臨近河流泥水平衡頂管始發(fā)技術(shù)研究

曹祝華

摘 要：以某城市電力隧道施工為背景，對臨近河流泥水平衡頂管始發(fā)進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)研究，通過對頂進(jìn)井端頭加固、加強(qiáng)洞門密封措施、分段控制泥水倉壓力、隧道內(nèi)注聚氨酯等措施，確保了泥水平衡頂管機(jī)安全始發(fā)，有效地降低了始發(fā)階段洞門涌水涌砂施工風(fēng)險，確保頂管的施工安全。

關(guān)鍵詞：泥水平衡頂管;始發(fā)即下穿河流;洞門密封;分段控制泥水倉壓力

中圖分類號：TU990.3 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? 文章編號：1003-5168（2022）6-0098-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.06.023

Study on Muddy Water Balance Pipe Jacking Initiation Technology in Adjacent River

CAO Zhuhua

（China Railway 11th Bureau Group Urban Rail Engineering Co.， Ltd， Wuhan 430000，China）

Abstract：Power tunnel construction in a city as the background， the slurry balance pipe jacking originating in rivers which has carried on the related technology research， through to the ejection hole end reinforcement， strengthening their burrows sealing measures， subsection control pressure mud storehouse， tunnel grouting reinforcement measures， such as to ensure smooth after the smooth starting slurry balance pipe jacking in rivers， effectively reduce the risk of construction， Ensure the safety of pipe jacking construction.

Keywords：mud water balance pipe jacking;it starts and goes down the river;door seal;control sludge tank pressure by sections construction technique

1 工程背景

1.1 工程概況

某新建電力隧道位于鄭州市東北部，采用泥水平衡頂管法施工，該隧道全長194.42 m，隧道埋深約12.47 m，隧道縱向坡度為0.5%，頂管隧道采用Φ3.5 m鋼筋混凝土“F”鋼承口管，壁厚0.32 m，管節(jié)采用C50鋼筋混凝土分節(jié)預(yù)制，抗?jié)B等級P8，每節(jié)長2.5 m。在隧道兩端分別設(shè)計有頂進(jìn)井及接收井，工作井內(nèi)徑為11 m，外徑為13.4 m，深度為21.3 m。該隧道出工作井段和進(jìn)工作井段均采用旋噴樁進(jìn)行加固。

該隧道施工過程中須下穿城市主要道路以及城市內(nèi)部河流;隧道上方還有雨水、污水、給水、燃?xì)?、電力等多種管線，周邊環(huán)境較為復(fù)雜。

隧道位于黃河沖積平原，土層分布穩(wěn)定，厚度變化小，屬均勻地質(zhì)。隧道主要穿越地層為粉砂、細(xì)砂層中，其中主要以細(xì)砂層為主。地下水位埋深約4.17 m，水位位于頂管隧道上方8.3 m。

1.2 頂管隧道與河流的位置關(guān)系

在距離隧道頂進(jìn)井約20 m處，有一城市內(nèi)部河流，該河道控制寬度為75.4 m，河道深度為4.14 m，河道底部距離隧道頂6.2 m。河流兩岸河堤按照1∶3的比例分兩級放坡，河流水位深度為2.3 m，具體位置關(guān)系如圖1、圖2所示。

1.3 設(shè)備工作原理及相關(guān)參數(shù)

結(jié)合現(xiàn)場實際工況和水文地質(zhì)情況，本項目頂管隧道掘進(jìn)采用的是一臺NPDφ3500泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)。泥水平衡頂管機(jī)通過泥漿壓力以掌子面的水土壓力，并充分利用泥漿的攜砂作用將泥沙帶出的機(jī)械式頂管作業(yè)。其原理是充分利用泥漿護(hù)壁的特點，在掌子面處形成一層致密的泥膜，以防止開挖面坍塌[1]。

該泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)外徑為4.2 m，長度為5.2 m，配置4臺55 kW驅(qū)動電機(jī)，最大頂進(jìn)速度可達(dá)200 mm/min，刀盤直徑為4.24 m，最大扭矩為1 400 kN·m，最大總推力達(dá)2 000 t。

2 施工重難點

2.1 富水砂層中頂進(jìn)，施工難度大

本項目處于黃河沖積平原，地下水位較高，地下水位位于拱頂上方8.3 m。頂管掌子面通過地層主要為粉細(xì)砂，在富水砂層的頂管施工容易出現(xiàn)掌子面失穩(wěn)現(xiàn)象。而且頂進(jìn)軸線控制難度較大，稍有不慎就會使得軸線偏位。粉細(xì)砂層受擾動后容易液化，更容易使掌子面失穩(wěn)，增加施工難度[3]。

2.2 始發(fā)即下穿河道

頂管始發(fā)是頂管隧道施工中的高風(fēng)險工序，本工程頂進(jìn)井距離河道的水平距離20 m，而設(shè)備總機(jī)長度為5.2 m。當(dāng)?shù)侗P進(jìn)入河道范圍時，由于河床底部廣泛分布的粉細(xì)砂自穩(wěn)性較差，透水性強(qiáng)，極易發(fā)生地層失穩(wěn)，掌子面坍塌，河水倒灌的現(xiàn)象。而且在計算泥水倉壓力時，需要根據(jù)河堤過渡段覆土深度變化進(jìn)行調(diào)整，泥水倉壓力變化較大，頂進(jìn)過程中控制難度較大，稍有不慎極易發(fā)生冒頂、塌方，造成河床破壞，引發(fā)河水倒灌等險性事件。

2.3 始發(fā)洞門密封要求較高

結(jié)合頂管的施工特點，頂管始發(fā)極易發(fā)生涌水涌砂的險性事故，需要對洞門密封嚴(yán)格要求。而且本工程地下水位埋深僅4.17 m，水位位于頂管隧道上方8.3 m，刀盤需承受的水壓較大，加大了始發(fā)過程中涌水、涌砂的風(fēng)險。另外，在始發(fā)20 m后，頂管機(jī)將下穿河流，頂管機(jī)刀盤進(jìn)入河床底部，該范圍內(nèi)地層主要以粉細(xì)砂為主，在河水的長期浸泡下，地層的自穩(wěn)性較差。掘進(jìn)過程中水流極易沿管周間隙，沖擊洞門，形成透水通道，引發(fā)河水大量涌入，釀成險性事故。結(jié)合上述分析，為降低施工風(fēng)險，保障現(xiàn)場施工安全，需要對洞門密封提出更高要求[2]。

3 始發(fā)即下穿河流的主要技術(shù)措施

3.1 頂進(jìn)井端頭加固

為降低洞門鑿除與始發(fā)的風(fēng)險，創(chuàng)造始發(fā)階段洞口密封條件，對頂進(jìn)井洞門前方土體采用旋噴樁加固，旋噴樁樁徑600 mm，間距400 mm，加固區(qū)域為隧道中心上下、左右各5 m，加固區(qū)域沿隧道線路長10 m。洞門前方土體加固與頂進(jìn)井井壁貼合200 mm。同時，為確保端頭加固區(qū)域與頂進(jìn)井之間咬合密實，在接縫處進(jìn)行WSS加固，采用水玻璃+水泥漿的雙液漿進(jìn)行加固，水泥漿水灰比控制在1∶1，注漿壓力控制在0.5 MPa左右，具體加固形式如圖3、圖4所示。

3.2 洞門密封處理

考慮本工程范圍內(nèi)地下水位埋深較淺，而且始發(fā)后即下穿河流，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，對頂進(jìn)井洞門采用三道洞門止水簾布進(jìn)行密封，如圖5所示。第一道止水簾布安裝在頂進(jìn)井的預(yù)埋洞門鋼環(huán)上，與洞門鋼環(huán)的內(nèi)壁平齊。第一道止水簾布安裝完成后，在頂進(jìn)井壁上植筋，施做一道寬度為300 mm的外置混凝土前墻，前墻的內(nèi)徑與洞門鋼環(huán)平齊，厚度為300 mm。前墻施工完成后，在外側(cè)安裝第二道止水簾布，然后施做第二段前墻。第二段前墻的結(jié)構(gòu)尺寸與第一段前墻相同，在第二段前墻外緣處安裝第三道止水簾布，并在止水簾布外側(cè)安裝折頁壓板，以防止外側(cè)水壓力過大，造成涌水、涌砂現(xiàn)象[4]。

較常規(guī)洞門密封措施相比，本工程采用三道止水簾布進(jìn)行密封，可以在刀盤進(jìn)入加固體前，提前向前墻內(nèi)注入泥漿，建立起泥水倉壓力與掌子面土體壓力的平衡，確保始發(fā)安全。而且，能降低洞門涌水、涌砂的施工風(fēng)險[5]。

3.3 地面跟蹤注漿技術(shù)

為有效控制洞門涌水、涌砂現(xiàn)象的發(fā)生，在端頭加固前后，利用WSS注漿工法，注水玻璃—磷酸化學(xué)漿液，以填充開挖輪廓與管節(jié)外周之間的間隙。注漿深度為頂管隧道底部+1.5 m深，分布在隧道兩側(cè)。其中水玻璃要求其波美度不得小于40 °Be'，磷酸的純度不得低于85%。注漿前，先將水玻璃與水按照1∶1的比例進(jìn)行混合，磷酸與水按照1∶23的比例進(jìn)行混合，然后將兩種稀釋后的液體按照1∶1的體積比混合使用。為確保漿液能達(dá)到封閉滲水通道，凝固時間不得大于8 s。注漿壓力為0.2～0.5 MPa，終孔止?jié){壓力控制在0.8～1.0 MPa。頂進(jìn)期間，時刻關(guān)注洞門情況，一旦發(fā)生滲漏，即采用上述注漿方法，具體如圖6所示。

3.4 管壁注入泥漿，形成泥漿套

本工程采用的頂管機(jī)外徑比管節(jié)外徑大6 cm，頂管機(jī)刀盤過后，外圍土體與管道之間有較大空隙，極易引起地表沉降。為控制沉降，本項目通過在管道外壁壓入泥漿的方式，即通過頂管機(jī)，在管節(jié)與土體的空隙之間注入泥漿來填充管道外側(cè)的空隙，形成泥漿套，控制地面沉降。為確保泥漿填充的效果，在管道中間位置預(yù)留1圈注漿孔，共計4個，按照120°的夾角均勻分布在管道外壁上。

為確保泥漿套質(zhì)量，需要確定配合比，嚴(yán)格控制泥漿參數(shù)，保證泥漿性能。本工程實施中，通過不斷試驗，最終確定采用膨潤土礦粉配置的泥漿，膨潤土與水的配合比為1∶6;漿液指標(biāo)黏度為46 Pa·s，比重為1.06 g/cm3，含砂率<2%。進(jìn)漿比重需控制在1.05～1.10，排漿比重控制在1.25～1.30。另外，在泥漿中加入聚丙烯聚合物漿液，該漿液按照水、聚丙烯、純堿配比為1∶0.005∶0.03配制而成。

壓漿主要分為三步進(jìn)行。第一步，在管節(jié)頂進(jìn)過程中壓漿，主要對管節(jié)底部進(jìn)行壓漿，將管道位于泥漿當(dāng)中，使管節(jié)在泥漿中產(chǎn)生的浮力抵消部分管節(jié)自重，減小摩擦力，減少管道在頂進(jìn)過程中因摩擦帶走的外圍土體。第二步，因頂管機(jī)刀盤大于管節(jié)，需要在頂進(jìn)過程中對頂管機(jī)尾部和尾部的前三節(jié)管道注入泥漿，以填充產(chǎn)生的空隙，防止在頂進(jìn)過程中發(fā)生較大沉降。第三步，為頂管接收后對整條線路管道進(jìn)行注漿。因管道在頂進(jìn)過程中勢必會攜帶部分土體，產(chǎn)生新的空隙，為防止因該部分空隙造成沉降，在頂進(jìn)結(jié)束后，對整個管道壓入泥漿，控制沉降[6]。

3.5 洞內(nèi)注聚氨酯，填充透水通道

頂管施工期間，對臨近頂進(jìn)井的四節(jié)管道，在洞內(nèi)反復(fù)注入聚氨酯，填充管道外周與開挖輪廓之間的間隙，降低透水風(fēng)險。本工程采用的是聚氨酯進(jìn)行填充，為保證聚氨酯的發(fā)泡效果，將水性聚氨酯和油性聚氨酯按照2∶1的質(zhì)量比混合注入，壓力控制在0.4 MPa以內(nèi)。為確保注漿效果良好，在聚氨酯混合溶液中加入少量柴油，使聚氨酯混合物容易在遇到水后迅速發(fā)泡膨脹，形成有效的固結(jié)體。

3.6 分段控制泥水倉壓力

泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)是利用泥水倉內(nèi)的泥水壓力來抵抗地層中的水土壓力，在頂管機(jī)頂進(jìn)過程中，頂管機(jī)泥水倉內(nèi)的壓力小于掌子面的水土壓力時，地面就會產(chǎn)生沉降;當(dāng)泥水倉壓力大于掌子面的水土壓力時，在泥水倉壓力的作用下，地面就會產(chǎn)生隆起。因此，泥水倉壓力是控制地表沉降或隆起，確保施工安全的重要參數(shù)。

為防止地表的沉降和隆起，泥水倉壓力的上限不得大于掌子面的主動土壓力，下限不得小于掌子面的被動土壓力。本工程中，為準(zhǔn)確確定泥水倉壓力，將隧道分成5個區(qū)間段分別進(jìn)行計算。具體方式如下。根據(jù)施工經(jīng)驗，頂管泥水倉壓力應(yīng)為靜止土壓力的1.1～1.2倍，考慮周邊風(fēng)險較高，對地面沉降要求較嚴(yán)，調(diào)整范圍控制在±15 kPa以內(nèi)。土壓力的理論計算為式（1）（2）（3）。

主動土壓力

Pa=γh tan 2（45-φ1/2）-2c tan （45-φ1/2） ? （1）

被動土壓力

Pb=γh tan 2（45+φ1/2）+2c tan （45+φ1/2） ? （2）

靜止土壓力

Po=K0γh ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式（1）（2）（3）中：γ為土的容重;φ為土體的內(nèi)摩擦角;c為土的黏聚力;h為頂管覆土深度;K0為靜止土壓力系數(shù)，即1-sinφ′，其中φ′為土的有效內(nèi)摩擦角。

得出計算結(jié)果后，需要結(jié)合施工過程中的頂推速度、出土量以及地面沉降情況進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)。

經(jīng)過確定，本工程頂進(jìn)泥水倉壓力值為靜止土壓力的1.1～1.2Po（Po為靜止土壓力），即103.95～146.64 kPa。

3.7 加強(qiáng)監(jiān)測

隧道施工過程中，為準(zhǔn)確掌握具體情況，項目制定了詳細(xì)的監(jiān)測措施，本工程中主要對地表沉降監(jiān)測、管頂內(nèi)部下沉監(jiān)測、管內(nèi)收斂監(jiān)測等內(nèi)容進(jìn)行監(jiān)測。以隧道軸線為中心，在隧道兩側(cè)布點，間距為2.5～3.0 m，每組斷面布設(shè)15點。

4 結(jié)語

隨著城市新建電纜隧道的不斷發(fā)展，越來越多的隧道需下穿城市河流等多種風(fēng)險源，泥水平衡頂管施工也越來越受青睞，本研究通過介紹頂進(jìn)井的端頭加固，頂進(jìn)井的洞門密封措施，地面跟蹤注漿，管壁后壓入泥漿，洞內(nèi)注聚氨酯、加強(qiáng)監(jiān)測等措施，對控制泥水平衡頂管始發(fā)與頂進(jìn)風(fēng)險取得了一定的成效，為臨近河流頂管施工積累了可借鑒的經(jīng)驗。

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