泥水平衡頂管在復雜地層下的適應性改進技術

嚴國仙 韓舉宇 陳 強 夏 天

上海市政建設有限公司 上海 200438

頂管是一種敷設地下管線的非開挖施工技術，它無需大面積的地面開挖且可穿越公路、橋梁、鐵路、地面構筑物等多種障礙，現已被大量運用在給排水、石油、天然氣等各種市政管線工程之中，取得了良好的應用效果。泥水平衡頂管施工技術運用在沿海淤泥質黏土、淤泥質粉質黏土的軟土地區中較多，但在土質較密實、土體強度較高且含有直徑較大姜結石的砂性土層中運用較少，也缺少類似工程經驗。

常州市江邊污水處理廠管網擴建工程位于常州市新北區，頂管穿越土層主要以粉砂夾粉土為主（局部混少量姜結石）。本工程采用面板式泥水平衡頂管機施工掘進，但在施工過程中，其W10～W9頂管段遇到了刀盤泥水倉不進土以致進土不暢、粉砂夾粉土堵塞刀盤進土口、頂進困難的難題。為解決這一難題，從地質土層特點、頂管機類型、實際施工狀況3個方面分析了大口徑面板式泥水平衡頂管機刀盤堵塞進土口的主要原因；分析了姜結石堵塞泥水倉及排泥管路的主要原因，提出了適應性改進措施，對以后類似工程具有一定的參考意義[1-3]。

1 工程概況

常州市江邊污水處理廠管網擴建工程W10～W9頂管段，管線沿長江北路由W10工作井向北到W9接收井進行敷設。施工過程中，W10工作井頂進約40 m時遇到刀盤泥水倉不進土以致進土不暢、粉砂夾粉土堵塞刀盤進土口的問題；頂進約485 m時又遇雙層大直徑姜結石堵塞泥水倉出水口及排泥管路，造成頂進困難的問題。本段為φ2 200 mm鋼筋混凝土管頂管，直線頂進，長度687 m。

本段頂管埋深約為11 m，主要穿越⑤1粉砂夾粉土層中，局部穿越⑤2粉砂層，上覆土層為③1黏土層。對頂管施工影響較大的地下水主要為淺層承壓水，穩定水位在地面以下8.70～10.40 m。

2 遇不進土問題的處理

2.1 施工參數

本段頂管從出洞開始均保持正常頂進，頂力、掘進速度、扭矩雖會有一定的波動，但均保持在正常范圍內。而當頂管頂進至第16節管節，即40 m時，遇到了泥水倉不進土的問題，此時出泥量較少，頂力出現異常，千斤頂油壓達24 MPa，換算頂力約為5 880 kN，驅動電機電流達110 A，已接近電機額定電流值，但依然不能頂進。現場排泥管所排泥水顏色較清，含泥量較低，進土不暢。

為此，對本段頂管第1～16節管節從出洞、正常頂進到不能頂進這一過程的施工參數進行了統計（表1）。

2.2 頂管頂力理論計算

頂管理論總頂力由管道與土層的摩阻力和頂管機的迎面阻力構成，具體可采用公式（1）進行計算：

F——總頂力，kN；

F1——管道與土層的摩阻力，kN；

F2——頂管機的迎面阻力，kN。

2.2.1 頂管機摩阻力計算

管道與周圍土體的摩阻力可采用公式（2）進行計算：

表1 頂力、頂進速度統計

式中：D——管道外徑，為2.665 m；

L——管道頂進長度，為43.2 m，考慮機頭長度；

fk——管道外壁與土的平均摩阻力，為4 kPa。

經計算，F1=1 446 kN。

2.2.2 頂管機的迎面阻力計算

根據上海市頂管施工規程，以頂管機刀盤下部1/3處的被動土壓力為依據計算迎面阻力，具體采用公式（3）進行計算：

式中：Ep——頂管機下部1/3處的被動土壓力，kPa。

Ep可采用水土分算或水土合算計算模式進行。因頂管穿越土層的黏聚力較小，故計算中忽略其影響。

水土分算時，按公式（4）進行計算：

水土合算時，按公式（5）進行計算：

式（4）、（5）中：γ——粉砂夾粉土的重度，為18.5kN/m3；

γ'——粉砂夾粉土的有效重度，為8.5 kN/m3；

γw——水的重度，為10kN/m3；

h——頂管機下部1/3處的埋深，取11 m；

kp——被動土壓力系數，計算取為2.74。

經計算，水土分算時，F2=2040kN；水土合算時，F2=3111kN。采用水土合算計算的頂管機迎面阻力比水土分算計算的頂管機迎面阻力大1071 kN。

因頂管上覆土層以粉砂夾粉土為主，故Ep宜采用水土分算，即迎面阻力F2為2040kN比較合理。綜上，理論總頂力F=F1＋F2=2040＋1 446=3 486 kN。

在迎面阻力的理論計算中采用被動土壓力強度，但一般情況下迎面阻力常控制在主動土壓力與被動土壓力之間，而遠達不到被動土壓力強度。理論頂力較實際頂力要偏大，現最大頂力為5 880 kN，遠大于計算理論頂力3486kN，頂力極不正常。

2.3 開倉調查

因頂進距離短，故頂力遠達不到5880kN，且所排泥水較為清淡，含泥量較低，為確定是何原因導致進土不暢，我們決定打開頂管機泥水倉人孔蓋，對泥水倉進行檢查。

為了確保開人孔蓋的安全，在機頭位置打2口降水井，將水位降到機頭以下2 m左右（圖1）。

圖1 深井平面示意

降低地下水位后，打開人孔蓋發現泥水倉內沒有泥土，刀盤上的進土口及刀頭之間的間隙全部被土體堵塞（圖2）。

圖2 土體堵塞刀盤

2.4 原因分析

開倉后確認為粉砂夾粉土將刀盤進土口、刀盤刀頭之間的間隙全部堵塞，結合排泥管所排泥水顏色較為清淡、含泥量較少、頂力較大、無法頂進等情況，初步判斷為刀盤不進土，造成悶頂現象。堵塞刀盤進土口及刀盤刀頭之間間隙，降低刀盤的切土效率是導致進土不暢、掘進困難的主要原因。

頂管施工時，因土層強度較高、砂性土層的致密性、刀盤開口率較小、施工參數控制不合理等各方面原因導致土體逐漸堵塞刀盤進土口。土體堵塞刀盤進土口后，首先增大刀盤扭矩，降低切土效率，進而增大頂力；而頂力增大反作用于粉砂夾粉土層上，將其壓密，強度提高，進一步造成切土困難，降低切土效率，最終造成掘進困難，具體可從以下幾個方面分別進行分析。

2.4.1 扭矩

頂進過程中，刀盤扭矩首先變大，具體表現為驅動電機電流的迅速增大，隨后頂力增大造成掘進困難，因此應從扭矩的變化進行分析。

泥水平衡頂管刀盤的總扭矩T可用公式（6）計算：

式中：T——刀盤總扭矩；

T1——刀盤的切土阻力扭矩；

T2——土的摩擦阻力扭矩。

刀盤在切削土體過程中產生的阻力扭矩T1可由公式（7）求出：

式中：f——刀在切削過程中單位面積上所受到的阻力，簡 稱切削阻力；

h——刀在每一轉中切土的厚度；

r——切削半徑。

刀盤正面面板上的摩擦阻力力矩T2可由公式（8）求出：

式中：μ——土與鋼之間的摩擦因數；

p——作用在刀盤上的水平壓力。

因此，總的刀盤力矩可用公式（9）表示：

綜上，扭矩T隨著刀盤開口率的增大而減小；土層的強度越高，刀盤切割土體時所需要克服的阻力力矩也越大。

2.4.2 土層原因

本段頂管主要穿越土層為⑤1粉砂夾粉土層，中密狀態，飽和，夾粉土，頂部以粉土為主夾粉砂，局部混少量姜結石，局部夾薄層粉質黏土，屬中壓縮性土，黏粒含量6.7%。該層土的固結快剪試驗按峰值強度確定的黏聚力c值為13.2 kPa，內摩擦角φ值為27.7°，地基承載力fak為200 kPa，表明該土層具有黏性，強度亦較高，故刀盤切削土體所克服的阻力力矩也較大。

2.4.3 頂管機原因

頂管機掘進能力和土層物理性質不相匹配，本段頂管采用開口率為5%的面板式泥水平衡頂管機，適合在軟土地區頂進，不太適合在較硬土層中頂進。頂管機的選型誤差對進土不暢的影響主要有：刀盤開口率小，切削下來的土體不能及時進入泥水倉被排走；刀頭之間徑向間距小，面板式頂管機刀盤刀頭間不存在明顯高差，不利于切削土體，切土效率低。

刀盤開口率過小是造成面板式泥水平衡頂管機進土不暢的主要原因。據以往施工經驗，面板式泥水平衡頂管機于密實砂性土中掘進時宜選擇較大開口率，常約為20%，但此頂管機的開口率僅為5%（圖3）。

圖3 刀盤示意

刀盤開口率是指刀盤面板有效面積與頂管開挖面積的比值，刀盤開口面積越大，其給開挖面地層提供的支撐越小，刀盤對進入泥水倉碴土的阻力就越小，由于與地層摩擦阻力減小，故轉動刀盤所需的扭矩也就會隨之減小。相反，刀盤開口率越小，則它給地層提供的支撐越大，刀盤對進泥水倉碴土的阻力越大，轉動刀盤所需扭矩也就越大。

頂管機在掘進過程中，刀盤切削下來的土體因刀盤開口率太小不能及時進入泥水倉，且粉砂夾粉土層較為密實，刀盤刀頭相互間徑向距離、高差小，極易造成土體堵塞在刀盤刀頭之間，降低刀盤的切削效率。此時若繼續頂進，則更易將刀盤切削下來的粉砂夾粉土層予以壓實并堵塞在進土口，最終導致刀盤切削困難。

2.4.4 施工因素

一方面，進水管輸入到機頭前部的泥水壓力較小，而粉砂夾粉土層呈中密～密實狀態，強度較高，土質較硬，穩定性較好。另一方面，頂管頂進時，頂管機刀盤擠壓土體，土體密實度增加，刀盤開口率小，打入泥水倉的泥水很快被抽出來，這一泥水循環對砂土不能形成足夠的動水力，不能有效地將粉砂土切割擠入泥水倉內，反而在頂力下不斷擠壓砂土顆粒，導致粉砂土更加緊密，形成致密狀態，使扭矩和頂力過大。

2.5 處理措施

由于造成刀盤進土口被堵塞、掘進困難的主要原因為面板式泥水平衡頂管機刀盤的開口率太小，故在選擇措施時應首先考慮增大刀盤的開口率。

一方面，打開頂管機人孔蓋對刀盤進行切割以增大刀盤開口率，開口率由5%擴大至約23%，且將堵塞在刀盤進土口的土體清除；另一方面，將切割位置確定在刀盤進土口處，切割后的進土口呈扇形對稱分布，相互之間間隔120°（圖4）。

圖4 擴大開口率后的刀盤

2.6 處理效果

刀盤切割后，重啟系統掘進。初始，刀盤空轉一段時間試運行，使排泥系統恢復正常。因存在停滯效應，故初始頂力大，掘進緩慢，但刀盤開口率已增大，刀盤扭矩會變小，隨著刀盤切削土體、進泥、排泥逐步趨于正常，減阻泥漿的壓入，掘進過程也逐漸恢復正常。

3 遇雙層姜結石問題的處理

3.1 基本概況

本段頂管在頂進至485 m時遇雙層姜結石，姜結石為層狀構造，質地堅硬，難破碎。直徑較大的姜結石進入泥水倉后易堵塞泥水倉出水口及排泥管路，使泥水循環很難建立，致泥水倉進土量遠遠大于出土量，最終導致刀盤扭矩增大，頂力增大，頂進困難。

采取增加進水量、加大出水壓力、充分攪拌、慢速頂進的辦法依然無法將姜結石帶出泥水倉或排泥管路，最終因刀盤扭矩增大，驅動電機超負荷運轉，頂管機面臨著損壞的危險，必須停止頂進。

3.2 原因分析

為明確姜結石的分布情況，委托勘察單位對機頭至W9接收井之間的200 m區間，采用間隔20 m鉆1孔的方式進行垂直地質詳勘。詳勘報告顯示，頂管機頭至W9接收井之間的200 m區域因土層突變，在埋深11 m和12 m處均有連續的1層層厚為8～12 cm的姜結石（圖5），其直徑大小不一，且均處在頂管段軸線上。

圖5 姜結石層分布示意

本段頂管因初始階段刀盤開口較大，刀盤邊緣開口已達23 cm，其直徑遠大于姜結石的直徑，頂進時姜結石直接進入泥水倉內，且不能被破碎；而泥水倉出水口、排泥管直徑較小，難以將姜結石排出泥水倉內，故易造成管道被堵，排泥不暢。

3.3 改進措施

姜結石堵塞泥水倉出水口及排泥管路的主要原因是刀盤開口孔徑太大，以至姜結石極易進入泥水倉。為此，臨時降低地下水位，打開人孔蓋，在刀盤3個大孔徑開口處焊接厚2 cm鋼板條，將原來所切割的大開孔分割成7個較小的孔，阻擋大塊姜結石進入泥水倉內。

焊接隔板后，頂管重新頂進，因姜結石直徑大小不一，直徑較小的姜結石依然進入泥水倉，雖能被排出泥水倉，但仍易堵塞排泥管。為此，在頂管機內采用了特制清障桿和高壓水槍，在出泥管內進行沖刷和疏通，清障效果較好。

3.4 處理效果

針對姜結石堵塞泥水倉及排泥管路的問題，現場通過焊接隔板以減小開口的孔徑、采用特制清障桿和高壓水槍的雙重處理措施，有效地解決了姜結石堵塞管路、泥水循環困難的問題，最終機頭順利進洞。頂管機雖然經歷了多重考驗，從地下開孔增大開口率至地下焊接格柵板依然形態完整，也驗證了所采取技術措施的有效性[4-7]。

4 結語

本文結合實際頂管工程，針對開口率較小的面板式泥水平衡頂管機在遭遇致密高強度粉砂夾粉土中頂進時，遇堵塞刀盤進土口以致進土不暢的難題，提出了切割刀盤以增大開口率的針對性方法；而遇姜結石堵塞泥水倉及排泥管路時，則提出了焊接分隔鋼板以減小開口孔徑的針對性措施。上述技術措施取得了良好的頂進效果，保證了工程的順利進行，可為今后類似工程的地下清障技術提供一種新的思路。