關于復雜砂卵石地層機械頂管施工技術的研究

陳家祥 蔣歡 中冶建工集團有限公司四川分公司

1 前言

機械頂管作為一種非開挖施工技術，在我國沿海已經(jīng)實施多年，得到大量實際工程應用，且保持著高速的增長勢頭。成都平原地區(qū)由于其地質(zhì)情況的特殊性，前些年一直是機械頂管工藝實施的禁區(qū)，本項目作為成都首例穿越復雜地層的機械頂管，在很大程度上具有一定的參考價值。

2 機械頂管原理

頂進機械被主頂油缸向前推進，頂管機頭進入止水圈，然后進入土層，電動機提供能量，轉動切削刀盤，通過切削刀盤進入土層。挖掘的土質(zhì)、石塊等在轉動的切削刀盤內(nèi)被粉碎，然后進入泥水艙，與泥漿混合，最后通過泥漿系統(tǒng)的排泥管，由排泥泵輸送至地面上。在挖掘過程中，采用復雜的土壓平衡裝置維持水土平衡，以至始終處于主動與被動土壓之間，達到消除地面的沉降和隆起的效果。頂管機完全進入土層以后，電纜、泥漿管被拆除，吊下第一節(jié)頂進管，被推到頂管機的尾套處，與頂管機連接管頂進以后，挖掘終止、液壓慢慢收回，另一節(jié)管道又吊入井內(nèi)，套在第一節(jié)管道后方，連接在一起，重新頂進，這個過程不斷重復，直到所有管道被頂入土層完畢，完成一條永久性的地下管道。

3 工程概況

錦江作為天府新區(qū)一條重要的河道，兼顧排洪與景觀雙重功能，因此生態(tài)環(huán)境尤為重要。截至目前，錦江流域污水下河問題仍未完全徹底解決，市委市政府由此提出于2018年5月前完成錦江全線截污的目標任務。

華陽雨污水干管建設一期工程項目進廠干管700m段是錦江截污的最后一段，w?1—w2?2為穿越洗瓦堰河流段是本項目的重難點之一，為保證汛期頂管的正常作業(yè)，經(jīng)多方面比對復核，設計將原明挖

方法變更為倒虹吸的形式，并下降管道高程至中風化泥巖中，采用泥水平衡式機械掘進的工藝。

4 機械頂管遇地質(zhì)突變

由于前期設計已將該段過河管道全部下降至巖層中，所以在機頭選型上選用了巖層專用的機頭。機械頂管掘進段長度為68m，管徑為D=2000mm，坡度0.3‰，w?1為始發(fā)井，w2?2為接收井。

4.1 機械頂管遇黏土夾層

2018年9月6日，機械頂管開始正常頂進，在機頭入土5m左右，從泥水分離器分離的土體中發(fā)現(xiàn)原有地勘未勘測到的黏土夾層，切削下來的黏土在二次破碎倉中將刀片糊住，從而導致泥水平衡式巖石頂進機械無法正常施工，頂進工程一度陷入停滯的狀態(tài)。

處理方式：后經(jīng)項目部與相關專業(yè)分包隊伍多次商討，決定對泥水平衡式巖石頂進機械進行局部改造，改造方式就是在機頭主軸上加一個萬向頭，該萬向頭從機頭主軸內(nèi)伸出進入泥水倉（二次破碎倉），萬向頭內(nèi)連接高壓水管，在主軸轉動的同時噴射高壓水流沖擊刀片上的黏土，進而使頂進機械正常作業(yè)。

4.2 機械頂管遇到砂卵石層

2018年9月15機械頂管重新開始正常頂進，在機頭進去9m左右地質(zhì)情況就發(fā)生了變化，其地質(zhì)情況變?yōu)樯暗[石層，卵石粒徑在5cm~30cm之間，且含量在70%左右，這與原有地勘報告不符。由于其機頭刀盤設計是巖層專用，不符合卵石層的施工，因而造成卵石堵倉、刀盤卡停。

處理方式：針對目前的情況，項目部及時對接了五方責任主體，并與專業(yè)分包隊伍進行了協(xié)商，現(xiàn)場不具備大開挖更換機頭的條件，只能著手對機頭進行改造。改造方式就是專業(yè)技術人員在機頭開倉清理，并對刀盤進料口的位置增加分隔網(wǎng)，孔徑控制在10cm以內(nèi)，嚴把進倉卵石大小，杜絕大粒徑漂石直接入倉卡死刀盤。

5 機械頂管遇到軟土層

2018年10月2日機械頂管又開始正常頂進，累計頂至19m時，發(fā)現(xiàn)注入進掌子面的膨潤土泥漿循環(huán)出來的量突然減少，泥倉壓力下降比較快，大量卵石涌進泥倉導致刀盤第三次卡停。

10月5~8日連續(xù)2次制作不同濃度的膨潤土泥漿啟動都沒有成功，注入近200m3泥漿沒有循環(huán)出來。分析原因可能是由于距離河流太近，地質(zhì)松軟并伴隨流沙，且原有河流位置地層擾動比較大，地下空洞較多引起。

處理方式：根據(jù)當時現(xiàn)場情況來看刀盤已被卡死，且已經(jīng)無法重新啟動，需重新派專人進倉進行清倉處理。但由于距離河道太近且地下水非常豐富，無法直接下人開倉。經(jīng)研究決定先采用阻水帷幕封閉機頭位置，然后在開倉清理。

5.1 高壓旋噴樁施工

針對該卡鉆位置處理方式是在機頭前方U字型打孔進行高壓旋噴注漿形成阻水帷幕，以穩(wěn)固機頭前方的軟弱土體，加固范圍長度為3.5m，寬度為2.5m，兩側阻水帷幕樁中心距離機身間距為0.5m，機頭端部距離阻水帷幕樁的距離為1m，機頭端部沿軸線方向0.5m位置增加5根旋噴樁，目的是增加前端旋噴樁的側向抗壓能力，以保證操作人員的安全。該處高壓旋噴樁約為31根，深度約為11m。

5.2 技術準備

采用單管噴射高壓注漿進行阻水帷幕施工，施工要點如下。

（1）單重管法是使用單通道的注漿管。把注漿管放至設計的土層深度后，通過在管底側面的一個同軸噴嘴，噴射出高壓漿液介質(zhì)的噴射流沖擊破壞土體。即以高壓泥漿泵等高壓發(fā)生裝置噴射出20MPa以上壓力的漿液，從噴嘴中高速噴出。噴嘴一面噴射一面旋轉和提升，最后在土中形成圓柱狀固結體。水泥漿采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥配置，可根據(jù)需要加入適量的外加劑和摻和料。外加劑和摻合料的用量應通過試驗確定，水泥漿的水灰比1∶1。（2）潛孔鉆機。鉆孔孔徑為110mm，垂直度偏差應±1%，阻水帷幕樁體深度應達到底部巖層至少入巖20cm，加固旋噴樁應達到管底高程，頂部都控制在填土以下。（3）注漿流量應大于30L/min，提升速度宜為0.1m/min~0.2m/min，由于該地層為砂礫石層，為保證注漿質(zhì)量提升速度一般控制在0.1m/min。（4）漿體應經(jīng)過攪拌樁充分攪拌均勻，并在注漿過程中不停緩慢攪拌，泵送前應經(jīng)過篩網(wǎng)過濾。低溫注漿應防止?jié){液凍結，高溫注漿應防止?jié){液凝固。（5）施工中采用每排孔跳打法分兩序施工，即隔1孔噴1孔，相鄰樁孔噴灌間隔時間不宜小于12h。

5.3 施工方法

5.3.1 場地平整

先進行場地平整，清除樁位處地上、地下的一切障礙物，場地低洼處用黏性土料回填夯實，并做好排漿溝。

5.3.2 測量定位

首先采用GPS根據(jù)里程樁號放出樁位，然后使用鋼卷尺和麻線根據(jù)樁距傳遞放出注漿孔樁位位置，用小竹簽做好標記，并撒白灰標識，確保樁機準確就位，樁位施放誤差為±50mm。

5.3.3 機具就位

人力緩慢移動至指定樁位，由專人指揮，用水平尺和定位測錘校準樁機，使樁機水平，導向架和鉆桿應與地面垂直，傾斜率小于1%。對不符合垂直度要求的鉆桿進行調(diào)整，直到鉆桿的垂直度達到要求。將鉆頭對準孔位中心，同時整平鉆機，放置平穩(wěn)、水平，鉆桿的垂直度偏差±1%。為了保證樁位準確，必須使用定位卡，樁位對中誤差不大于50mm。就位后，首先進行低壓（0.5MPa）射水試驗，用以檢查噴嘴是否暢通，壓力是否正常。

5.3.4 鉆孔、下管

鉆孔：為了保證鉆孔的垂直度，保證鉆孔孔壁的穩(wěn)定，擬采100型工程鉆機進行預先成孔，孔徑為110mm，鉆孔后放置110pvc管支護孔身，防止坍孔，對于礫砂層以及強分化巖層也必須進行預先鉆孔。阻水帷幕樁體深度應達到底部巖層至少入巖20cm，加固旋噴樁應達到管底高程，頂部都控制在填土以下。Φ500mm旋噴樁，鉆孔間距為0.35m，中間搭接0.15m，加固的旋噴樁中到中間距為0.6m。

下管：下注漿管時應對噴頭加以保護，防止風嘴、漿嘴堵塞。當遇有噴管下不到位或下不去現(xiàn)象時（軟土層），應視不同的情況采取不同方法處理，只要不是發(fā)生較嚴重的塌孔事故，噴管都不難下到位。一般可采用以下方法：①泵送水泥漿邊擺動噴管邊下管；②同時送風、送漿邊擺動邊下管。

關鍵在于掌握介質(zhì)的壓力及流量，一般都不宜過大。如果都不成功，則只有用鉆機下鉆桿處理，必須確保噴桿下至預計深度，方可正式噴射注漿。

5.4 漿液配置（加液體速凝劑）

樁機移位時，即開始按設計確定的配合比拌制水泥漿。高壓噴射注漿的漿液，采用普通硅酸鹽水泥，水泥漿液配制嚴格按設計要求控制為水灰比1∶1，水泥漿比重1.5。攪拌水泥漿時，首先將水加入桶中，再將水泥倒入，開動攪拌機攪拌10min~20min，漿液在灰漿拌和機中要不斷攪拌，直到噴漿前。速凝劑添加為液體速凝劑，添加量為水泥重量3%，在噴漿

前30s前倒入攪拌桶，攪拌30s后即可開始注漿。攪拌30s后水泥漿的凝結時間為50min。

5.5 噴射注漿

根據(jù)現(xiàn)場情況我們選擇的方式為旋噴法，注漿管下到預定位置后，開始送漿在孔底定噴數(shù)秒，調(diào)整泵壓至設計值并孔口返漿正常后開始邊旋轉邊提升。施工過程中，按要求隨時檢驗并記錄提升速度、噴漿壓力與流量、進漿和回漿比重等；每孔需作制漿與耗漿（水泥量）統(tǒng)計和記錄。

噴漿管下沉到達設計深度后，停止鉆進，旋轉不停，噴射時，高壓泥漿泵壓力增到施工設計值（20MPa以上），坐底噴漿30s后，邊噴漿，邊旋轉，水泥漿與樁端土充分攪拌后，再邊噴漿邊反向勻速旋轉提升注漿管，提升速度為0.1m/min~0.2m/min，Φ500mm止水帷幕注漿范圍向下范圍為鉆至不透水巖層，向上平均有效樁長約為11m。

5.6 沖洗

噴射施工完成后，應把注漿管等機具設備采用清水沖洗干凈，防止凝固堵塞。管內(nèi)、機內(nèi)不得殘存水泥漿。

5.7 補漿

高壓噴灌結束后，在孔內(nèi)水泥漿液固結過程中因體積收縮，同時孔內(nèi)漿液仍向孔壁四周范圍有一定滲漏，孔內(nèi)漿液將出現(xiàn)一段時間的沉面下降，應不間斷地將漿液回灌到已噴孔內(nèi)，并保持壓漿作用，直至孔內(nèi)漿液面不再下沉為止。注漿完成以后需要間隔4h，等水泥漿全部終凝后才能開始下一步施工。

5.8 泄壓

高壓旋噴樁終凝過后，開始泄壓，泄壓的管線為機頂下部原有的注漿管道，打開注漿管道開關后開始泄壓并觀察壓力表上的讀數(shù)并記錄，每10min記錄一次，由于機頭前端范圍已密閉，泄壓時間應該會很短，如果1h后壓力一直未變化且無法查明原因時則需要關閉泄壓管道，請設計、地勘、監(jiān)理、甲方等現(xiàn)場商議解決辦法（泄壓過程中管道內(nèi)部不能有人）。

5.8.1 刀盤重新啟動流程

開倉清理刀盤完成后，需重新對刀盤內(nèi)部的管線連接進行復檢，復檢合格后隨即重新啟動刀盤，流程如下：確認閘閥、蝶閥打開——開啟泥水分離器——打開22kW進水泵將進水泵轉速調(diào)至最小——再啟動55kW排泥泵（全速）開始內(nèi)循環(huán)——內(nèi)循環(huán)出水正常后，開啟后供水——直通閥進行后倉循環(huán)——后倉循環(huán)至不出渣且泥倉壓力保持在0.07MPa~0.1MPa之間——開啟前供水保持泥合壓力在0.08MPa~0.1MPa之間——啟動刀盤——電流穩(wěn)定正常后——開始頂進。

5.8.2 泥漿壓力控制

增加一臺大功率注漿泵注入更高濃度膨潤土泥漿，以減少地下水及流沙對泥漿濃度的影響，也可以保持泥倉的壓力。并在機頭進水口處增加蝶閥，在排水口處增加閘閥進一步保持泥倉壓力。增加并聯(lián)一臺22kW進水泵，以加大供水量快速提高泥倉壓力，并加快流速防止堵倉、堵管。在頂進過程中泥倉壓力要略大于地下水與土壓之和，本次地下水壓力為0.05MPa，所以泥倉壓力要控制在0.08MPa~0.1MPa之間，可以通過調(diào)節(jié)泥漿量來控制。對于不同的地層，泥漿濃度也不同，對與沙層，泥漿濃度控制在1∶1.2，卵石層泥漿濃度要達到1∶1.4。

5.8.3 頂進速度控制

頂進速度控制取決于兩個參數(shù)，頂力和刀盤電流，頂力控制在管材和后靠背承受力的80%以內(nèi)，本次機頭的刀盤電流應控制在180A以內(nèi)（因為在砂卵石層）。不同的地質(zhì)情況刀盤電流控制也不同，在沙層中刀盤電流在120A~140A之間，卵石層在140A~180A之間，可從儀表盤上觀察，通過控制頂進速度調(diào)整，小了加速，大了減速。

5.8.4 換管速度控制

換管速度快慢也是決定機械頂管成功與否的關鍵因素，在砂礫石層中換管時間過長，會直接導致泥漿壓力在掌子面前端流失，從而導致堵管、卡鉆。施工時需提前備管、并增加換管的人員，提高換管的速度，減少換管停止的時間，換管時間應控制在60min以內(nèi)。

6 結束語

采用泥水平衡機械頂管施工技術在城區(qū)進行污水管網(wǎng)鋪設，從目前來講是大趨勢，面對復雜多變的施工條件，前期地勘報告的準確性是直接決定該工藝成敗的關鍵因素之一。其次，在施工前需提前預判施工過程中會遇到的各種風險，在風險不可控的情況下，可提前對機頭進行改造，在機械頂管施工過程中持續(xù)對泥漿濃度、泥倉壓力、刀盤電流、鉆進速度等參數(shù)的監(jiān)控與調(diào)整，保證施工過程的安全性、經(jīng)濟性、連續(xù)性，通過加強各施工環(huán)節(jié)管控，繼而使工程施工質(zhì)量得到保證。