高承壓水流沙層大口徑鋼頂管進(jìn)洞關(guān)鍵技術(shù)

王帥

（上海公路橋梁（集團(tuán)）有限公司，上海市200433）

高承壓水流沙層大口徑鋼頂管進(jìn)洞關(guān)鍵技術(shù)

王帥

（上海公路橋梁（集團(tuán)）有限公司，上海市200433）

為保證上海黃浦江上游水源地連通管工程中高承壓水流沙層大口徑鋼頂管的進(jìn)洞順利，針對該工程的地質(zhì)特點(diǎn)，提出了由沉井地基加固、降水、洞口高壓旋噴加固、深井降水、頂管機(jī)頭改造、頂管施工過程控制等組成的高承壓水流沙層大口徑鋼頂管進(jìn)洞關(guān)鍵技術(shù)，并成功應(yīng)用于工程實(shí)踐。工程實(shí)踐結(jié)果表明：所提出的頂管進(jìn)洞關(guān)鍵技術(shù)較好地保證了泥水平衡頂管在高承壓水、流沙層條件下的順利進(jìn)洞，較好地解決了復(fù)雜地層中上海黃浦江上游水源地連通管工程的施工技術(shù)難題，具有良好的技術(shù)推廣價值，同時也為其他類似工程的施工提供了實(shí)踐參考。

高承壓水；流沙層；頂管；降水；高壓旋噴

0 引言

頂管施工因速度快、造價低、設(shè)備簡單、對周邊影響小等優(yōu)勢，成為地下管道工程施工的首選，越來越廣泛運(yùn)用于城市給排水、排污、電力隧道等領(lǐng)域。泥水平衡頂管法是機(jī)械化頂管施工的主要方法之一，適用于各類黏土、粉土、砂質(zhì)粉土以及滲透系數(shù)較大的土層，但是在含有高承壓水的流沙質(zhì)土層中進(jìn)洞，確實(shí)存在很大的施工風(fēng)險，對施工管理及技術(shù)要求也非常高[1-8]。

因此，為保證上海黃浦江上游水源地連通管工程中高承壓水流沙層大口徑鋼頂管的進(jìn)洞順利，提出了由沉井地基加固、降水、洞口高壓旋噴加固、深井降水、頂管機(jī)頭改造、頂管施工過程控制等組成的高承壓水流沙層大口徑鋼頂管進(jìn)洞關(guān)鍵技術(shù)，并成功應(yīng)用于工程實(shí)踐。

1 工程概況

1.1 總體工程概況

黃浦江上游水源地作為上海市四大集中式飲用水水源地之一，在全市供水水源格局中占有重要地位，供水范圍涉及青浦、金山、松江、閔行和奉賢等地區(qū)，供水規(guī)模達(dá)351萬m3/d。連通管工程是黃浦江上游水源地的重要組成部分，主要建設(shè)內(nèi)容為輸水管線與松江泵站。

1.2 JB09～JB08頂管段工程概況

J B09～J B08段頂管（見圖1）共637.6 m，管道中心標(biāo)高為-8.0～-12.5m（下水頂進(jìn)），坡度為7.06‰，管道覆土深度9～12 m，主要涉及③3黏土、⑥1-1粉質(zhì)黏土、⑥1-2粉質(zhì)黏土、⑥2-1砂質(zhì)粉土、⑥3粉質(zhì)黏土夾粉性土土層（見圖2）。J B08號井洞口處有100 m大斷面⑥2-1砂質(zhì)粉土層，頂進(jìn)風(fēng)險較大。各土層性質(zhì)見表1。

圖1 工程示意圖

圖2 地質(zhì)剖面圖

2 沉井地基加固

2.1 地基加固

J B08號沉井井位約有一半位于河道內(nèi)（見圖3），為防止由于地基不均勻下沉引起井身開裂，需對沉井施工范圍內(nèi)的地基進(jìn)行加固。地基加固方案如下：

（1）在河道兩端施工圍堰，斷面為梯形，規(guī)格3 000 mm×7 500 mm×4 630 mm，兩側(cè)圍堰長度分別為17.0 m、27.1 m，圍堰完成后將圍堰內(nèi)水抽除；

（2）對圍堰內(nèi)的河道淤泥進(jìn)行清挖、外運(yùn)，并用碎磚等回填，回填標(biāo)高2.322m；

2.2 沉井下沉期間降水處理

J B08號井底板抗突涌穩(wěn)定條件：在底板至承壓含水層頂之間，土的自重壓力應(yīng)大于承壓水含水層頂處的承壓水頂托力，可按下式進(jìn)行承壓水位控制：

圖3 JB08號井位地基處理示意圖

式中：F為安全系數(shù)（取1.05）；hs為基坑開挖深度，m；D為安全承壓水頭埋深值，m；H為承壓含水層頂埋深值，m；γs為基坑底板至承壓含水層頂間的土層重度，k N/m3；γw為地下水的重度，10.0 k N/m3。

J B08號沉井刃角埋深20.80 m，參考T121號勘探孔，地面標(biāo)高取+2.18 m，⑥2層頂埋深取11.20 m（標(biāo)高-9.02 m），⑥2層底埋深取23.17m（標(biāo)高-21.12m）。由于J B08號沉井刃角埋深20.8m（標(biāo)高-18.75 m），已經(jīng)進(jìn)入了⑥2層微承壓水層。根據(jù)現(xiàn)場完成的⑦層承壓井觀測結(jié)果，該工程目前的⑦層承壓水埋深地面以下3.0 m（標(biāo)高-1.0 m），⑦層承壓水水位控制見表2。

根據(jù)穩(wěn)定性分析的結(jié)果，在J B08井位周邊布置12口降水、降壓井（見圖4）：⑥2層承壓水布置10口降水井，井深26.0 m；⑦2層承壓水布置2口降壓井，井深42.0 m。⑥2-1砂質(zhì)粉土滲透系數(shù)取3.0E-4，參考T121號勘探孔，地面標(biāo)高取+2.18 m，⑥2層頂埋深取11.20 m（標(biāo)高-9.02 m），⑥2層底埋深取23.17 m（標(biāo)高-21.12 m）。降水約3 d后，坑外水位云圖如圖5所示。

表1 土層工程地質(zhì)性質(zhì)表

表2 ⑦層承壓水水位控制埋深

圖4 JB08工作井降水井布置圖（單位：mm）

降水井降水期間監(jiān)測結(jié)果表明：降水井排水量非常大，水位持高不降，且靠近黃浦江一側(cè)的降水井水位比其他降水井水位上升速度快。沉井封底時也存在較大困難，因此采用分倉封底、留設(shè)卸壓孔逐步封底的方式。

圖5 沉井外水位云圖

3 洞口加固

3.1 洞口高壓旋噴加固

J B09～J B08頂管需穿越高壓鐵塔群（最近水平距離為6.0 m）及1 650 mm×1 050 mm排水箱涵（埋深約1.3 m，垂直交叉，距離管頂8.5 m）。為確保安全，對頂管穿越地層進(jìn)行了詳細(xì)復(fù)探，探測結(jié)果顯示：J B08號井位至東側(cè)小河浜⑥2-1砂質(zhì)粉土在高承壓水作用下，易產(chǎn)生流沙、管涌，且沉井施工期間通過降水觀測疑似⑥2-1砂質(zhì)粉土層與太浦河形成通道，導(dǎo)致地下水壓力過大，因此需對⑥2-1層承壓水影響較大的區(qū)域進(jìn)行土體加固[9-12]。

J B09～J B08為下水頂進(jìn)，坡度為7.06‰，且接近J B08號井洞口處有100 m大斷面⑥2-1砂質(zhì)粉土層，頂進(jìn)風(fēng)險較大，對此100 m土體進(jìn)行高壓旋噴加固，并在距離機(jī)頭正前方1.0 m及頂管機(jī)兩側(cè)1.2 m處打設(shè)三排800@600的高壓旋噴樁，與之前洞口加固形成封閉形狀。

高壓旋噴樁技術(shù)要求為：水泥采用強(qiáng)度等級不低于42.5級普通硅酸鹽水泥，水泥摻入量不小于25%；漿液水灰比為0.7～1.0，水泥土加固體的28 d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不低于1.0M P a。漿液擴(kuò)散半徑不小于0.40m，樁身間搭接長度不小于200mm；滲透系數(shù)不大于1×10 c m/s，樁長23.75m（+3.0 m～-20.75 m）。

當(dāng)此段頂管頂?shù)舰?-1砂質(zhì)粉土層時進(jìn)水管路將清水改為一定濃度的泥漿水，且管道內(nèi)放置一臺打土泵，以防頂管機(jī)在此段頂進(jìn)下磕時在機(jī)頭下部進(jìn)行打土。圖6為洞口旋噴樁加固與降水井布置示意圖。

3.2 深井降水

為了確保機(jī)頭能順利進(jìn)洞，在旋噴加固內(nèi)部布置5口降水井（編號1#、2#、3#、4#、11#），旋噴加固左側(cè)布置4口降水井（編號5#、6#、7#、8#），旋噴加固正前方布置2口降水井（9#、10#）。

圖6 洞口旋噴樁加固與降水井布置示意圖

4 機(jī)頭改造

為了確保工程進(jìn)度，適應(yīng)⑥1-1粉質(zhì)黏土及⑥2-1砂質(zhì)粉土土層，通過專家會議確定對機(jī)頭進(jìn)行改造，將原有土壓平衡機(jī)頭改為泥水平衡機(jī)頭。

（1）刀盤改造

原有刀盤為土壓平衡刀盤，將其改為泥水平衡刀盤。

（2）泥水系統(tǒng)

將原有的螺旋機(jī)出土拆除，增加機(jī)內(nèi)旁通，設(shè)置進(jìn)水、排泥管路，改為泥水系統(tǒng)，并增加機(jī)內(nèi)旁通的液壓控制系統(tǒng)。

（3）增加打土設(shè)施

為了確保在⑥2-1砂質(zhì)粉土土層頂進(jìn)的安全，擬在機(jī)頭內(nèi)增設(shè)打土設(shè)施。

5 頂進(jìn)控制

5.1 頂管軸線測量及糾偏控制措施

鋼頂管對偏差可以說是“零容忍”，偏差一旦存在，它將一直存在并危害整體，所以長距離鋼頂管中的大偏差是嚴(yán)格禁止的。發(fā)現(xiàn)方向的偏差必須立即控制，嚴(yán)防惡化。J B09-J B08段頂管施工距離長達(dá)637.6 mm，且為下坡頂管，下坡度7.06‰，且在流沙層中頂進(jìn)，軸線測量、糾偏任務(wù)異常艱巨。

針對措施：

（1）慢頂勤糾，頂進(jìn)軸線發(fā)生偏差時，通過調(diào)節(jié)糾偏千斤頂?shù)纳炜s量使偏差值逐漸減小并回至設(shè)計軸線位置。

（2）測量采用G P S技術(shù)測放控制網(wǎng)，頂進(jìn)方向由激光導(dǎo)向儀提供，過程中使用全站儀加密復(fù)測導(dǎo)向。

（3）在施工過程中，控制頂力及頂進(jìn)速度，應(yīng)貫徹“勤測、勤糾、緩糾”的原則，不能劇烈糾偏，以免對管節(jié)和頂進(jìn)施工造成不利影響。

（4）頂進(jìn)時應(yīng)及時掌握工具管的走勢，頂進(jìn)時可以通過觀察工具管的趨勢指導(dǎo)糾偏。

通過以上措施，該工程9次進(jìn)洞均實(shí)現(xiàn)精確進(jìn)洞，軸線最大偏差僅為5.4 c m。

5.2 注漿工藝革新

頂進(jìn)時頂力F計算：

式中：P為刀盤土對頂管機(jī)的作用力（一般刀盤前方土倉內(nèi)平均土壓力控制在0.1～0.15 MPa）;P為130～200 t;F摩為管道周圍土體作用在鋼管上的摩擦力。

式中：f為管道外壁與土的平均摩阻力,頂管頂進(jìn)時主要通過注漿孔向鋼管外側(cè)注入觸變泥漿降低平均摩阻力。

為了適應(yīng)鋼管在流沙土層中的頂進(jìn)，通過研究我們在傳統(tǒng)注漿工藝中加入高分子材料形成了系統(tǒng)性的膏漿技術(shù)，大大增強(qiáng)了觸變泥漿的保水性、耐久性、支護(hù)性等性能，注入的膏漿在管道外圍形成完整的泥漿套后，摩阻力可由1.2～2.0 t/m2降至0.09～1.1 t/m2。

6 結(jié)語

降水過程會引起地面下沉，所以要隨時觀測，以免對周邊的高壓鐵塔群產(chǎn)生影響。做好降水前的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，施工中加快管道的頂進(jìn)速度，并及時停止頂進(jìn)后的降水井的抽水，必要時在下沉部位進(jìn)行打土平衡，頂管完成后，對施工段進(jìn)行靜壓灌注水泥漿加固。通過以上措施，順利完成了大口徑鋼頂管在高承壓水、砂質(zhì)粉土層中的進(jìn)洞，并順利完成了洞口封堵。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，高壓塔群周邊地貌正常，無較大沉降。

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1009-7716（2017）06-0208-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.062

2017-04-05

王帥（1985-），男，上海人，碩士，工程師，從事城市市政工程建設(shè)工作。