高承壓水流沙層大口徑鋼頂管進洞關鍵技術

王帥

（上海公路橋梁（集團）有限公司，上海市200433）

高承壓水流沙層大口徑鋼頂管進洞關鍵技術

王帥

（上海公路橋梁（集團）有限公司，上海市200433）

為保證上海黃浦江上游水源地連通管工程中高承壓水流沙層大口徑鋼頂管的進洞順利，針對該工程的地質特點，提出了由沉井地基加固、降水、洞口高壓旋噴加固、深井降水、頂管機頭改造、頂管施工過程控制等組成的高承壓水流沙層大口徑鋼頂管進洞關鍵技術，并成功應用于工程實踐。工程實踐結果表明：所提出的頂管進洞關鍵技術較好地保證了泥水平衡頂管在高承壓水、流沙層條件下的順利進洞，較好地解決了復雜地層中上海黃浦江上游水源地連通管工程的施工技術難題，具有良好的技術推廣價值，同時也為其他類似工程的施工提供了實踐參考。

高承壓水；流沙層；頂管；降水；高壓旋噴

0 引言

頂管施工因速度快、造價低、設備簡單、對周邊影響小等優勢，成為地下管道工程施工的首選，越來越廣泛運用于城市給排水、排污、電力隧道等領域。泥水平衡頂管法是機械化頂管施工的主要方法之一，適用于各類黏土、粉土、砂質粉土以及滲透系數較大的土層，但是在含有高承壓水的流沙質土層中進洞，確實存在很大的施工風險，對施工管理及技術要求也非常高[1-8]。

因此，為保證上海黃浦江上游水源地連通管工程中高承壓水流沙層大口徑鋼頂管的進洞順利，提出了由沉井地基加固、降水、洞口高壓旋噴加固、深井降水、頂管機頭改造、頂管施工過程控制等組成的高承壓水流沙層大口徑鋼頂管進洞關鍵技術，并成功應用于工程實踐。

1 工程概況

1.1 總體工程概況

黃浦江上游水源地作為上海市四大集中式飲用水水源地之一，在全市供水水源格局中占有重要地位，供水范圍涉及青浦、金山、松江、閔行和奉賢等地區，供水規模達351萬m3/d。連通管工程是黃浦江上游水源地的重要組成部分，主要建設內容為輸水管線與松江泵站。

1.2 JB09～JB08頂管段工程概況

J B09～J B08段頂管（見圖1）共637.6 m，管道中心標高為-8.0～-12.5m（下水頂進），坡度為7.06‰，管道覆土深度9～12 m，主要涉及③3黏土、⑥1-1粉質黏土、⑥1-2粉質黏土、⑥2-1砂質粉土、⑥3粉質黏土夾粉性土土層（見圖2）。J B08號井洞口處有100 m大斷面⑥2-1砂質粉土層，頂進風險較大。各土層性質見表1。

圖1 工程示意圖

圖2 地質剖面圖

2 沉井地基加固

2.1 地基加固

J B08號沉井井位約有一半位于河道內（見圖3），為防止由于地基不均勻下沉引起井身開裂，需對沉井施工范圍內的地基進行加固。地基加固方案如下：

（1）在河道兩端施工圍堰，斷面為梯形，規格3 000 mm×7 500 mm×4 630 mm，兩側圍堰長度分別為17.0 m、27.1 m，圍堰完成后將圍堰內水抽除；

（2）對圍堰內的河道淤泥進行清挖、外運，并用碎磚等回填，回填標高2.322m；

2.2 沉井下沉期間降水處理

J B08號井底板抗突涌穩定條件：在底板至承壓含水層頂之間，土的自重壓力應大于承壓水含水層頂處的承壓水頂托力，可按下式進行承壓水位控制：

圖3 JB08號井位地基處理示意圖

式中：F為安全系數（取1.05）；hs為基坑開挖深度，m；D為安全承壓水頭埋深值，m；H為承壓含水層頂埋深值，m；γs為基坑底板至承壓含水層頂間的土層重度，k N/m3；γw為地下水的重度，10.0 k N/m3。

J B08號沉井刃角埋深20.80 m，參考T121號勘探孔，地面標高取+2.18 m，⑥2層頂埋深取11.20 m（標高-9.02 m），⑥2層底埋深取23.17m（標高-21.12m）。由于J B08號沉井刃角埋深20.8m（標高-18.75 m），已經進入了⑥2層微承壓水層。根據現場完成的⑦層承壓井觀測結果，該工程目前的⑦層承壓水埋深地面以下3.0 m（標高-1.0 m），⑦層承壓水水位控制見表2。

根據穩定性分析的結果，在J B08井位周邊布置12口降水、降壓井（見圖4）：⑥2層承壓水布置10口降水井，井深26.0 m；⑦2層承壓水布置2口降壓井，井深42.0 m。⑥2-1砂質粉土滲透系數取3.0E-4，參考T121號勘探孔，地面標高取+2.18 m，⑥2層頂埋深取11.20 m（標高-9.02 m），⑥2層底埋深取23.17 m（標高-21.12 m）。降水約3 d后，坑外水位云圖如圖5所示。

表1 土層工程地質性質表

表2 ⑦層承壓水水位控制埋深

圖4 JB08工作井降水井布置圖（單位：mm）

降水井降水期間監測結果表明：降水井排水量非常大，水位持高不降，且靠近黃浦江一側的降水井水位比其他降水井水位上升速度快。沉井封底時也存在較大困難，因此采用分倉封底、留設卸壓孔逐步封底的方式。

圖5 沉井外水位云圖

3 洞口加固

3.1 洞口高壓旋噴加固

J B09～J B08頂管需穿越高壓鐵塔群（最近水平距離為6.0 m）及1 650 mm×1 050 mm排水箱涵（埋深約1.3 m，垂直交叉，距離管頂8.5 m）。為確保安全，對頂管穿越地層進行了詳細復探，探測結果顯示：J B08號井位至東側小河浜⑥2-1砂質粉土在高承壓水作用下，易產生流沙、管涌，且沉井施工期間通過降水觀測疑似⑥2-1砂質粉土層與太浦河形成通道，導致地下水壓力過大，因此需對⑥2-1層承壓水影響較大的區域進行土體加固[9-12]。

J B09～J B08為下水頂進，坡度為7.06‰，且接近J B08號井洞口處有100 m大斷面⑥2-1砂質粉土層，頂進風險較大，對此100 m土體進行高壓旋噴加固，并在距離機頭正前方1.0 m及頂管機兩側1.2 m處打設三排800@600的高壓旋噴樁，與之前洞口加固形成封閉形狀。

高壓旋噴樁技術要求為：水泥采用強度等級不低于42.5級普通硅酸鹽水泥，水泥摻入量不小于25%；漿液水灰比為0.7～1.0，水泥土加固體的28 d齡期無側限抗壓強度不低于1.0M P a。漿液擴散半徑不小于0.40m，樁身間搭接長度不小于200mm；滲透系數不大于1×10 c m/s，樁長23.75m（+3.0 m～-20.75 m）。

當此段頂管頂到⑥2-1砂質粉土層時進水管路將清水改為一定濃度的泥漿水，且管道內放置一臺打土泵，以防頂管機在此段頂進下磕時在機頭下部進行打土。圖6為洞口旋噴樁加固與降水井布置示意圖。

3.2 深井降水

為了確保機頭能順利進洞，在旋噴加固內部布置5口降水井（編號1#、2#、3#、4#、11#），旋噴加固左側布置4口降水井（編號5#、6#、7#、8#），旋噴加固正前方布置2口降水井（9#、10#）。

圖6 洞口旋噴樁加固與降水井布置示意圖

4 機頭改造

為了確保工程進度，適應⑥1-1粉質黏土及⑥2-1砂質粉土土層，通過專家會議確定對機頭進行改造，將原有土壓平衡機頭改為泥水平衡機頭。

（1）刀盤改造

原有刀盤為土壓平衡刀盤，將其改為泥水平衡刀盤。

（2）泥水系統

將原有的螺旋機出土拆除，增加機內旁通，設置進水、排泥管路，改為泥水系統，并增加機內旁通的液壓控制系統。

（3）增加打土設施

為了確保在⑥2-1砂質粉土土層頂進的安全，擬在機頭內增設打土設施。

5 頂進控制

5.1 頂管軸線測量及糾偏控制措施

鋼頂管對偏差可以說是“零容忍”，偏差一旦存在，它將一直存在并危害整體，所以長距離鋼頂管中的大偏差是嚴格禁止的。發現方向的偏差必須立即控制，嚴防惡化。J B09-J B08段頂管施工距離長達637.6 mm，且為下坡頂管，下坡度7.06‰，且在流沙層中頂進，軸線測量、糾偏任務異常艱巨。

針對措施：

（1）慢頂勤糾，頂進軸線發生偏差時，通過調節糾偏千斤頂的伸縮量使偏差值逐漸減小并回至設計軸線位置。

（2）測量采用G P S技術測放控制網，頂進方向由激光導向儀提供，過程中使用全站儀加密復測導向。

（3）在施工過程中，控制頂力及頂進速度，應貫徹“勤測、勤糾、緩糾”的原則，不能劇烈糾偏，以免對管節和頂進施工造成不利影響。

（4）頂進時應及時掌握工具管的走勢，頂進時可以通過觀察工具管的趨勢指導糾偏。

通過以上措施，該工程9次進洞均實現精確進洞，軸線最大偏差僅為5.4 c m。

5.2 注漿工藝革新

頂進時頂力F計算：

式中：P為刀盤土對頂管機的作用力（一般刀盤前方土倉內平均土壓力控制在0.1～0.15 MPa）;P為130～200 t;F摩為管道周圍土體作用在鋼管上的摩擦力。

式中：f為管道外壁與土的平均摩阻力,頂管頂進時主要通過注漿孔向鋼管外側注入觸變泥漿降低平均摩阻力。

為了適應鋼管在流沙土層中的頂進，通過研究我們在傳統注漿工藝中加入高分子材料形成了系統性的膏漿技術，大大增強了觸變泥漿的保水性、耐久性、支護性等性能，注入的膏漿在管道外圍形成完整的泥漿套后，摩阻力可由1.2～2.0 t/m2降至0.09～1.1 t/m2。

6 結語

降水過程會引起地面下沉，所以要隨時觀測，以免對周邊的高壓鐵塔群產生影響。做好降水前的各項準備工作，施工中加快管道的頂進速度，并及時停止頂進后的降水井的抽水，必要時在下沉部位進行打土平衡，頂管完成后，對施工段進行靜壓灌注水泥漿加固。通過以上措施，順利完成了大口徑鋼頂管在高承壓水、砂質粉土層中的進洞，并順利完成了洞口封堵。監測數據顯示，高壓塔群周邊地貌正常，無較大沉降。

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T V52

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1009-7716（2017）06-0208-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.062

2017-04-05

王帥（1985-），男，上海人，碩士，工程師，從事城市市政工程建設工作。