復雜地層中頂管法施工存在的問題及采取的解決措施

閆 志 強， 鐘 湘

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

復雜地層中頂管法施工存在的問題及采取的解決措施

閆 志 強， 鐘 湘

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

以樂山市黑橋至王河園污水DN1000管道工程為例，從技術、經濟、安全角度出發，對明挖法、手掘式和機械式(泥水平衡)頂管三種施工方法進行了對比。對于一次性穿越回填土層、砂土層、粘土層及中等風化泥質粉砂巖層采用泥水平衡式頂管法施工中存在的有關問題及解決措施進行了探討。

頂管；泥水平衡；復雜地層；問題；解決措施

1 工程概述

樂山市黑橋至王河園污水DN1000管道工程是將黑橋至王河園道路沿線的污水集中接入污水管道中排往下游污水處理廠進行集中處理，全長1 655 m。設計單位根據污水流量、流水面高程及場地工程地質條件，設計WS1-WS9段、WS35-WS38段采取DN1000頂管法施工，縱向坡度為0.08%，WS9-WS35段采取明挖法敷設DN1000污水管路，縱坡為0.08%，并以WS6-WS9段作為頂管施工試驗段(長135 m)。筆者對WS6-WS9頂管試驗段進行了分析與描述。

2 工程地質條件

該段場地屬淺丘地貌，地勢起伏不大，高程位于362～372 m之間，最大高差約10 m；地層為耕土、素填土、坡洪積的粉質粘土、沖洪積砂土、卵石及白堊系上統灌口組泥質粉砂巖。主要地層巖性為：①耕土：褐黑、褐黃色粘性土，其狀態為松散～稍密，稍濕，含植物根系及腐殖質，土質不均，層厚介于0.3～0.6 m。②人工填土：雜色，擬建管線沿線大部分地段均有分布，主要成分為粘性土，含少量全風化泥質粉砂巖、卵石。③粉質黏土：褐黃色、褐紅色，具鐵錳質浸染，光澤度一般，韌性中等，無搖震反應。根據其狀態分為可塑粉質粘土，厚0.5～2.5 m。④細砂：灰黑色，以稍密為主，砂粒成分主要為長石、石英，偶見卵石，粒徑一般為2～8 cm，含量約10%。該層厚度一般為1.4～4 m。⑤中等風化泥質粉砂巖：棕紅色泥質粉砂巖，粉粒結構，薄～中厚層構造，主要礦物成分為鈣質長石、石英及粘土礦物，鈣質膠結，局部含石膏，呈斑狀、脈狀分布。節理裂隙及層間裂隙中等發育，RQD值為70～80，其單軸飽和抗壓強度一般為3.55～4.69 MPa，平均值為4.23 MPa，巖芯較完整，巖石基本質量等級為V級。

3 施工方案比較及存在的問題

3.1 施工方案的比較與分析

根據施工線路布置和設計規劃要求，由于受坡度較緩及WS38以后管段高程限制，污水管高程無法降低至中等風化泥質粉砂巖層中，故只能一次性穿越多巖性復雜地層。根據上述具體情況，有以下幾種方案供選擇(表1)。

3.2 施工方案的優化與確定

(1)從經濟和環保的角度考慮。

受交通和場地施工條件限制，因其距竹公溪河道較近，加之周邊房屋管線協調和保護難度較大，后期管線和路面恢復費用昂貴，故原設計采用兩側放坡的開挖方案不是最優方案。

(2)從技術可行性的角度考慮。

若采用DN1000管道頂進方式，由于該段臨河道較近，地下水豐富且穿越地層復雜，其中還要穿越巖層，故采用土壓平衡式頂管最不可行。若采用手掘式頂管，施工人員的人身安全會受到威脅，且因管徑太小，人工掘進作業難度相當大；同時，糾偏難度大，頂管精度無法保證。此外，由于手掘式頂管頂進距離有限，其工作井數量必然會增加。

基于以上情況，結合已有的施工經驗，經實地勘察和理論計算后，從技術、經濟、安全、環保等多方面進行綜合比較后，初步決定采用泥水平衡式頂管施工方案。

表1 管道敷設施工方案比較表

4 泥水平衡頂管法設備的選擇

由于本次頂管施工需要穿越中等風化泥質粉砂巖層，經綜合比選，最終選用了鎮江某公司生產的YD1200型泥水平衡式巖石頂管機(圖1)。

圖1 YD1200型泥水平衡式巖石頂管機刀盤圖

5 泥水平衡頂管法的施工控制

5.1 工作井預留洞口的復測及頂進軸線控制

設備安裝前，必須進行高程復測，并通過導軌調整高度使兩者重合。對頂進軸線的控制，采用紅外線激光經緯儀24 h跟蹤測量，通過激光點在靶盤上的位置判斷軸線偏差。為了監控和調整機頭扭轉，機頭前的靶盤采用圓形可測量旋轉式靶盤。頂進時做到“勤測、勤糾、慢糾”，一旦發生偏轉趨勢即進行糾偏，使光靶一直處于中心位置，糾偏角不超過1°。

5.2 頂管機頂進姿態的監測和控制

(1)頂管機軸線偏差和偏轉角的監測。

如圖2所示，頂管機軸線偏差可以通過激光靶點在靶盤上的位置直觀地測量出水平偏差L和高程偏差H。

圖2 頂管機靶盤示意圖

在機頭靶盤上設置測量點A，頂進前測出A點高程Ha，A到靶心O的距離為一定值。假設頂進時A移動到A′，測量出A′點高程Ha，可以計算出機頭偏轉角a=arcsin(Ha-Ha′)/OA。式中：若(Ha-Ha′)>0，則機頭順時針偏轉；若(Ha-Ha′)<0，則機頭逆時針偏轉。

(2) 頂管機姿態的調整。

①滾動調整：由于機頭刀盤正反轉均能出土，因此，可以通過向偏轉方向的反方向旋轉刀盤調整機頭的偏轉角。調整時，應注意在切換刀盤轉動方向時，先讓刀盤停止轉動，間隔一段時間后再進行反方向轉動，以保持開挖面的穩定。

②軸線糾偏：伸縮糾偏油缸。按照光靶上激光點偏離的方向，將對應方向的糾偏油缸進行伸縮。糾偏時應注意：土質愈硬，糾偏時的頂進速度宜愈慢；向下糾偏(機頭位置高偏)時，頂進速度宜慢不宜快；反之，向上糾偏(機頭位置低偏)時，宜快不宜慢；對于因土質疏松引起機頭下沉的偏離，宜采用悶頂糾偏，其糾偏距離視糾偏效果和頂力上升量而定。

5.3 頂管機在回填土層中的頂進控制

在回填土層中頂進時，由于土體較松散且含有建筑垃圾和塊石，容易出現土體塌方導致地面沉降和建筑垃圾堵塞排泥管等情況，對此，重點加強了以下施工環節：①注漿減阻，改良土質，降低頂力：頂進時，通過管節中預留的注漿孔向管道外壁以一定壓力注入一定量的減阻泥漿，在管道外壁形成漿套環，同時在周圍土體表面形成泥皮，從而達到減阻和改良土體的效果。②監測出漿情況，實時處理排泥管堵塞問題：專人實時監測出漿量及漿液中的渣土量，若出漿量減小、渣土中建筑垃圾含量較多時，應立即停止頂進并檢查排漿管堵塞情況，疏通或更換被堵塞排漿管，以保證泥漿的正常循環。另外，可以將排漿管不通過排漿泵直接接入泥漿池內，以防止建筑垃圾堵塞排漿泵。

由于頂進時所穿越的回填土層范圍較小，且在頂進時處理及時，最終管道順利地穿越了回填土層。

5.4 頂管機在粘土層中的頂進控制

巖石頂管機與普通頂管機的區別在于機頭刀盤的組成和分布不同。巖石頂管機的刀盤中有用于磨削巖石的滾刀，且巖石頂管機進土口較小，因此，巖石頂管機在粘土層中頂進時，在被動土壓力的作用下，滾刀的滾動空間和進土口容易被粘土充填堵塞，造成出土量小、頂進進尺較慢甚至無進尺。對于刀盤封閉式(刀盤前端無進人倉)頂管機，若無法清除堵塞土體，將導致管道無法繼續頂進。

對此，在粘土層中頂進時應注意以下幾點：①降低頂進速度，控制刀盤電流，防止刀盤被掌子面的粘土抱死。當刀盤電流增大時，通過調節油泵轉速降低頂進速度，或停止頂進，使刀盤原地轉動，擴大轉動空間，降低刀盤電流。②向前端管壁注入高壓清水，同時增大刀盤注水壓力，通過高壓水沖刷堵塞物擴大進土空間。從實際操作情況看，在粘土層中頂進、降低頂進速度的同時，用高壓清水替換減阻泥漿頂進，且刀盤電流一直保持穩定時頂進順利。但是，若粘土塑性較強、無法沖開堵塞物時則須由人工進入機頭前方對刀盤進土口堵塞物進行掏除，因此，粘土層中的頂進宜選用刀盤非封閉式頂管機。

5.5 頂管機在巖土接觸面的頂進控制

由于巖土強度差較大，在穿越巖土接觸面時，若頂進參數控制不當，易出現軸線突偏現象。因此，在穿越巖土接觸面時應注意降低頂進速度，可將頂進速度降至5～10 mm/min，視具體情況可停頂切削，使刀盤電流和頂力緩慢增大，切忌“快頂、強糾”。

本次頂管穿越巖層強度為4 MPa，強度較小，在穿越時，刀盤電流并未出現明顯增大的現象，在進入巖層后立即用膨潤土減阻泥漿置換出清水，以降低頂力和刀盤磨損。

6 結 語

綜合以上各種因素，在復雜地層頂進施工時，應注意以下幾點：①頂進前，應針對所穿越地層巖土的性質，合理改裝機頭刀盤的組成及分布；②頂進過程應根據機頭狀態實時調整頂進參數；③合理利用清水或減阻泥漿進行減阻。

該試驗段從2017年3月1日機頭進洞到3月13日機頭出洞，歷時13 d，頂程135 m，平均頂速為10.4 m/d。由于對頂速和土倉壓力控制較好，加之技術監控措施和各項管理工作比較到位，管道頂進順利，符合設計規范要求。

[1] CECS246:2008，給水排水工程頂管技術規程[S].

[2] 馬保松.非開挖工程學[M].北京:人民交通出版社,2008.

[3] 馬保松，D Stein,蔣國盛，等.頂管和微型隧道技術[M].北京:人民交通出版社，2004.

TV7;TV52

B

1001-2184(2017)05-0085-03

2017-04-10

閆志強(1970-)，男，遼寧朝陽人，工程師，從事水利水電工程施工技術與管理工作；

鐘 湘(1995-)，男，四川南充人，助理工程師，從事水利水電工程施工技術與管理工作.

(責任編輯李燕輝)