砂礫石地層中頂管施工遇到的問題及處理方案

□李志宏 □王建輝 □陳維杰 □黃聰樂 （平頂山市水利勘測設計院；平頂山市水利工程質量監督站；洛陽市前坪水庫建設處；中建電力建設有限公司）

1 問題的提出

項目屬于河南省南水北調中線受水區平頂山段供水配套工程，負責向魯山縣城供水，起點南水北調總干渠分水口門末端，輸水管線由張村泵站加壓輸水，終點為魯山縣白果樹水廠。中間穿越魯（山）平（頂山）大道砂礫石地段采用泥水平衡法頂管施工，頂管兩端起止樁號為B6+020.999～B6+218.174，總頂管長度197.18m，設計套管內徑DN1400mm（涂塑復合鋼管外套鋼筋混凝土管）、內穿輸水鋼管直徑DN800mm，套管頂部距地面9.50m，設計頂管施工工藝流程為：施工準備→沉井施工（下沉）→沉井封底→頂管設備安裝、調試、試運行→頂進→掘進機接受→設備拆除→功能性試驗。

2015年1月22日完成設備安裝、調試、試運行工作；23日10時開始正式頂進施工，當日進尺3.50m（機頭頂進）；24日進尺2m，總進尺達到5.50m，下午頂管進口處上方地面（沉井井壁）出現塌陷，塌坑直徑2m、坑深1.50m，隨采用壤土回填，裝載機壓實；25日進尺6m，總進尺達到11.50m，沉井井壁外側靠進口處再次出現塌陷，仍采用壤土回填；26日進尺12m；27日進尺4m（頂力由340t驟升至400t）；28日進尺2m，總進尺達到29.50m，下午5：30在距離頂進端26m處出現地面塌陷，造成地表電線桿下沉，輸電線路斷電而停工；29日沉井內積水深度達到3m以上，井下電機、機頭及設備線路全部遭淹。

2 成因分析

2.1 頂管機機頭選型不當

在沉井施工時即發現該處為砂礫卵石地層（成分以石英巖、石英砂巖為主），最大礫石直徑達15cm以上，所以承包方許昌水利建筑工程有限公司在制訂的頂管施工方案中提出選用TPN改進型泥水平衡二次破碎頂管機頭，這種機頭的最大特點是通過一次破碎將超徑礫石破碎成二破能夠接受的程度，然后由二次破碎將其進一步粉碎成能被管道輸送的粒徑而送出井外。但遺憾的是，頂進作業隊在施工時調換為NSPD1400型頂管機，這種普通型泥水平衡頂管掘進機沒有配置二次破碎裝置，遇到大粒徑礫石時無法粉碎外排，只能向前平推擠壓，這也可能是造成推力逐日加大、進尺逐日減緩的主要原因之一。

2.2 注漿量不夠

《頂管施工規范》（DG/TJ08-2049-2008）第6.5.3.1規定：注漿孔的布置宜按照管道直徑的大小確定，每個斷面可設置3～5個，并具備排氣功能。而承包人制定的施工方案則為每2節管設置一組注漿孔，每組為2個，明顯不足且不符合規范要求。注漿量不足的直接危害是難以保障泥漿潤滑液均勻地完全覆蓋整個管道表面，從而起不到設計的減小摩阻力作用，這也是導致推力日益增大、進尺日益減緩的主要原因之一。

2.3 洞口止水圈損壞

洞口止水圈的作用是封堵套裝與洞壁之間的泥、水外溢，確保泥漿傳輸系統正常運行。然而從頂進施工的第二天起，洞口止水圈就出現破損漏水現象，此處漏水不僅帶出了剛從注漿孔灌入的觸變泥漿，進而破壞應有的減摩功效，而且大量漏水還極易沖帶流砂，進一步擴大掏空套管外壁與洞壁之間的空間，從而為誘發塌陷埋下極大的安全隱患，這或許也是1月24、25、28日連續3次出現沿線塌陷的主要原因。

3 解決方案

針對上述存在問題，對癥下藥的處理措施無非是更換機頭、優化注漿孔布局及漿液設計、修復加固洞口止水圈設施，其中的難點是更換機頭，因為現有機頭明顯不適合砂礫卵石地層中的繼續掘進施工，但所處位置位于地面以下9.50m、距工作井26m處，處理方案有三：一是在該處重新開挖工作井，更換新機頭后沿設計管線繼續頂進；二是在現有接收井中安裝新機頭，實施反頂作業；三是重新選線，另起“爐灶”施工。這其中所涉及的除了技術問題以外，還要看經濟上的合理性，需要由設計單位進行具體的對比論證，在此不多贅述，僅就更換具有二次破碎功能的新機頭及嗣后的施工技術要點提如下建議。

3.1 機頭選型應充分考慮掘進層的地質巖性特點

掘進層處于砂礫卵石層中，觀感砂礫卵石含量約70%～80%，個別最大粒徑達15cm以上，通層膠結性、成拱性差，整體呈單粒狀結構，且含水量大、易塌落，水位發生變化時可能誘發管涌、流砂現象。這就要求選配的機頭首先必須具備破石功能，同時泥漿注入系統具有自動調節功能，以保持對排土量的嚴格控制，防止造成地面沉降。頂管機機頭通常由刀具、刀盤、刀盤驅動裝置及推進裝置構成。刀盤根據不同的形式分為面板式和輻條式兩種，一般認為面板式擋土作用較好，有利于開挖面前方的土體穩定，而輻條式雖然扭矩較小，但對開挖面穩定不利，故建議選用面板式刀盤。刀具的選擇首要考慮耐磨性，最好選擇硬度較高的合金鋼材質，同時裝置二次破碎設施（如滾刀），以保證遇到大粒徑塊石時能夠先由刀盤上的滾刀將其一次破碎到能夠接受的程度，然后再由破碎機（圓錐形）將其剪碎而后排出。

3.2 頂進過程中要時刻關注地層巖性的變化，以維持泥水壓力與地層水、土壓力之間的平衡

通過井外儀表隨時觀察刀盤電機的電流量大小，始終掌握機頭刀盤切削扭矩的變化。扭矩變大，說明刀盤遇到硬物了，應及時通過注漿系統補充水或泥漿；如果扭矩變小，說明遇到的是土或沙，如果障礙物太軟（如遇到泥沙），則可把第1至第3節頂進管道及工具頭聯成一個整體，以增強它們的剛性，從而避免機頭突然沉陷。

3.3 改進洞口止水圈安裝形式

《頂管施工技術及驗收規范》（2006，試行）提出，埋深超過10m的洞口應設置2道橡膠止水圈，該頂洞雖然埋深為9.50m，但地處富含水層，一旦止水失事，易于產生管涌和流沙，因此設置2道止水圈及相應設置2道壓板是必要的，建議對施工方案進行修訂完善，確保止水效果。

4 結語

在復雜地質條件下進行頂管施工，機頭選型及科學操作是關鍵工序之一。既要考慮解決大粒徑、硬骨料的破碎問題，又要兼顧克服大水量、軟地基、易塌陷難題，當然還有經濟可行問題，這一切都需要從實際出發，根據地質條件的不同，制定出有針對的施工方案，切不可盲目照搬異地的做法。