超大直徑頂管穿越河道淺覆土?xí)r的施工技術(shù)研究*

朱新華 毛海明 黃金明 趙國強(qiáng)

1. 上海市城市排水有限公司 上海 200233；2. 上海城建市政工程（集團(tuán)）有限公司 上海 200065

1 工程概況

上海市污水治理白龍港片區(qū)南線輸送干線完善工程（東段輸送干管）SST2.4標(biāo)采用2Φ4 000 mm鋼筋混凝土頂管施工。工程位于浦東新區(qū)川沙地區(qū)，主要沿迎賓大道南側(cè)和北側(cè)綠化帶敷設(shè)，線路為迎賓7#井（含）～遠(yuǎn)東3#井（含），總長8 708.8 m。其中遠(yuǎn)東1#～遠(yuǎn)東2#頂管區(qū)間中遠(yuǎn)東1a#～遠(yuǎn)東2#長度為892.9 m，管間中心距為 9.6 m。遠(yuǎn)東1a#井和遠(yuǎn)東2#井管中心標(biāo)高均為－8.37 mm，平水直線頂進(jìn)。當(dāng)頂進(jìn)到約288.8～485.4 m段時(shí)，頂管下穿沙泥河，河底最深標(biāo)高約為－1.18 m；當(dāng)頂進(jìn)到約410～440.3 m段時(shí)，頂管下穿浦東新區(qū)永安制塑廠外的駁岸方樁，方樁尺寸為200 mm×200 mm，樁長5 m，樁底標(biāo)高約－1.30 m；當(dāng)頂進(jìn)到約846.2～862.8 m段時(shí)，頂管下穿中橫港，河底標(biāo)高約為－0.03 m；頂管出洞口處無管線，進(jìn)洞口處有給水、電力等管線（圖1）。

圖1 工程概況

本工程頂管覆土厚度約為6～12 m，覆土淺薄處皆為穿越河浜及溝渠處。頂管所穿越的土層主要為④層淤泥質(zhì)黏土和⑤1灰色黏土，該土層分布穩(wěn)定，厚度較厚，但土質(zhì)較差，呈流塑狀，施工易受擾動(dòng)，容易導(dǎo)致開挖面失穩(wěn)。由于混凝土管節(jié)及工具管質(zhì)量較大，土體較軟，頂管進(jìn)出洞和軸線控制難度相應(yīng)增大，易發(fā)生各種失穩(wěn)問題。場地地下水埋藏較淺，地下水對頂管施工影響很大。淺層潛水由于頂管開挖出土產(chǎn)生水頭差而滲流，導(dǎo)致粉性土產(chǎn)生流砂，對頂管施工不利。

2 工程難點(diǎn)、風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)及相應(yīng)對策

本工程是目前世界管徑最大的平行頂管項(xiàng)目，且在過程中穿越河流，河道段的覆土厚度小于5 m，為淺覆土頂管施工。本工程的施工難點(diǎn)、風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)及相應(yīng)對策如表1所示。

表1 工程施工難點(diǎn)、風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)及相應(yīng)對策

3 頂管設(shè)備選型

3.1 頂管機(jī)介紹

本工程采用全新研制的大刀盤泥水平衡式頂管機(jī)施工，對面板上的刀頭、刀座和布置形式，進(jìn)泥口的大小，機(jī)內(nèi)泥水管路的布置都進(jìn)行了改進(jìn)。

本頂管機(jī)采用泥水自動(dòng)平衡系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遙控操作并集合數(shù)據(jù)采集和數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)后續(xù)可進(jìn)行頂管機(jī)盾構(gòu)化改造。

3.2 頂管機(jī)特點(diǎn)

（a）使用設(shè)置在中控室的觸摸屏控制臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制操作。

（b）頂管掘進(jìn)機(jī)采用變頻電機(jī)，頻率設(shè)定范圍為10～50 Hz，同時(shí)可選擇刀盤旋轉(zhuǎn)方向，符合實(shí)際施工工況的需要。

（c）采用變頻調(diào)速技術(shù)的進(jìn)排泥水泵裝置，通過調(diào)節(jié)進(jìn)泥量和排泥量使泥水倉壓力與開挖面水土壓力達(dá)到平衡。

（d）頂管機(jī)機(jī)尾設(shè)置遠(yuǎn)程控制同步注漿裝置，并設(shè)置壓力表及流量計(jì)，確保頂進(jìn)過程中建筑空隙及時(shí)填充，對減小沉降及頂力控制有積極作用。

4 開挖面穩(wěn)定控制技術(shù)

泥水平衡頂管施工時(shí)，開挖面的穩(wěn)定機(jī)理是以泥水壓力來抵抗開挖面的土壓力和水壓力，同時(shí)主要以泥水壓力控制開挖面變形和地層變形。

當(dāng)泥水壓力大于地下水壓時(shí)，泥水會(huì)滲透進(jìn)入土中，在土壤的孔隙之中形成一定比例的懸浮液，由于土與泥水之間的作用力，懸浮液中的懸浮顆粒會(huì)凝聚在泥水與土體的接觸表面，進(jìn)而形成一道滲透性很小的泥膜[1]。只有形成泥膜，泥水倉的泥水壓力才能有效地作用在開挖面后的土體上，從而防止開挖面的變形及坍塌，確保施工過程中的開挖面穩(wěn)定性。

4.1 泥水倉壓力控制技術(shù)

通常，密封倉泥水壓力的調(diào)節(jié)主要靠調(diào)整頂管機(jī)的推進(jìn)速度、泥漿性質(zhì)和排泥管以及進(jìn)泥管的泥水流量來控制，其設(shè)定流程見圖2。

圖2 泥水壓力設(shè)定流程

4.1.1 進(jìn)泥和排泥速度

當(dāng)其他施工因素不變時(shí)，在泥水循環(huán)中，通過進(jìn)出漿量的平衡使得泥水倉中的泥水維持在一定壓力下，通過改變進(jìn)漿量和出漿量可以控制開挖面的支撐壓力值。當(dāng)排泥速度過大而泥漿進(jìn)入泥水倉速度過小，則開挖面處在欠支護(hù)狀態(tài)，泥水倉壓力下降；而當(dāng)排泥速度過小而泥漿進(jìn)入泥水倉速度過大，則開挖面處在超支護(hù)狀態(tài)，泥水倉壓力上升[2]。

4.1.2 頂管推進(jìn)速度

頂管推進(jìn)速度的增加意味著單位時(shí)間開挖土體體積的增大，若其他因素保持不變，則更多的土體成為泥漿而滯留在泥水倉中，因此泥水倉受擠壓壓力會(huì)增高。反之，推進(jìn)速度的減小使泥水倉泥水壓力減小。

4.1.3 泥漿性質(zhì)

根據(jù)泥水倉泥水壓力與其主要影響因素的關(guān)系，在正常施工過程中的泥水倉壓力控制方法如下所述：

（a）開挖面完全與頂管機(jī)內(nèi)隔絕，要在泥水倉內(nèi)布置壓力傳感器（需在頂管機(jī)中上部布置），通過傳感器隨時(shí)測量頂進(jìn)過程中的泥水壓力；

（b）由于泥漿重力影響，對黏聚力較小的地層，往往會(huì)在開挖面頂部形成一定體積的空腔，當(dāng)空腔較小時(shí)對地面沉降影響較小，當(dāng)空腔較大時(shí)開挖面就會(huì)產(chǎn)生較大沉降。為了保持泥水壓力支護(hù)的有效性，須控制泥水倉泥漿充滿；

（c）操作人員通過地面操作室內(nèi)的顯示屏觀察頂進(jìn)泥水壓力和設(shè)計(jì)泥水壓力的偏差值以及現(xiàn)場地表監(jiān)測數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)頂進(jìn)速度，控制地表變形；

（d）若實(shí)際泥水壓力與設(shè)定值之間差值很大，則應(yīng)查明原因并采取對應(yīng)措施，同時(shí)加強(qiáng)對周圍環(huán)境影響的檢查；

（e）壓力調(diào)控范圍的確定。在泥水控制過程中，須控制泥水壓力不超過主動(dòng)控制線和被動(dòng)控制線界定的范圍。

4.2 不同情況的泥水倉壓力控制措施[3-5]

4.2.1 頂管進(jìn)、出洞時(shí)泥水倉壓力控制

頂管進(jìn)、出洞口段通常為加固區(qū)域，頂管要在進(jìn)出洞口段建立泥水平衡，必須要具備較好的洞口止水條件，既能防止大量泥水浸入井內(nèi)，又能保證泥水倉的泥水壓力平衡與穩(wěn)定，這時(shí)可以考慮止水裝置。

4.2.2 掘進(jìn)速度與泥水倉壓力控制

開始推進(jìn)和結(jié)束頂進(jìn)之前的速度不宜過快，與泥水壓力相匹配，保證開挖面的穩(wěn)定和相對地層的干擾。一環(huán)掘進(jìn)的過程中，掘進(jìn)速度應(yīng)盡量保持恒定，減少波動(dòng)，以保證泥水壓力穩(wěn)定和進(jìn)、排泥管的暢通。

4.2.3 頂管停機(jī)時(shí)泥水倉壓力控制

頂管停機(jī)時(shí)，開挖面泥水壓力往往會(huì)有所下降，開挖面的穩(wěn)定性會(huì)受到影響，因此在頂管停機(jī)之前減少排泥量，通過擠壓提高倉內(nèi)液體濃度以提高停機(jī)時(shí)泥水倉內(nèi)的泥水壓力。

4.2.4 穿越河道時(shí)的泥水倉壓力控制

穿越河道時(shí)，為防止由于泥水倉壓力過大，導(dǎo)致河底穿孔造成漿液上串和河水下滲，故需嚴(yán)格控制泥水倉壓力。穿越河道頂進(jìn)施工過程中泥水倉壓力比正常頂進(jìn)過程中小0.1～0.2 MPa，同時(shí)保持壓力的穩(wěn)定。

5 注漿減阻技術(shù)

5.1 注漿工藝

注漿為三條線：一是機(jī)尾同步注漿，二是沿線的管道補(bǔ)漿，三是洞口處的注漿。

5.1.1 機(jī)尾同步注漿

觸變泥漿由地面液壓注漿泵通過D50管路壓送到1#注漿泵站，再由1#注漿泵站向機(jī)尾壓漿。機(jī)頭后的同步注漿的漿套應(yīng)該隨著機(jī)頭的頂進(jìn)不斷向前延伸。在機(jī)頭處安裝隔膜式壓力表，以檢驗(yàn)漿液是否到達(dá)指定位置。同步注漿的壓力應(yīng)與靜止土壓力平衡，對于本工程的黏土，注漿量為建筑空隙的2 倍左右。

5.1.2 沿線的管道補(bǔ)漿

沿線的管道補(bǔ)漿按順序依次進(jìn)行，每班不少于2 次循環(huán)，定量壓注。補(bǔ)漿量根據(jù)892.9 m的頂進(jìn)長度基本確定為同步注漿量2 倍。

5.1.3 洞口處的注漿

在工作井洞口止水裝置前的建筑空隙處設(shè)置3～4 個(gè)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浸滿漿液。觸變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。

5.1.4 穿越河道淺覆土注漿

在頂管穿越河道淺覆土進(jìn)行壓漿時(shí)，嚴(yán)禁對管道頂部和頂部注漿孔進(jìn)行注漿，防止由于注漿壓力造成河底穿孔及管道上浮等現(xiàn)象。穿越河道淺覆土注漿應(yīng)在管道兩側(cè)注漿孔進(jìn)行壓注，并且嚴(yán)格控制注漿壓力和注漿量。

5.2 觸變泥漿的配方和性能指標(biāo)

本工程采用觸變泥漿的配方和性能指標(biāo)如表2所示。

表2 觸變泥漿的配方和性能指標(biāo)

5.3 頂力控制效果

通過以上注漿工藝，頂管的頂力得到了較好的控制，穿越河道段通過各施工參數(shù)的調(diào)整優(yōu)化頂力也無明顯變化。

5.4 減摩效果

本段頂管只在頂進(jìn)初始階段f值接近5 kPa，在其后頂進(jìn)中f值基本保持在1 kPa左右，減摩效果十分明顯。

6 頂管頂進(jìn)控制技術(shù)

6.1 頂進(jìn)速度控制

在穿越河道前頂進(jìn)速度保持在50～60 mm/min，穿越河道淺覆土施工過程中控制在35～45 mm/min，防止由于頂進(jìn)速度過快導(dǎo)致偏差過大和管道糾偏產(chǎn)生分力，引起管道上浮等不利情況出現(xiàn)。在頂進(jìn)時(shí)應(yīng)對頂進(jìn)速度作不斷調(diào)整，找出頂進(jìn)速度、泥水倉壓力、泥漿性質(zhì)的最佳匹配值，以保證頂管的頂進(jìn)質(zhì)量。

6.2 頂進(jìn)姿態(tài)控制

（a）施工過程中，應(yīng)該貫徹勤測量、勤糾偏、微糾偏的原則；

（b）應(yīng)該確定頂管姿態(tài)的報(bào)警值，當(dāng)頂管姿態(tài)達(dá)到報(bào)警值時(shí)，現(xiàn)場施工人員必須遵循逐級匯報(bào)制度；

（e）頂管的糾偏操作應(yīng)根據(jù)頂管姿態(tài)變化曲線圖經(jīng)過分析以后作出糾偏的方案；

（f）0.5°以上的大動(dòng)作糾偏須盡量避免并慎重討論，不得已時(shí)也應(yīng)爭取在非重要地段進(jìn)行并加強(qiáng)觀測；

（g）糾偏操作應(yīng)參考頂進(jìn)過程中的機(jī)頭姿態(tài)變化曲線圖，貫徹勤糾、微糾的原則。

采用以上技術(shù)方法，頂管軸線一直處于受控狀態(tài)，頂管機(jī)的偏差控制在設(shè)計(jì)規(guī)定范圍之內(nèi)。

7 結(jié)語

在本工程超大直徑頂管淺覆土頂進(jìn)施工過程中，首先要嚴(yán)格控制泥水倉壓力、頂進(jìn)速度和出泥量3 個(gè)關(guān)鍵參數(shù)相適應(yīng)，還要嚴(yán)格控制頂進(jìn)方向，盡量避免因工具管糾偏引起的地層損失。同時(shí)，采用了觸變泥漿壓漿控制技術(shù)、信息化施工控制技術(shù)，最終在穿越沙泥河、駁岸方樁及中橫港后，頂管隧道順利貫通。通過文中所述措施的采用，可以有效提高淺覆土頂管施工的成功率。