超大直徑頂管穿越河道淺覆土時的施工技術研究*

朱新華 毛海明 黃金明 趙國強

1. 上海市城市排水有限公司 上海 200233；2. 上海城建市政工程（集團）有限公司 上海 200065

1 工程概況

上海市污水治理白龍港片區南線輸送干線完善工程（東段輸送干管）SST2.4標采用2Φ4 000 mm鋼筋混凝土頂管施工。工程位于浦東新區川沙地區，主要沿迎賓大道南側和北側綠化帶敷設，線路為迎賓7#井（含）～遠東3#井（含），總長8 708.8 m。其中遠東1#～遠東2#頂管區間中遠東1a#～遠東2#長度為892.9 m，管間中心距為 9.6 m。遠東1a#井和遠東2#井管中心標高均為－8.37 mm，平水直線頂進。當頂進到約288.8～485.4 m段時，頂管下穿沙泥河，河底最深標高約為－1.18 m；當頂進到約410～440.3 m段時，頂管下穿浦東新區永安制塑廠外的駁岸方樁，方樁尺寸為200 mm×200 mm，樁長5 m，樁底標高約－1.30 m；當頂進到約846.2～862.8 m段時，頂管下穿中橫港，河底標高約為－0.03 m；頂管出洞口處無管線，進洞口處有給水、電力等管線（圖1）。

圖1 工程概況

本工程頂管覆土厚度約為6～12 m，覆土淺薄處皆為穿越河浜及溝渠處。頂管所穿越的土層主要為④層淤泥質黏土和⑤1灰色黏土，該土層分布穩定，厚度較厚，但土質較差，呈流塑狀，施工易受擾動，容易導致開挖面失穩。由于混凝土管節及工具管質量較大，土體較軟，頂管進出洞和軸線控制難度相應增大，易發生各種失穩問題。場地地下水埋藏較淺，地下水對頂管施工影響很大。淺層潛水由于頂管開挖出土產生水頭差而滲流，導致粉性土產生流砂，對頂管施工不利。

2 工程難點、風險點及相應對策

本工程是目前世界管徑最大的平行頂管項目，且在過程中穿越河流，河道段的覆土厚度小于5 m，為淺覆土頂管施工。本工程的施工難點、風險點及相應對策如表1所示。

表1 工程施工難點、風險點及相應對策

3 頂管設備選型

3.1 頂管機介紹

本工程采用全新研制的大刀盤泥水平衡式頂管機施工，對面板上的刀頭、刀座和布置形式，進泥口的大小，機內泥水管路的布置都進行了改進。

本頂管機采用泥水自動平衡系統，實現遙控操作并集合數據采集和數字監控系統，同時后續可進行頂管機盾構化改造。

3.2 頂管機特點

（a）使用設置在中控室的觸摸屏控制臺進行遠程控制操作。

（b）頂管掘進機采用變頻電機，頻率設定范圍為10～50 Hz，同時可選擇刀盤旋轉方向，符合實際施工工況的需要。

（c）采用變頻調速技術的進排泥水泵裝置，通過調節進泥量和排泥量使泥水倉壓力與開挖面水土壓力達到平衡。

（d）頂管機機尾設置遠程控制同步注漿裝置，并設置壓力表及流量計，確保頂進過程中建筑空隙及時填充，對減小沉降及頂力控制有積極作用。

4 開挖面穩定控制技術

泥水平衡頂管施工時，開挖面的穩定機理是以泥水壓力來抵抗開挖面的土壓力和水壓力，同時主要以泥水壓力控制開挖面變形和地層變形。

當泥水壓力大于地下水壓時，泥水會滲透進入土中，在土壤的孔隙之中形成一定比例的懸浮液，由于土與泥水之間的作用力，懸浮液中的懸浮顆粒會凝聚在泥水與土體的接觸表面，進而形成一道滲透性很小的泥膜[1]。只有形成泥膜，泥水倉的泥水壓力才能有效地作用在開挖面后的土體上，從而防止開挖面的變形及坍塌，確保施工過程中的開挖面穩定性。

4.1 泥水倉壓力控制技術

通常，密封倉泥水壓力的調節主要靠調整頂管機的推進速度、泥漿性質和排泥管以及進泥管的泥水流量來控制，其設定流程見圖2。

圖2 泥水壓力設定流程

4.1.1 進泥和排泥速度

當其他施工因素不變時，在泥水循環中，通過進出漿量的平衡使得泥水倉中的泥水維持在一定壓力下，通過改變進漿量和出漿量可以控制開挖面的支撐壓力值。當排泥速度過大而泥漿進入泥水倉速度過小，則開挖面處在欠支護狀態，泥水倉壓力下降；而當排泥速度過小而泥漿進入泥水倉速度過大，則開挖面處在超支護狀態，泥水倉壓力上升[2]。

4.1.2 頂管推進速度

頂管推進速度的增加意味著單位時間開挖土體體積的增大，若其他因素保持不變，則更多的土體成為泥漿而滯留在泥水倉中，因此泥水倉受擠壓壓力會增高。反之，推進速度的減小使泥水倉泥水壓力減小。

4.1.3 泥漿性質

根據泥水倉泥水壓力與其主要影響因素的關系，在正常施工過程中的泥水倉壓力控制方法如下所述：

（a）開挖面完全與頂管機內隔絕，要在泥水倉內布置壓力傳感器（需在頂管機中上部布置），通過傳感器隨時測量頂進過程中的泥水壓力；

（b）由于泥漿重力影響，對黏聚力較小的地層，往往會在開挖面頂部形成一定體積的空腔，當空腔較小時對地面沉降影響較小，當空腔較大時開挖面就會產生較大沉降。為了保持泥水壓力支護的有效性，須控制泥水倉泥漿充滿；

（c）操作人員通過地面操作室內的顯示屏觀察頂進泥水壓力和設計泥水壓力的偏差值以及現場地表監測數據，調節頂進速度，控制地表變形；

（d）若實際泥水壓力與設定值之間差值很大，則應查明原因并采取對應措施，同時加強對周圍環境影響的檢查；

（e）壓力調控范圍的確定。在泥水控制過程中，須控制泥水壓力不超過主動控制線和被動控制線界定的范圍。

4.2 不同情況的泥水倉壓力控制措施[3-5]

4.2.1 頂管進、出洞時泥水倉壓力控制

頂管進、出洞口段通常為加固區域，頂管要在進出洞口段建立泥水平衡，必須要具備較好的洞口止水條件，既能防止大量泥水浸入井內，又能保證泥水倉的泥水壓力平衡與穩定，這時可以考慮止水裝置。

4.2.2 掘進速度與泥水倉壓力控制

開始推進和結束頂進之前的速度不宜過快，與泥水壓力相匹配，保證開挖面的穩定和相對地層的干擾。一環掘進的過程中，掘進速度應盡量保持恒定，減少波動，以保證泥水壓力穩定和進、排泥管的暢通。

4.2.3 頂管停機時泥水倉壓力控制

頂管停機時，開挖面泥水壓力往往會有所下降，開挖面的穩定性會受到影響，因此在頂管停機之前減少排泥量，通過擠壓提高倉內液體濃度以提高停機時泥水倉內的泥水壓力。

4.2.4 穿越河道時的泥水倉壓力控制

穿越河道時，為防止由于泥水倉壓力過大，導致河底穿孔造成漿液上串和河水下滲，故需嚴格控制泥水倉壓力。穿越河道頂進施工過程中泥水倉壓力比正常頂進過程中小0.1～0.2 MPa，同時保持壓力的穩定。

5 注漿減阻技術

5.1 注漿工藝

注漿為三條線：一是機尾同步注漿，二是沿線的管道補漿，三是洞口處的注漿。

5.1.1 機尾同步注漿

觸變泥漿由地面液壓注漿泵通過D50管路壓送到1#注漿泵站，再由1#注漿泵站向機尾壓漿。機頭后的同步注漿的漿套應該隨著機頭的頂進不斷向前延伸。在機頭處安裝隔膜式壓力表，以檢驗漿液是否到達指定位置。同步注漿的壓力應與靜止土壓力平衡，對于本工程的黏土，注漿量為建筑空隙的2 倍左右。

5.1.2 沿線的管道補漿

沿線的管道補漿按順序依次進行，每班不少于2 次循環，定量壓注。補漿量根據892.9 m的頂進長度基本確定為同步注漿量2 倍。

5.1.3 洞口處的注漿

在工作井洞口止水裝置前的建筑空隙處設置3～4 個注漿孔，當管道外壁進入洞內，未與土體磨擦之前就先浸滿漿液。觸變泥漿隨管外壁向土體滲入，這樣可以避免管外壁入土后產生背土的現象。

5.1.4 穿越河道淺覆土注漿

在頂管穿越河道淺覆土進行壓漿時，嚴禁對管道頂部和頂部注漿孔進行注漿，防止由于注漿壓力造成河底穿孔及管道上浮等現象。穿越河道淺覆土注漿應在管道兩側注漿孔進行壓注，并且嚴格控制注漿壓力和注漿量。

5.2 觸變泥漿的配方和性能指標

本工程采用觸變泥漿的配方和性能指標如表2所示。

表2 觸變泥漿的配方和性能指標

5.3 頂力控制效果

通過以上注漿工藝，頂管的頂力得到了較好的控制，穿越河道段通過各施工參數的調整優化頂力也無明顯變化。

5.4 減摩效果

本段頂管只在頂進初始階段f值接近5 kPa，在其后頂進中f值基本保持在1 kPa左右，減摩效果十分明顯。

6 頂管頂進控制技術

6.1 頂進速度控制

在穿越河道前頂進速度保持在50～60 mm/min，穿越河道淺覆土施工過程中控制在35～45 mm/min，防止由于頂進速度過快導致偏差過大和管道糾偏產生分力，引起管道上浮等不利情況出現。在頂進時應對頂進速度作不斷調整，找出頂進速度、泥水倉壓力、泥漿性質的最佳匹配值，以保證頂管的頂進質量。

6.2 頂進姿態控制

（a）施工過程中，應該貫徹勤測量、勤糾偏、微糾偏的原則；

（b）應該確定頂管姿態的報警值，當頂管姿態達到報警值時，現場施工人員必須遵循逐級匯報制度；

（e）頂管的糾偏操作應根據頂管姿態變化曲線圖經過分析以后作出糾偏的方案；

（f）0.5°以上的大動作糾偏須盡量避免并慎重討論，不得已時也應爭取在非重要地段進行并加強觀測；

（g）糾偏操作應參考頂進過程中的機頭姿態變化曲線圖，貫徹勤糾、微糾的原則。

采用以上技術方法，頂管軸線一直處于受控狀態，頂管機的偏差控制在設計規定范圍之內。

7 結語

在本工程超大直徑頂管淺覆土頂進施工過程中，首先要嚴格控制泥水倉壓力、頂進速度和出泥量3 個關鍵參數相適應，還要嚴格控制頂進方向，盡量避免因工具管糾偏引起的地層損失。同時，采用了觸變泥漿壓漿控制技術、信息化施工控制技術，最終在穿越沙泥河、駁岸方樁及中橫港后，頂管隧道順利貫通。通過文中所述措施的采用，可以有效提高淺覆土頂管施工的成功率。