穿越海底粘土和孤石復合地層的頂管技術

摘 要：穿越海底粘土和孤石復合地層的頂管在國內的施工經驗較少，對施工過程中的各項關鍵技術要求比較高。本文所述為過海段頂管工程。在海上處理沿線孤石存在極大的風險，該工程經過對關鍵技術的優化應用解決了海上處理孤石的風險。

關鍵詞：頂管；海底；復合地層文章編號：2095-4085（2024）02-0105-03

1 工程概況

廈門翔安新機場片區地下綜合管廊PPP工程過海段頂管工程全長708m，斷面為外徑3.6m的鋼筋混凝土管，分市政艙和電力艙雙線，管位處于海底20m深，從大嶝側按0.3%縱坡向翔安東路側頂進，主要地質為全風化層、殘積砂質粘性土層及粉質粘土層。

2 地質勘察

采取CT探測技術［1］對海底地質進行勘察，彌補了地質鉆孔在探測精度及范圍的不足；通過三維重建，可以取得地下構筑物精準定位。根據探測出的地質特性，可提前優化施工方案，選定施工機型設備，減少排障對周圍構筑物的影響。本工程頂管探測出頂管軸線上共計48處孤石，其中市政艙30處，電力艙18處。

3 頂管機選型與優化

結合CT探測技術測得的地堪資料，對頂管機進行優化設計。

（1）刀盤刀具布置采用高強破巖滾刀、破巖撕裂刀、頂土刮刀交替設置，有效應對黏土和孤石復合地層。

（2）增大刀盤開口率，本項目刀盤開孔率為25%。

（3）針對此地層局部巖石硬度較高，動力系統設計為大轉速比，增強扭矩，增加機頭穩定性。

（4）刀盤采用整板開洞，頂管機分二次破碎，刀盤滾刀第一次破碎，喇叭口二次破碎；格柵開孔為45×65，以應對土層時排泥阻力大的缺陷。

（5）在泥倉增設2根2寸水路沖水，防止刀盤結泥，增大扭矩。

4 泥漿管排障器設計

頂管在頂進過程中遇到破碎后的孤石，經常在泥漿泵巨大抽吸力的作用下會把比較大的碎石抽進泵管內部，而導致泵殼損壞和堵管的情況，本工程在頂管頂進過程中出現過幾次類似的情況。經過多次的研究和實踐，在機頭管和泵管之間設置一個緩沖器，可以有效的解決堵管和泵殼損壞的現象。

緩沖器采用鋼板焊接的正方體，尺寸大小根據現場實際設置，正方體鋼板的前面和后面開孔連接機頭管和泵管；在機頭管和泵管中間連接一個鋼絲軟管，鋼絲軟管的作用為降低巨大的碎石沖擊力；在鋼板箱每水平設置一道鋼筋過濾網，把碎石過濾在鋼筋網上，防止碎石進入泵管內；在鋼箱的頂部開一個淘渣孔，在鋼箱堆積比較多碎石時停機淘渣（見圖1）。

5 機頭管設計

頂管頂進的反力主要由千斤頂提供，刀盤在切削土體的扭矩主要由頂管機殼體與周圍土體摩擦力形成的摩擦力距來平衡。在頂進切削土體的過程中，如果周圍土質穩定性比較好，那么摩擦力距可以平衡刀盤切削土體所帶來的扭矩；當土體穩定性不好時摩擦力距無法平衡刀盤切削土體所帶來的扭矩，容易使機頭產生自轉，帶動管節轉動，造成軸線的偏位。本工程在管節制作時預先在管節相應位置預埋15cm×15cm鋼板作為機頭管，然后采用圓鋼進行管節跟機頭設備之間的鉸接，形成一個整體，增大摩擦力矩（見圖2）。

6 觸變泥漿配合比設計

本項目是過海頂管，必須對海水進行化學成分分析，確定觸變泥漿的配合比。對海水樣本分析測試結果為：海水鹽度1.87%；濕篩余量（+75um）2.87%；漏斗粘度30.2s；濾失量20.5ml；pH值9.8；膠體率100%。根據海水樣本分析結果，對膨潤土（高粘性）進行配比設計：（1）純海水配漿：膨潤土與海水比例為10∶100，抗鹽添加劑一方水加2.0kg。（2）自來水配漿：膨潤土與水比例為8∶100，抗鹽添加劑一方水添加200～400g，可以保證膨潤土漿在海水環境下保持性能。

通過對比分析，本項目采用第二種配比，可降低對注漿設備的腐蝕程度，同時節約材料的用量，提高經濟效益。

7 中繼間布置間距設計［2］

為了防止遇到土質突然變化和其他的不測，基坑主頂實際推力達到最大設計值的50%時，安裝第一個中繼間，頂管機后的第1個中繼間應提前安放，須留有較大的余地。當基坑主頂的實際推力達到最大設計值的60%時，需啟用第一個中繼間。第二臺以后的中繼間安放的時機是：每當基坑主頂實際推力達到最大設計值的70%時，須安放一個中繼間。每當基坑主頂的實際推力達到最大設計值的80%時，須啟用該中繼間。

所以第一個中繼間安放位置為：

0.5F=μπDL1+F0

F0=π4D2γsHsKp

Kp=tan245°+φ2

γs取18.5（取土層中最大的殘積土容重）；φ取28°（取土層中最大的殘積土內摩擦角）；μ取25kPa（取土層中最大的殘積土單位摩阻力），在使用觸變泥漿后實際取得的摩阻力為3.95kPa。

由上式可得：在未使用觸變泥漿時L1=21.02m；在使用觸變泥漿時L1=133.04m。綜合考慮后，本項目的第一個中繼間在63m處安放。

最后一個中繼間安放的位置為：

Lz=FμπD=17 0003.95×3.14×3.6=380.73m；

中間中繼間安放的位置為：

L=0.7FμπD=0.7×17 0003.95×3.14×3.6=266.51m；

那么，708m的頂管所需的中繼間為：

n=（708-21.02-380.73）÷266.51+1=2.95。

根據以上綜合驗算，708m頂管所需中繼間個數為3個，本項目根據項目地質實際考慮確保頂進順利，第一個中繼間安放的位置為63m處，第二個中繼間在278m處，第三個中繼間在493m處。

8 軸線監測

本項目長距離頂管［3］前300m采用激光測量監測頂管軸線及高程的偏差，在工作井內安裝激光經緯儀，按照管線設計的坡度和方向調整好激光經緯儀，同時在機頭內裝接收靶，如果頂進管道與設計坡度一致，那么激光點直射靶心，如果偏離靶心就需糾偏（見圖3）。

本項目頂進300m后采用激光定向和管內建立相對坐標來監測頂管的頂進軸線，此方法必須在停止頂進時監測。

運用架設于工作井內的激光經緯儀，在有效的激光發射范圍內管底投放量點分別為A、B及管口第一節管C點，兩點的距離為L1，兩點的距離不少于100m，管口C點的高程可以根據工作井內標準點高程測出，然后運用水準儀以C點為已知點測出A、B兩點的實際高程Ha、Hb（如圖4）。

管道內B點上架設全站儀，A點上架設棱鏡，首先用全站儀測量出A、B兩點間的距離L1，建立相對坐標，設定A為原點，頂管軸線方向為X軸，垂直于軸線方向為Y軸，則如圖5所示A點坐標為（0，0，Ha），B點的坐標為（L1、0，Hb），在管內B點測站點架設全站儀，A點為后視點架設棱鏡，同時用鋼卷尺量出全站儀和棱鏡高度，在全站儀測量模式下對應輸入A、B兩點的坐標及相應的儀器和棱鏡高，測量定向后，在機頭靶心的位置放置棱鏡，并量出棱鏡的相對高度，測量采集出D點的坐標（L2、y、Hc）（如圖5）。

根據A、B、D點的坐標值和各點間的距離結合軸線設計坡度就可以計算出頂管軸線的偏差值，根據偏差值進行頂管軸線的糾偏（見圖6）。

9 結語

本工法應用通過對地質探測技術、頂管機選型優化、頂進施工過程的方案優化設計，降低了頂管機在長距離海底黏土和孤石復合地層頂進施工風險。

頂管施工是一項技術要求高，施工難度大的工程。在頂管施工前期需要做充分的方案研究與論證，對頂管施工過程中可能遇到的風險進行分析研究，提前排障，以確保工程的順利進行。

參考文獻：

［1］鐘宇，陳健，閔弘，等.跨孔聲波CT技術在花崗巖球狀風化體探測中的應用［J］.巖土力學與工程學報，2017，36（S1）：3440-3447.

［2］葛春輝.頂管工程設計與施工［M］.中國建筑工業出版社，2011.9.

［3］李曉磊.土壓平衡法在大管徑、長距離頂管中技術控制［J］.《城市建設理論研究（電子版）》，2015（29）：1735.

作者簡介：鐘煥富（1986—），男，漢族，福建廈門人，大學，工程師。研究方向：工程施工。