復雜地質條件下長距離大口徑頂管施工技術

梁其東，馬 闊

（1.日照市水務集團有限公司，山東 日照 276800；2.山東省水利工程局，山東 濟南 250014）

日照市沭水東調鋼筋混凝土管道頂進工程共有4個頂程，共計長2395m。管材為鋼承口式鋼筋混凝土管，采用“F“型鋼承口式鋼筋混凝土管，鋼套環接口，楔型+半圓型兩道橡膠圈密封。項目主要工程內容如表1。

表1 頂管主要工程內容

1 頂管設備的選擇

根據工程地質條件確定頂管設備的類型和施工工法，同時，設備的選擇也是工程施工成功的關鍵。

1.1 工程頂管穿越主要土層特性

Ⅵ-③層：黏土（Q4alp），灰褐、黃褐色，可塑，切面較光滑，夾砂粒、小礫石。該層分布廣泛，層厚一般 1.50～4.30m，層底高程 103.40～116.65m。

Ⅵ-④層：含砂黏土（Q3alp），黃色、褐黃色雜黑斑、白斑，可塑-硬可塑。該層分布于設計樁號1+100～3+300段，該層局部未揭穿，層厚一般3.10～14.90m，層底高程 97.20～103.30m。

Ⅳ-⑤層：礪質粗砂（Q3alp），黃色、淺黃色，稍密，飽和。該層分布于設計樁號0+000～2+480段，該層未揭穿，控制最大層厚一般9.10m，最大控制層底高程94.50m。

Ⅳ-⑥層：碎石土（Q3alp），褐色、黃褐色，上部夾大量風化巖碎屑（呈粗砂顆粒狀，少量碎塊狀），中下部夾大量碎石和風化巖碎塊。該層分布于設計樁號3+000～4+000段，最大揭露厚度21.90m，最大控制底高程94.75m。

1.2 選擇頂管掘進機

本工程采取兩臺大刀盤泥水平衡頂管法施工，一臺型號為TNPD3500泥水平衡頂管機，另一臺為NPD3500泥水平衡（卵石）頂管機。

泥水平衡頂管掘進機是通過胸板前密封艙內護壁泥漿平衡正面土壓，以泥水平衡自動控制土壓力。與其它類型頂管設備相比，泥水平衡頂管掘進機具有平衡效果好，施工速度快、對土質適應性強、土體沉降控制好等特點，施工過程中地表最大沉降量可控制在20mm以內，每天頂進速度可達20m以上。它采用地面遙控操作，操作人員不必進入管道。

2 注漿減摩技術

2.1 漿液配置技術

本頂管上游臨近老河床出洞時的300m范圍內為砂性土，含水量高、滲透性強，因此要求該段的漿液黏度要高、失水量要小，對土層能起一定的支承作用，在頂管出洞后，使管節周圍能迅速形成泥漿環套。當頂程在200～600m時，頂管掘進機處于全斷面黏土層中頂進，不僅土層滲透性小，且壓漿環套較易形成，此時要求漿液以起潤滑作用為主。在頂進4-6號井時，此段處于破碎巖石地質，采用易固結性漿液。

2.2 注漿系統

頂管注漿系統分為機頭同步注漿和管道補漿。機頭同步注漿由地面液壓注漿泵通過Φ50管路壓送到機頭處儲箱內，再由螺桿泵定量壓入機頭殼體外，在機頭處應安裝隔膜式壓力表，以檢驗漿液是否到達指定位置，在所有注漿孔內要設置單向閥和球閥，軟管和接頭的耐壓力5MPa，支管通徑為Φ25。在整個管道中每間隔4節管子設1處補漿斷面共6個注漿孔，補漿由總管（Φ50）壓送至各補漿斷面上的注漿孔。補漿應按順序依次進行，每班不少于2次循環，定量壓注。

2.3 減摩注漿技術

減阻泥漿的拌漿要嚴格按操作規程進行，催化劑，化學添加劑等要攪拌均勻，膨潤土加入后要充分攪拌，使其充分水化。泥漿拌好后，放置一定的時間才能使用。壓漿是通過儲蓄池處的壓漿泵將泥漿壓至管道內的壓漿總管，然后經由壓漿孔壓至管壁外，施工中，在壓漿泵，工具管尾部等處裝有壓力表，便于觀察，控制和調整壓漿壓力。在壓漿支管處的漿液壓力一般應控制略高于土體靜止土壓力。

頂進施工中，減阻泥漿的用量主要取決于管道周圍空隙的大小及周圍土層的特征，一般按管壁空隙的3cm計算理論壓漿量，由于泥漿的流失及地下水的作用，泥漿的實際用量要比理論用量大得多，一般可達理論值的3～5倍，但在施工中根據土質情況、頂進情況而定。

3 頂管施工技術

3.1 總推力估算及中繼間設置

本標段頂管施工中頂管管徑為Ф3500，管材允許頂力15000kN，2#頂管工作井后靠背的設計允許頂力為30000kN，4#工作井后靠背的設計允許頂力為45000kN。具體計算值詳見表2。

根據設計圖紙頂管管節所能承受的最大頂力為15000kN，因此需設置中繼間，中繼間所承受頂力不大于設計規定允許值的F0=15000kN，也不得大于工作井允許承受的頂力。中縫間布置數量見表3。

表2 頂力計算表

表3 中繼間布置匯總表

N=（F-F0）/F0

N為中繼間個數（取整數）；F為總頂力。

3.2 初始頂進

頂管機初始頂進是頂管施工的關鍵環節之一，其主要內容包括：出洞口前地層降水和土體加固、設置頂管機始發基座、頂管機組裝就位調試、安裝密封脹圈、頂管機試運轉，拆除洞臨時墻、頂管機機貫入作業面加壓和頂進等。

1）試頂。頂管機在出洞后頂進的前20m作為頂進試驗段。通過試驗段頂進熟練掌握頂管機在本工程地層中的操作方法、頂管機推進各項參數的調節控制方法：熟練掌握觸變泥漿注漿工藝：測試地表隆陷、地中位移等，并據此及時詳細分析在不同地層中各種推進參數條件下的地層位移規律和結構受力狀況，以及施工對地面環境的影響，并及時反饋調整施工參數，確保全段頂管安全順利施工。

2）頂進主要參數。在頂管機頂進中，泥漿的壓力、濃度對保持挖掘面的穩定性起著關鍵作用。泥漿濃度根據土質變化及時調整。泥水艙泥漿壓力取決與地下水、土壓力，施工過程及時測得數據，確定泥水壓力，使泥水艙壓力始終大于水壓力。

泥水初定參數：頂進速度：20mm/min；泥水密度：1.15t/m3；泥水艙壓力：p=0.1～0.2MPa（根據實際地質情況動態優化控制）。

頂進速度：機頭頂進速度設定20mm/min。如要加大頂進速度，在保證泥水艙泥壓的條件下，要先加大泥漿流量，再計算頂進速度，否則排泥管會堵塞。

3）頂管機偏差控制。頂管機向前頂進的反力，由工作井后靠背提供。刀盤切削土體的扭矩要是由頂管機殼與土層之間的摩擦力矩來平衡。當摩擦力矩無法平衡刀盤切削土體產生的扭矩時頂管機將形成滾動偏差。過大的滾動會影響測量板、糾偏油缸、螺旋出土機偏離正常位置，造成測量、糾偏及出土困難，對頂管軸線偏斜也有一定影響。引起方向偏差的原因，并及時對頂管機的偏差進行監測。

4）頂管機偏差調整。①滾動糾偏。由于刀盤正反向均可以出土，因此通過反轉頂管機刀盤，就可以糾正滾動偏差。允許滾動偏差小于等于1.50時頂管機自動控制系統會報警，提示操作者切換刀盤旋轉方向，進行反轉糾偏。②豎直方向糾偏。控制頂進方向的主要方法時改變單側糾偏油缸行程。但它與頂管機偏差變化量間的關系沒有固定規律，需要靠人的經驗靈活掌握。當頂管機出現下俯時，可加大下側糾偏油缸行程，當頂管機出現上仰時，可加大糾偏油缸行程，來進行糾偏。③水平方向糾偏。與豎直方向糾偏的原理一樣，左偏時加大左側糾偏油缸行程，右偏時則加大右側糾偏油缸行程。

4 其它技術措施

工作井洞口止水裝置應確保良好的止水效果。根據設計，我們安裝兩道工作井洞口止水裝置。該裝置必須與導軌上的管道保持同心，誤差應小于2mm。在橡膠止水法蘭之前應預埋注漿管，以便壓注膨潤土泥漿。頂管出洞口采用高壓旋噴樁地基加固法，頂管進出洞口高壓旋噴樁加固措施是施工成敗的關鍵。

[1] 徐前衛.盾構施工參數的地層適應性模型試驗及其理論研究[D].上海:同濟大學碩士學位論文,2006.