灰色，中密～密實(shí)，飽和，由石英、云母及暗色礦物組成，中等壓縮性，分選性好，級(jí)配差，土質(zhì)不均勻，局部夾細(xì)砂，分布尚穩(wěn)定；該層頂板標(biāo)高- 21.99m ～-14.33m，該層在本次勘察中未揭穿，最大揭露厚度9.30m，fak＝170kPa。

2 “磕頭”現(xiàn)象及其應(yīng)對(duì)措施

2.1 原因分析

頂進(jìn)機(jī)頭出現(xiàn)下磕現(xiàn)象是大口徑頂管在粉細(xì)砂層施工中客觀相伴的，同時(shí)會(huì)引起地面下沉。主要原因：一是在地下水土浮力基本相同情況下，機(jī)頭自重遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于管節(jié)自重，機(jī)頭后管節(jié)在水土作用下形成一個(gè)向上的浮托力，使得機(jī)頭逐漸形成下偏趨勢(shì)；二是刀盤比管外徑大70mm，刀盤斷面過大（4710mm），底部砂土流速大于上部砂土流速，下部砂土流空增加形成機(jī)頭下陷趨勢(shì)。

2.2 應(yīng)對(duì)措施

1.加快頂速

增加頂力，快速頂進(jìn)，保持機(jī)頭前面形成一定的壓力，減少出漿量，加大注漿量。

2.增加管道剛度

機(jī)頭后面有3 節(jié)管道采用螺桿進(jìn)行管節(jié)間的剛性拉結(jié)，增加至10 節(jié)，使管道連接成一個(gè)剛性整體。

3.加強(qiáng)測(cè)量監(jiān)控

對(duì)出現(xiàn)的變化趨勢(shì)及時(shí)找出規(guī)律，頂進(jìn)過程中及時(shí)加以姿態(tài)糾正。

4.頂管機(jī)掌子面土體改良

頂管位于粉砂層中，粉砂層具有一定流動(dòng)性，且自穩(wěn)性差，頂管頂進(jìn)過程中易導(dǎo)致地面塌陷，頂進(jìn)過程中通過頂管機(jī)刀盤及胸板上設(shè)置的土體改良注漿孔向掌子面注入土體改良泥漿。即在頂管機(jī)刀盤前部注入相對(duì)容重達(dá)1.2的黏性泥漿，通過攪拌與砂水混合，在挖掘面形成泥漿護(hù)壁，保護(hù)掘進(jìn)機(jī)的地層不受擾動(dòng)。實(shí)現(xiàn)的方式需要在進(jìn)水管中摻入黏土漿，通過DN150 進(jìn)水管注入刀盤前艙內(nèi)。漿液在地面泥漿池?cái)嚢柚苽洌渲饕煞譃轲ね?，輔助采用陰離子聚丙烯酰胺（APAM）和纖維素（CMC）改良液漿，對(duì)掌子面土體進(jìn)行改良。加入改良漿液后，可同時(shí)增加出泥漿液的攜沙能力，減少堵管的機(jī)率。

5.打土糾偏

由于頂管穿越粉細(xì)砂土地質(zhì)，經(jīng)過刀盤擾動(dòng)，砂土不斷液化，承載能力降低，致使機(jī)頭出現(xiàn)“磕頭”現(xiàn)象，即使頂管機(jī)下部糾偏油缸全伸出，也不能形成向上的趨勢(shì)。打土糾偏即在機(jī)頭和前10 節(jié)管道下部鉆孔，接上管道，注入攪拌好的黏土，通過黏土頂托，使“磕頭”的機(jī)頭前節(jié)和后跟的管節(jié)抬升，強(qiáng)制形成向上的趨勢(shì)，從而達(dá)到糾偏目的。如圖2 和圖3 所示，為了抵抗注入黏土?xí)r的反作用力，在管道內(nèi)設(shè)置φ80mm 的鋼管支撐結(jié)構(gòu)。黏土采用成品袋裝黏土，黏土與水按1∶5 比例混合，拌合成不干不稀狀的黏土餅，要求具有可泵送性。頂管貫通后，打土孔即完成使命，采用注入水泥漿＋水玻璃雙液漿對(duì)孔道周圍土體進(jìn)行固化。固化后不漏水后方可拆除閥門，用鋼板焊死孔道。刷上防腐漆即可。由于每根管僅打一個(gè)小孔，不影響管道頂進(jìn)及今后使用。

圖2 管道打土糾偏管道示意Fig.2 Schematic diagram of pipeline excavation and deviation correction

圖3 打土糾偏管內(nèi)縱向布置Fig.3 Vertical layout diagram of soil excavation and deviation correction pipe

3 頂進(jìn)阻力成倍增加及其應(yīng)對(duì)措施

3.1 原因分析

由于頂管在前225m 時(shí)是在粉質(zhì)黏土夾粉土地層頂進(jìn)，后937m 進(jìn)入粉細(xì)砂層后，摩阻力增加，頂進(jìn)速度緩慢停止，泥漿被砂土和地下水混入，泥漿向地層中散溢流失，不能形成泥漿套，造成頂力過大。根據(jù)《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50268—2008）表6.3.4.2 中管外壁采用觸變泥漿潤滑措施的平均摩阻力，粉質(zhì)黏土3kPa ～5kPa，粉細(xì)砂土8kPa ～11kPa。鑒于砂層注漿效果較差，平均摩擦阻力均取大值，即粉質(zhì)黏土取5kPa，粉細(xì)砂土取10kPa。粉細(xì)砂土的平均摩擦阻力是粉質(zhì)黏土的兩倍，造成了頂進(jìn)阻力成倍增加。

3.2 應(yīng)對(duì)措施

1.加大注漿量，改變漿液配方

加大機(jī)頭和中間管道泥漿注漿量并及時(shí)補(bǔ)漿，重點(diǎn)要在機(jī)頭和中繼間采用同步獨(dú)立注漿措施，形成泥漿漿套，泥漿采用移動(dòng)式注漿機(jī)壓注濃泥漿（膏狀），主要作用是在管外壁與粉細(xì)砂地層之間形成一個(gè)泥漿套，然后用管道注入適宜砂層頂進(jìn)的專用泥漿（摻萬用王、攜砂劑）。原方案按1∶1 進(jìn)行注漿管和非注漿管配置，為降低頂力，后續(xù)頂進(jìn)的管道，增加注漿管，全部按帶注漿孔的管道進(jìn)行配置，使后續(xù)管道均能有效注漿。

2.增加中繼間數(shù)量

（1）頂進(jìn)阻力重新估算

根據(jù)《頂管工程施工規(guī)程》（DG／TJ 08-2049—2016）第7.4.1 條，經(jīng)計(jì)算：頂管機(jī)迎面最大阻力＝3.14 ×4.642×264／4 ＝4462kN。

工程開始時(shí)，地勘報(bào)告中頂管路由均在原地勘報(bào)告②2層粉質(zhì)黏土夾粉土地層中，頂進(jìn)至225m時(shí)頂力急劇增大，出土性質(zhì)變化較大，立即進(jìn)行了補(bǔ)勘，證明225m 后頂管已經(jīng)完全進(jìn)入粉細(xì)砂層?，F(xiàn)將兩種地勘結(jié)果下的頂進(jìn)阻力計(jì)算如下：

原地勘報(bào)告：

頂進(jìn)摩擦阻力＝3.14 ×4.64 ×1162 ×5 ＝84649kN

總頂進(jìn)阻力＝84649 ＋4462 ＝89111kN

新地勘報(bào)告：

總頂進(jìn)阻力＝152908 ＋4462 ＝157370kN

通過上述計(jì)算可知，總頂力由89111kN增大至157370kN，達(dá)到1.8 倍。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)千斤頂主頂實(shí)測(cè)頂力增大等因素，必須調(diào)整加密中繼間，方可頂進(jìn)。

（2）中繼間數(shù)量

中繼間數(shù)量按照《給排水頂管施工規(guī)程》（CECS 246—2008）中的公式（12.4.4）進(jìn)行計(jì)算：

按原地勘報(bào)告頂管路由均在②2層粉質(zhì)黏土夾粉土地層中，經(jīng)計(jì)算中繼間的個(gè)數(shù)為n＝5.3，共需設(shè)置6 個(gè)中繼間；按新地勘報(bào)告頂管路由部分在粉土夾粉砂地層，經(jīng)計(jì)算中繼間的個(gè)數(shù)為n＝8.5，共需設(shè)置9 個(gè)中繼間。

由于確定方案時(shí)頂管已經(jīng)頂進(jìn)至445m 處，前4 個(gè)中繼間已經(jīng)放置完成，其中1＃、3＃為鋼制中繼間，2＃、4＃為混凝土管式中繼間。根據(jù)實(shí)際頂力增大的情況，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安放間距進(jìn)行了縮短，間距由120m左右縮短至82m布置一個(gè)，5＃、6＃、7＃、8＃、9＃采用混凝土管式中繼間。最后一個(gè)中繼間距離主頂為362m，可以充分發(fā)揮主頂?shù)男省?/p>

（3）中繼間的配置

各中繼間具體設(shè)置位置如表1 所示。

表1 Y6＃～Y7＃段頂管中繼間布置Tab.1 Layout table of pipe jacking relay room in section Y6 ＃ to Y7 ＃

（4）中繼間技術(shù)參數(shù)

中繼間采用可拆卸式鋼筋混凝土管式中繼間，設(shè)置30 只800kN 中繼間千斤頂，最大總頂力24000kN，最大行程500mm，允許轉(zhuǎn)角1.2°。

3.管外壁熔蠟減阻措施

管道外壁熔蠟減阻措施是常用的管道外壁減阻措施。石蠟是憎水性材料，在64℃下就能融化，易于涂刷操作。打蠟是在頂管砂層中有效減阻的一項(xiàng)重要措施，管道頂進(jìn)前采用石蠟對(duì)每根管外壁進(jìn)行涂刷，安排專人（4 人）進(jìn)行，確保打蠟均勻、全面。并用噴燈烘烤融化與管外壁緊貼無氣孔，打蠟采用顆粒狀工業(yè)石蠟（本工程采用54 號(hào)半精煉石蠟）對(duì)管節(jié)外側(cè)通體打0.5mm ～1.0mm厚的石蠟。每根管需石蠟32.78kg。

4.加強(qiáng)軸線測(cè)量和管道張縫測(cè)量，形成日?qǐng)?bào)制度

加強(qiáng)管線高程、平面位置坐標(biāo)測(cè)量及張縫的測(cè)量，進(jìn)水泥漿比重、黏度，出水泥漿比重、粘度，頂進(jìn)最大壓力，啟動(dòng)后壓力，注潤滑漿的比重、粘度、壓力等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行及時(shí)記錄并報(bào)告，供操作人員、管理人員參考。同步調(diào)整包括泥水品質(zhì)、泥水壓力、頂進(jìn)速度等參數(shù)。

在實(shí)際施工中，由于采取了管外壁熔蠟減阻措施、加大注漿量、改變漿液配方和增加中繼間數(shù)量等綜合措施，起到了非常好的效果，頂進(jìn)至1115m時(shí)，頂力達(dá)到最大，啟用了14 支主頂和5個(gè)中繼間，總頂進(jìn)阻力＝14 × 2000kN ＋5 ×21000kN ＝133000kN。成功將總頂進(jìn)阻力控制在計(jì)算最大值（157370kN）以內(nèi)。

4 機(jī)頭進(jìn)洞糾偏困難及其應(yīng)對(duì)措施

4.1 原因分析

由于頂管穿越粉細(xì)砂土地質(zhì)，經(jīng)過刀盤擾動(dòng)，砂土不斷液化，承載能力降低，機(jī)頭接近目標(biāo)洞口時(shí)，機(jī)頭出現(xiàn)偏移難以精確控制，其糾偏工程中出現(xiàn)蛇形前進(jìn)的情況，如果不采取措施，機(jī)頭將不能順利進(jìn)洞。另外，管道地層處于粉細(xì)砂層，地下水位高，水頭壓力大，易形成流砂，順著機(jī)頭和管道外壁間隙涌入井內(nèi)。

4.2 應(yīng)對(duì)措施

在未頂進(jìn)段做了一段50m 長（從接收井洞口沿頂管軸線向Y6 井方向）的水泥攪拌樁進(jìn)行地層加固（如圖4 所示），以加固改良粉細(xì)砂層土質(zhì)，減少砂土流失，提高管底粉細(xì)砂土的承載力。

圖4 水泥攪拌樁加固地層Fig.4 Cement mixing pile reinforcement layer

本工程加固區(qū)域采用φ850＠600 的三軸水泥土攪拌樁，樁長30m，基本施工參數(shù)：采用強(qiáng)度等級(jí)不低于P32.5 普通硅酸鹽水泥，水泥摻入比為12%，水灰比為1.5，28d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度≥1.0MPa，透水系數(shù)不大于1 ×10-7cm／s，攪拌樁的垂直度偏差不應(yīng)大于1／200。

頂進(jìn)至加固體（1107m）時(shí)，Y6-Y7 段頂管首節(jié)管上偏296mm，左偏131mm，頂進(jìn)至接收井洞口（1157m）時(shí)上偏97mm，左偏100mm，機(jī)頭偏差處于可控狀態(tài)。注漿加固地層對(duì)頂管糾偏具有顯著作用，確保了機(jī)頭準(zhǔn)確進(jìn)洞。

5 結(jié)語

本文介紹了某內(nèi)徑4m 的鋼筋混凝土頂管穿越粉細(xì)砂層的工程實(shí)例，針對(duì)頂管過程中頂進(jìn)機(jī)頭“磕頭”現(xiàn)象、頂進(jìn)阻力成倍增加和頂進(jìn)糾偏困難等眾多問題，經(jīng)科學(xué)分析原因、多方論證和計(jì)算研究，在頂進(jìn)過程中通過增加中繼間數(shù)量和一系列減阻措施，并在機(jī)頭進(jìn)洞前進(jìn)行了粉細(xì)砂地層加固，有效控制了機(jī)頭的進(jìn)洞誤差。最終工程順利貫通，證明了本文分析計(jì)算和應(yīng)對(duì)措施正確有效，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可為類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供具有可操作性的借鑒。