海域復雜地層超長距離小口徑鋼頂管施工技術研究

王 濤

(上海市基礎工程集團有限公司,上海 200433)

0 引言

隨著頂管施工技術發展愈加成熟，在海域進行頂管工程越來越頻繁，相應的頂進距離也越來越長。海域頂管需要面臨的距離長、土層復雜等難題也是工程建設中需要攻克的關鍵問題。北海市鐵山港區污水處理廠尾水排海管工程(海域段)最長一段頂進距離達到2 180 m，為國內頂進距離最長的單次頂管工程，通過技術研究，在施工過程中采取合理的頂管機具形式、頂管進出洞以及軸線控制等關鍵性施工技術，保證了工程項目的順利實施，同時也為今后類似工程的施工提供經驗參考，對行業的進步起推動作用。

1 工程概況

北海市鐵山港區污水處理廠尾水排海管工程(海域段)位于北海市鐵山港工業區(見圖1)，負責輸送鐵山港工業區重點區域的生活服務區、中小型工業企業中的A類企業污水，經污水處理廠處理后的尾水，做深海排放。

工程分為兩個區間單線頂管工程，頂管總長為3 600 m，鋼管外徑2 000 mm，壁厚22 mm，管道中心標高-21.5 m。其中1號～2號井區間頂管長度2 180 m，2號～B3排污口區間頂管長度1 420 m，管頂以上覆土深度在14 m～23 m不等，水壓力約為2.5 kg/cm2。

2 地質條件

3 頂管機具選型

3.1 泥水加壓循環系統

采用送泥泵，將泥水通過管道送往開挖面，然后用排泥泵將掘削下來的廢棄土以流體形式通過6 in管道輸送到地面，因距離較長，故在隧道內設置了若干臺中間接力泵。在管路中設置了流量計、密度計。在實際頂進過程中，一旦出現堵塞情況，系統中設置“逆洗”方式，即：排泥管作為送泥管，送泥管作為排泥管來循環泥水，采用倒排泥水的方法將堵塞在管道中的堵塞物排入到土倉中。為了保證設備因維修而較長時間的停機，泥水溢漏而引起的開挖面泥水壓力的下降，從而開挖面失穩，在系統中設置了“旁路”方式，即將旁路狀態時的管道打開，通過送泥泵、旁路管道及排泥泵循環泥水，此時有一部分泥水向開挖面及土倉中輸入，補足溢漏的泥水，從而保持泥水壓力，保持開挖面的穩定。

3.2 泥水分離處理系統

泥水分離處理系統通過一次處理分離設備(振動篩、旋流器、沉淀槽等)將顆粒直徑大于0.074 mm以上土砂及沙礫分離。直徑小于0.074 mm的微細顆粒(粉砂土、粘土、膠體)由于呈電化學結合，自然沉淀緩慢，需要采用添加凝集劑，使其形成團粒，然后采用二次處理分離設備(壓濾器、脫水槽等)分離。本工程的泥水處理將分離的泥水回送到調整槽內，經調整到適合的泥水濃度和質量。

3.3 泥水倉泥水壓力控制系統

泥水系統的設計充分考慮了采用國外和國內的使用經驗，采用了送排泥泵調節泥水倉泥水壓力的控制方法，對泥水輸送系統的調節，可以對泥水倉的壓力以及泥水的進、排流速進行調節。

3.4 工具管使用特殊工作模式

為了更好的在頂進過程中有效控制沉降的同時提高頂管效率，本工程頂管工具頭有三種特殊工作模式：

1)旁路模式。

該模式是待機模式，用于頂管不進行開挖時執行其他功能，即從一種功能切換到另一種功能時會采用。

2)逆洗模式。

當排泥口發生堵塞時可采用該模式進行逆洗：將泥水從排泥口送入泥水倉，而將原先的上部泥水送往地面泥水處理系統。

3)沖洗模式1。

通過送泥泵對胸板中間泥水倉、環形艙、送泥口進行沖洗，防止刀盤及泥水倉的堵塞。

4)沖洗模式2。

通過送泥泵、刀盤中心條幅切削面進行高壓沖洗：防止刀盤中心及切削面堵塞。

4 進出洞施工技術

頂管機進出洞口需具備最基本的工程條件：洞門外土體強度好，地下水控制情況良好(不出現涌水、涌砂等現象)，故需采取針對性的地基加固處理措施，加固范圍為頭向外6 m，寬度為10 m，高度10 m，加固強度不小于1 MPa。

4.1 土體加固

頂管工具頭的出洞是頂管施工的關鍵節點，應確保頂管機正常地從非泥水平衡工況向泥水平衡工況過渡，并杜絕機頭產生“磕頭”現象，從而達到控制人工島地面沉降，保證人工島的結構安全。兩座頂管井洞口及后靠背處均采用高壓旋噴樁對土體進行改良。本工程頂管機總長約為9 m，在工具管重心頂出外圍圍護前須保證頂管機處于一個穩定、均勻且有足夠強度的水泥土范圍內，使得頂管能夠平順的頂出，并為頂管前期的走向提供一個良好的開局。加固范圍及參數如下：

1)加固范圍。

加固寬度：寬度10 m，管道周側兩側各5 m；

加固長度：沉井外壁沿軸線向外延伸6 m范圍；

加固深度：高度10 m，管道中心上下5 m范圍。

2)加固參數。

樁身：φ600雙重管高壓旋噴樁；

樁間距：400 mm，搭接長度不小于150 mm；

水泥摻量：使用42.5級普通硅酸鹽水泥，水泥摻量為150 kg/m。

4.2 洞口止水措施

工程出洞口穿墻止水措施將采用兩套止水措施：止水措施為橡膠擋圈+牛油盤根。

4.3 出洞防“磕頭”措施

1)工具頭就位后，將機頭墊高5 mm，保持出洞時工具頭有一向上的趨勢。糾偏油缸等記錄歸零位。

2)在洞中外側進行加固措施，進一步防止磕頭現象的產生。

3)調整后座主推千斤頂的合力中心。

4)在工具管管內采用壓鐵配重，以及在管頂用頂鐵進行配重。考慮后座主頂千斤頂的合力中心應略向下，以平衡這兩節混凝土管自重形成的力矩。本工程中，將合力中心設置為管中心以下17 cm。

5 軸線控制施工技術

在頂進過程中，由于復雜土層的工況，再加上長距離頂管的緣故，施工中出現了偏離軸線的工程難題。當1號管頂進至977 m時，出現向下磕頭現象；在頂進至986.8 m時，工具管偏差為偏右1.3 cm、偏下26 cm；然后頂管機迅速向左下方偏斜，在推進至997.6 m時，工具管偏差為偏左97 cm、偏下44 cm(見圖2)。

偏斜原因分析：根據管道左右兩側開孔觀察，發現左側土體呈軟塑狀，而右側土體非常堅硬。局部區段管道左側為砂混粘土承載力低，右側為粉質粘土承載力高(見圖3)。

為了控制軸線偏斜的斜率，以及進行軸線糾偏，對987 m～1 010 m區域管道右側的土體進行破壞，主要方式為高壓旋噴引孔。管道軸線斜率由9.1%減小至6.5%，再從6.5%減小至目前的5.5%的斜率，部分區段向右位移約25 cm(見圖4)。

施行管內放泥注漿措施，在左側由于土層較硬，因此開孔注入泥漿，潤滑土層，降低土層的摩阻力。在管內右側填充粉煤灰，通過粉煤灰本身粗糙的表面積增加摩阻力，同時利用其吸水性將右側較軟的土層吸收水分，間接增加土的硬度，這樣達到平衡左右兩側土體的硬度，即協調相互的摩阻力，減少頂管頂進時左右側的不平衡。

同時設置雙作用油缸：在1號環、2號環、3號環設置雙作用油缸，在雙作用油缸和中繼環共同作用下，來回對拉管道，使管道實現側向位移。由于頂管施工的特殊性，長時間停滯會導致頂管摩阻力恢復，只能邊處理，邊緩慢頂進。

為確保后續管道能通過拐點(里程986.9 m)，用MJS設備，對里程950 m～1 000 m區間，按照曲率半徑R=1 260 m圓弧，破壞管道的左側土體。對里程1 000 m～1 050 m區間，破壞管道右側土體。

根據管道轉彎曲率半徑的需要，經計算，在頂管推進至1 050 m時，開始向右進行糾偏，為避免管道再次出現拐點，只進行小角度糾偏。根據現場施工經驗，管道曲率半徑達到1 000 m以上時，管道變形在彈性范圍以內，因而向右糾偏圓弧曲率半徑控制在1 500 m左右。最終管道以曲率半徑R=1 570 m圓弧線，在里程1 125 m位置與設計軸線平行，最大偏差5.8 m。

管線糾偏后線路圖見圖5。

6 結語

從本工程的實踐可見，超長距離復雜地層頂管施工的關鍵在于頂管機具的選型、進出洞施工以及軸線控制施工等技術措施。同時對于頂管掘進機頂進過程中不同工況下應具有相應的施工模式，從而達到有的放矢的目的。對于超長距離頂管施工過程中難免遇到的軸線偏離狀況，探究土層的原因，選擇合理的、系統的糾偏手段進行軸線控制。本工程由于頂管工具選型得當，技術措施合理，使國內單次頂進距離最長的頂管工程圓滿完成。取得了良好的社會效益和經濟效益，也為相類似工程積累了經驗，有利于行業的進步。

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