在特殊地質情況下頂管施工技術淺談

【摘要】伴隨著頂管技術在市政工程管網工程建設中廣泛運用，頂管穿越遇到的地質、地下水及地面環境等情況越來越復雜，文章結合個人設計和施工服務中遇到的情況，通過將頂管施工技術與各種地基加固技術進行有效結合，均順利、安全解決了在特殊地質情況下的頂管問題。

【關鍵詞】明挖敷設；暗挖敷設；頂管；注漿加固；水泥攪拌樁；高壓噴射注漿

1、概況

目前城市管網的敷設有兩種方式：一是明挖，另一種暗挖。頂管作為最常用的一種暗挖敷設技術，我國自1953年開始采用頂管法施工以來，經過幾十年的工程實踐，頂管技術已比較成熟。

頂管優點：a）、占地面積少，可節約用地；b）、減少沿線的拆遷工程量；c）、地面活動不受影響，可保持交通運輸暢通無阻；d）、不破壞現有的管線和構筑物，不影響其正常使用；e）、施工噪音低，減少對沿線環境的破環。

頂管分類：按頂管位于地下水位以上、下可將頂管機分為：敞口類頂管機和平衡功能類型的頂管機兩大類

而敞口類頂管機又可依據土質情況可細分為：

a）、機械式頂管機——采用機械掘進的頂管機，可用于巖層、硬土層和整體穩定性較好的土層。

b）、擠土式頂管機——依靠頂力擠壓出土的頂管機，可用于流塑性土層。

c）、人工挖掘頂管機——這是一種最簡單的頂管機，其工作面一目了然，采用手持工具開挖的，排障容易，可用于地基強度較高的土層。

平衡類頂管機可細分為：

a）、土壓平衡式頂管機——通過調節出泥艙的土壓力穩定開挖面，棄土可從出泥艙排出的頂管機，可用于淤泥和流塑性粘性土。

b）、泥水平衡式頂管機——通過調節出泥艙的泥水壓力穩定開挖面，棄土以泥水方式排放出的頂管機，可用于粉質土和滲透系數較小的砂性土。

c）、氣壓平衡式頂管機——通過調節出泥艙的氣壓力穩定開挖面，棄土以泥水方式排放出的頂管機，可用于有地下障礙物的復雜土層。

注：頂管機選型參數表可參考《給水排水工程頂管技術規程》（CECS 246 ：2008）。

2、頂管技術在特殊地質情況下的應用

對于頂管在穩定土層中穿行，目前現有相關的頂管技術規程有十分詳細的介紹，不作為本文關注的重點。本文將重點談談在各種特殊地質情況下頂管技術的應用。

情況一：頂管在N小于5的淤泥或淤泥質土層頂進，可否需要全段對其進行加固？或者僅在進、出洞口段加固，中間段可以不加固，是否可行？

根據地下管道施工規范中，對地基都有一定的要求，對軟土地基都要求進行軟基處理。但對于頂管施工而言，一般都使用天然地基，而不對地基進行加固處理。但若是頂管碰到軟土地基，特別是淤泥土層，其對頂管的影響以及是否需要進行軟基處理的技術界定已經成為一個急需解決對問題。

因為單從承載力分析考慮：砼管在空管時的基底壓力較小，甚至小于在水中的懸浮承載力10kPa。但在管道頂完后和以后使用中管道都會泡水，所以在工程計算時應采用砼管的含水基底壓力。現以泥水平衡頂管機來說（以AVN1350機頭（德國海瑞克設備）為例計算砼管含水基底壓力和機頭基底壓力。

砼管含水基底壓力

Pg=（G砼管+G含水）/砼管基底面積=（4600+4800）/（1.6×3）=18.5kPa

由于機頭為偏心，故機頭的最大基底壓力為（在刀盤處）

Pj=G機頭（1+6e）/機頭基底面積=10×（1+0.35）/4.8=28Kpa

從上述計算可知，頂管的地基承載力應該很容易滿足，一般淤泥承載力大都是30～60Kpa，那是否就不需要進行加固呢？但大量的類似工程實踐經驗和教訓告訴我們[1]：頂管在淤泥及淤泥質土等軟土層頂進過程中，常出現機頭在離到達接收井附近（有時甚至距離長達20m之遠），持續下沉并且向上糾偏失效的現象，即使能實現機頭順利進入接受井，但管道累計下沉遠超排水管道標高允許值誤差值。而且，施工完畢后的管道仍然會出現大幅度的自然沉降、并且可能發生管節錯位的風險。因此，對于進、出洞口段加固是十分必要的，這可以理解為了施工精度的有保障，減少頂管施工過程中糾偏失效情況的發生。至于進、出洞口段加固長度宜取多少應根據各工程實際情況、及類似地段工程經驗等綜合考慮，最安全的處理方法是采用全頂管段地基加固。

對于淤泥或淤泥質土軟土地基加固選型方法具體可參見情況二。

情況二：頂管在不穩定土層（主要包括新填土、沖填土、雜填土或其他高壓縮性松散、易坍塌的土層）穿越，采用何種加固方法才能確保頂管施工的順利進行？具體需要根據場地空間大小、地面上是否滿足（允許）加固機械設備施工、地下水位等條件，選用a）、注漿加固法、b）、水泥攪拌樁法、c）、高壓噴射注漿法等。

a）、注漿加固法

壓力注漿法的原理是：壓力注漿法加固圖層是通過一定的壓力將可固化的化學漿液或水泥漿液注入地層土的裂縫或空隙，以改善地層的物理力學性質。

在采用壓力注漿方法加固污水管頂部和底部進行有壓注漿，使水泥漿液與土體膠結，提高土體的力學強度，避免在頂管掘進過程中發生坍塌，確保頂管能順利進行。

b）、水泥攪拌樁法

水泥土攪拌法分為漿液深層攪拌法（濕法）和粉體噴攪法（干法）。

水泥攪拌法適用于處理正常固結的淤泥與淤泥質土、粘性土、粉土、飽和黃土、素填土以及無流動地下水的飽和松散砂土、大于70%或地下水的pH值小于4時不宜采用干法。

水泥攪拌法是利用水泥、石灰等材料作為固化劑的主劑，通過特制的深層攪拌機械，在地基深處就地將軟土和固化劑強制攪拌，利用固化劑和軟土之間所產生的一系列物理化學反應使軟土硬結成具有整體性、水穩性和一定強度的優質地基。水泥攪拌法處理地基可增加地基承載力、減小沉降差、提高邊坡穩定性及擋水等。水泥攪拌法處理后的地基承載力提高1～1.5倍。

c）、高壓噴射注漿

高壓噴射注漿法適用于處理淤泥、淤泥質土、粘性土、粉土、砂土（特別在中粗砂層）、人工填土和碎石土地基。當地基中含有較多的大粒徑塊石、大量植物根莖或較高的有機質時，應根據現場試驗結果確定其適用性。對地下水流速度過大、噴射漿液無法在注漿套管周圍凝固等情況不宜采用。高壓旋噴樁的處理深度較大，目前最大處理深度已超過30m。

由于高壓噴射注漿價格為同規格水泥攪拌樁的4～5倍，因此采用高壓旋噴樁處理管道地基的地基處理施工工藝，只適用于水泥攪拌機鉆進的困難、水泥攪拌樁（機械）施工空間不足或環境條件（有高壓線、高架橋底等）不具備時的管道工程。

情況三：頂管在強、中風化巖穿越。

強、中風化巖條件下如果地下水含量較高就只能采用巖盤頂管機了。該機型的刀頭類似于牙輪鉆，可以在巖石中頂進，也是一種全土質的機型，但該機種的造價很高，而且目前在國內是一項空白。

3、結 論

通過將頂管技術與各種地基加固技術的有效結合，可解決實際工程中頂管穿越各類復雜土層的問題。本文多為本人設計和施工服務中遇到的情況，仍為個人的經驗之談，望各位專家、同仁批評指正。

參考文獻：

[1] 黎智恒，楊東明. 軟土地基對頂管施工的影響

[2] 李勁松，劉正雄，高俊合，黃銳文，陳德貴. 長距離泥水平衡頂管施工工法深圳市市政工程總公司

[3] 劉俊紅. 地下排水工程的頂管施工技術 . 鐵道運營技術 Vol.9 No.3 July，2003

[4] 王國英. 注漿加固在頂管施工的應用

[5] 陳海龍，劉華軍，徐磊. 淺談高壓噴射注漿在軟土地層頂管施工中的應用