泥水平衡頂管在復(fù)雜地層下的適應(yīng)性改進(jìn)技術(shù)

嚴(yán)國仙 韓舉宇 陳 強(qiáng) 夏 天

上海市政建設(shè)有限公司 上海 200438

頂管是一種敷設(shè)地下管線的非開挖施工技術(shù)，它無需大面積的地面開挖且可穿越公路、橋梁、鐵路、地面構(gòu)筑物等多種障礙，現(xiàn)已被大量運(yùn)用在給排水、石油、天然氣等各種市政管線工程之中，取得了良好的應(yīng)用效果。泥水平衡頂管施工技術(shù)運(yùn)用在沿海淤泥質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的軟土地區(qū)中較多，但在土質(zhì)較密實(shí)、土體強(qiáng)度較高且含有直徑較大姜結(jié)石的砂性土層中運(yùn)用較少，也缺少類似工程經(jīng)驗(yàn)。

常州市江邊污水處理廠管網(wǎng)擴(kuò)建工程位于常州市新北區(qū)，頂管穿越土層主要以粉砂夾粉土為主（局部混少量姜結(jié)石）。本工程采用面板式泥水平衡頂管機(jī)施工掘進(jìn)，但在施工過程中，其W10～W9頂管段遇到了刀盤泥水倉不進(jìn)土以致進(jìn)土不暢、粉砂夾粉土堵塞刀盤進(jìn)土口、頂進(jìn)困難的難題。為解決這一難題，從地質(zhì)土層特點(diǎn)、頂管機(jī)類型、實(shí)際施工狀況3個方面分析了大口徑面板式泥水平衡頂管機(jī)刀盤堵塞進(jìn)土口的主要原因；分析了姜結(jié)石堵塞泥水倉及排泥管路的主要原因，提出了適應(yīng)性改進(jìn)措施，對以后類似工程具有一定的參考意義[1-3]。

1 工程概況

常州市江邊污水處理廠管網(wǎng)擴(kuò)建工程W10～W9頂管段，管線沿長江北路由W10工作井向北到W9接收井進(jìn)行敷設(shè)。施工過程中，W10工作井頂進(jìn)約40 m時遇到刀盤泥水倉不進(jìn)土以致進(jìn)土不暢、粉砂夾粉土堵塞刀盤進(jìn)土口的問題；頂進(jìn)約485 m時又遇雙層大直徑姜結(jié)石堵塞泥水倉出水口及排泥管路，造成頂進(jìn)困難的問題。本段為φ2 200 mm鋼筋混凝土管頂管，直線頂進(jìn)，長度687 m。

本段頂管埋深約為11 m，主要穿越⑤1粉砂夾粉土層中，局部穿越⑤2粉砂層，上覆土層為③1黏土層。對頂管施工影響較大的地下水主要為淺層承壓水，穩(wěn)定水位在地面以下8.70～10.40 m。

2 遇不進(jìn)土問題的處理

2.1 施工參數(shù)

本段頂管從出洞開始均保持正常頂進(jìn)，頂力、掘進(jìn)速度、扭矩雖會有一定的波動，但均保持在正常范圍內(nèi)。而當(dāng)頂管頂進(jìn)至第16節(jié)管節(jié)，即40 m時，遇到了泥水倉不進(jìn)土的問題，此時出泥量較少，頂力出現(xiàn)異常，千斤頂油壓達(dá)24 MPa，換算頂力約為5 880 kN，驅(qū)動電機(jī)電流達(dá)110 A，已接近電機(jī)額定電流值，但依然不能頂進(jìn)。現(xiàn)場排泥管所排泥水顏色較清，含泥量較低，進(jìn)土不暢。

為此，對本段頂管第1～16節(jié)管節(jié)從出洞、正常頂進(jìn)到不能頂進(jìn)這一過程的施工參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)（表1）。

2.2 頂管頂力理論計(jì)算

頂管理論總頂力由管道與土層的摩阻力和頂管機(jī)的迎面阻力構(gòu)成，具體可采用公式（1）進(jìn)行計(jì)算：

F——總頂力，kN；

F1——管道與土層的摩阻力，kN；

F2——頂管機(jī)的迎面阻力，kN。

2.2.1 頂管機(jī)摩阻力計(jì)算

管道與周圍土體的摩阻力可采用公式（2）進(jìn)行計(jì)算：

表1 頂力、頂進(jìn)速度統(tǒng)計(jì)

式中：D——管道外徑，為2.665 m；

L——管道頂進(jìn)長度，為43.2 m，考慮機(jī)頭長度；

fk——管道外壁與土的平均摩阻力，為4 kPa。

經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)1=1 446 kN。

2.2.2 頂管機(jī)的迎面阻力計(jì)算

根據(jù)上海市頂管施工規(guī)程，以頂管機(jī)刀盤下部1/3處的被動土壓力為依據(jù)計(jì)算迎面阻力，具體采用公式（3）進(jìn)行計(jì)算：

式中：Ep——頂管機(jī)下部1/3處的被動土壓力，kPa。

Ep可采用水土分算或水土合算計(jì)算模式進(jìn)行。因頂管穿越土層的黏聚力較小，故計(jì)算中忽略其影響。

水土分算時，按公式（4）進(jìn)行計(jì)算：

水土合算時，按公式（5）進(jìn)行計(jì)算：

式（4）、（5）中：γ——粉砂夾粉土的重度，為18.5kN/m3；

γ'——粉砂夾粉土的有效重度，為8.5 kN/m3；

γw——水的重度，為10kN/m3；

h——頂管機(jī)下部1/3處的埋深，取11 m；

kp——被動土壓力系數(shù)，計(jì)算取為2.74。

經(jīng)計(jì)算，水土分算時，F(xiàn)2=2040kN；水土合算時，F(xiàn)2=3111kN。采用水土合算計(jì)算的頂管機(jī)迎面阻力比水土分算計(jì)算的頂管機(jī)迎面阻力大1071 kN。

因頂管上覆土層以粉砂夾粉土為主，故Ep宜采用水土分算，即迎面阻力F2為2040kN比較合理。綜上，理論總頂力F=F1＋F2=2040＋1 446=3 486 kN。

在迎面阻力的理論計(jì)算中采用被動土壓力強(qiáng)度，但一般情況下迎面阻力常控制在主動土壓力與被動土壓力之間，而遠(yuǎn)達(dá)不到被動土壓力強(qiáng)度。理論頂力較實(shí)際頂力要偏大，現(xiàn)最大頂力為5 880 kN，遠(yuǎn)大于計(jì)算理論頂力3486kN，頂力極不正常。

2.3 開倉調(diào)查

因頂進(jìn)距離短，故頂力遠(yuǎn)達(dá)不到5880kN，且所排泥水較為清淡，含泥量較低，為確定是何原因?qū)е逻M(jìn)土不暢，我們決定打開頂管機(jī)泥水倉人孔蓋，對泥水倉進(jìn)行檢查。

為了確保開人孔蓋的安全，在機(jī)頭位置打2口降水井，將水位降到機(jī)頭以下2 m左右（圖1）。

圖1 深井平面示意

降低地下水位后，打開人孔蓋發(fā)現(xiàn)泥水倉內(nèi)沒有泥土，刀盤上的進(jìn)土口及刀頭之間的間隙全部被土體堵塞（圖2）。

圖2 土體堵塞刀盤

2.4 原因分析

開倉后確認(rèn)為粉砂夾粉土將刀盤進(jìn)土口、刀盤刀頭之間的間隙全部堵塞，結(jié)合排泥管所排泥水顏色較為清淡、含泥量較少、頂力較大、無法頂進(jìn)等情況，初步判斷為刀盤不進(jìn)土，造成悶頂現(xiàn)象。堵塞刀盤進(jìn)土口及刀盤刀頭之間間隙，降低刀盤的切土效率是導(dǎo)致進(jìn)土不暢、掘進(jìn)困難的主要原因。

頂管施工時，因土層強(qiáng)度較高、砂性土層的致密性、刀盤開口率較小、施工參數(shù)控制不合理等各方面原因?qū)е峦馏w逐漸堵塞刀盤進(jìn)土口。土體堵塞刀盤進(jìn)土口后，首先增大刀盤扭矩，降低切土效率，進(jìn)而增大頂力；而頂力增大反作用于粉砂夾粉土層上，將其壓密，強(qiáng)度提高，進(jìn)一步造成切土困難，降低切土效率，最終造成掘進(jìn)困難，具體可從以下幾個方面分別進(jìn)行分析。

2.4.1 扭矩

頂進(jìn)過程中，刀盤扭矩首先變大，具體表現(xiàn)為驅(qū)動電機(jī)電流的迅速增大，隨后頂力增大造成掘進(jìn)困難，因此應(yīng)從扭矩的變化進(jìn)行分析。

泥水平衡頂管刀盤的總扭矩T可用公式（6）計(jì)算：

式中：T——刀盤總扭矩；

T1——刀盤的切土阻力扭矩；

T2——土的摩擦阻力扭矩。

刀盤在切削土體過程中產(chǎn)生的阻力扭矩T1可由公式（7）求出：

式中：f——刀在切削過程中單位面積上所受到的阻力，簡 稱切削阻力；

h——刀在每一轉(zhuǎn)中切土的厚度；

r——切削半徑。

刀盤正面面板上的摩擦阻力力矩T2可由公式（8）求出：

式中：μ——土與鋼之間的摩擦因數(shù)；

p——作用在刀盤上的水平壓力。

因此，總的刀盤力矩可用公式（9）表示：

綜上，扭矩T隨著刀盤開口率的增大而減小；土層的強(qiáng)度越高，刀盤切割土體時所需要克服的阻力力矩也越大。

2.4.2 土層原因

本段頂管主要穿越土層為⑤1粉砂夾粉土層，中密狀態(tài)，飽和，夾粉土，頂部以粉土為主夾粉砂，局部混少量姜結(jié)石，局部夾薄層粉質(zhì)黏土，屬中壓縮性土，黏粒含量6.7%。該層土的固結(jié)快剪試驗(yàn)按峰值強(qiáng)度確定的黏聚力c值為13.2 kPa，內(nèi)摩擦角φ值為27.7°，地基承載力fak為200 kPa，表明該土層具有黏性，強(qiáng)度亦較高，故刀盤切削土體所克服的阻力力矩也較大。

2.4.3 頂管機(jī)原因

頂管機(jī)掘進(jìn)能力和土層物理性質(zhì)不相匹配，本段頂管采用開口率為5%的面板式泥水平衡頂管機(jī)，適合在軟土地區(qū)頂進(jìn)，不太適合在較硬土層中頂進(jìn)。頂管機(jī)的選型誤差對進(jìn)土不暢的影響主要有：刀盤開口率小，切削下來的土體不能及時進(jìn)入泥水倉被排走；刀頭之間徑向間距小，面板式頂管機(jī)刀盤刀頭間不存在明顯高差，不利于切削土體，切土效率低。

刀盤開口率過小是造成面板式泥水平衡頂管機(jī)進(jìn)土不暢的主要原因。據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，面板式泥水平衡頂管機(jī)于密實(shí)砂性土中掘進(jìn)時宜選擇較大開口率，常約為20%，但此頂管機(jī)的開口率僅為5%（圖3）。

圖3 刀盤示意

刀盤開口率是指刀盤面板有效面積與頂管開挖面積的比值，刀盤開口面積越大，其給開挖面地層提供的支撐越小，刀盤對進(jìn)入泥水倉碴土的阻力就越小，由于與地層摩擦阻力減小，故轉(zhuǎn)動刀盤所需的扭矩也就會隨之減小。相反，刀盤開口率越小，則它給地層提供的支撐越大，刀盤對進(jìn)泥水倉碴土的阻力越大，轉(zhuǎn)動刀盤所需扭矩也就越大。

頂管機(jī)在掘進(jìn)過程中，刀盤切削下來的土體因刀盤開口率太小不能及時進(jìn)入泥水倉，且粉砂夾粉土層較為密實(shí)，刀盤刀頭相互間徑向距離、高差小，極易造成土體堵塞在刀盤刀頭之間，降低刀盤的切削效率。此時若繼續(xù)頂進(jìn)，則更易將刀盤切削下來的粉砂夾粉土層予以壓實(shí)并堵塞在進(jìn)土口，最終導(dǎo)致刀盤切削困難。

2.4.4 施工因素

一方面，進(jìn)水管輸入到機(jī)頭前部的泥水壓力較小，而粉砂夾粉土層呈中密～密實(shí)狀態(tài)，強(qiáng)度較高，土質(zhì)較硬，穩(wěn)定性較好。另一方面，頂管頂進(jìn)時，頂管機(jī)刀盤擠壓土體，土體密實(shí)度增加，刀盤開口率小，打入泥水倉的泥水很快被抽出來，這一泥水循環(huán)對砂土不能形成足夠的動水力，不能有效地將粉砂土切割擠入泥水倉內(nèi)，反而在頂力下不斷擠壓砂土顆粒，導(dǎo)致粉砂土更加緊密，形成致密狀態(tài)，使扭矩和頂力過大。

2.5 處理措施

由于造成刀盤進(jìn)土口被堵塞、掘進(jìn)困難的主要原因?yàn)槊姘迨侥嗨胶忭敼軝C(jī)刀盤的開口率太小，故在選擇措施時應(yīng)首先考慮增大刀盤的開口率。

一方面，打開頂管機(jī)人孔蓋對刀盤進(jìn)行切割以增大刀盤開口率，開口率由5%擴(kuò)大至約23%，且將堵塞在刀盤進(jìn)土口的土體清除；另一方面，將切割位置確定在刀盤進(jìn)土口處，切割后的進(jìn)土口呈扇形對稱分布，相互之間間隔120°（圖4）。

圖4 擴(kuò)大開口率后的刀盤

2.6 處理效果

刀盤切割后，重啟系統(tǒng)掘進(jìn)。初始，刀盤空轉(zhuǎn)一段時間試運(yùn)行，使排泥系統(tǒng)恢復(fù)正常。因存在停滯效應(yīng)，故初始頂力大，掘進(jìn)緩慢，但刀盤開口率已增大，刀盤扭矩會變小，隨著刀盤切削土體、進(jìn)泥、排泥逐步趨于正常，減阻泥漿的壓入，掘進(jìn)過程也逐漸恢復(fù)正常。

3 遇雙層姜結(jié)石問題的處理

3.1 基本概況

本段頂管在頂進(jìn)至485 m時遇雙層姜結(jié)石，姜結(jié)石為層狀構(gòu)造，質(zhì)地堅(jiān)硬，難破碎。直徑較大的姜結(jié)石進(jìn)入泥水倉后易堵塞泥水倉出水口及排泥管路，使泥水循環(huán)很難建立，致泥水倉進(jìn)土量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于出土量，最終導(dǎo)致刀盤扭矩增大，頂力增大，頂進(jìn)困難。

采取增加進(jìn)水量、加大出水壓力、充分?jǐn)嚢琛⒙夙斶M(jìn)的辦法依然無法將姜結(jié)石帶出泥水倉或排泥管路，最終因刀盤扭矩增大，驅(qū)動電機(jī)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，頂管機(jī)面臨著損壞的危險，必須停止頂進(jìn)。

3.2 原因分析

為明確姜結(jié)石的分布情況，委托勘察單位對機(jī)頭至W9接收井之間的200 m區(qū)間，采用間隔20 m鉆1孔的方式進(jìn)行垂直地質(zhì)詳勘。詳勘報告顯示，頂管機(jī)頭至W9接收井之間的200 m區(qū)域因土層突變，在埋深11 m和12 m處均有連續(xù)的1層層厚為8～12 cm的姜結(jié)石（圖5），其直徑大小不一，且均處在頂管段軸線上。

圖5 姜結(jié)石層分布示意

本段頂管因初始階段刀盤開口較大，刀盤邊緣開口已達(dá)23 cm，其直徑遠(yuǎn)大于姜結(jié)石的直徑，頂進(jìn)時姜結(jié)石直接進(jìn)入泥水倉內(nèi)，且不能被破碎；而泥水倉出水口、排泥管直徑較小，難以將姜結(jié)石排出泥水倉內(nèi)，故易造成管道被堵，排泥不暢。

3.3 改進(jìn)措施

姜結(jié)石堵塞泥水倉出水口及排泥管路的主要原因是刀盤開口孔徑太大，以至姜結(jié)石極易進(jìn)入泥水倉。為此，臨時降低地下水位，打開人孔蓋，在刀盤3個大孔徑開口處焊接厚2 cm鋼板條，將原來所切割的大開孔分割成7個較小的孔，阻擋大塊姜結(jié)石進(jìn)入泥水倉內(nèi)。

焊接隔板后，頂管重新頂進(jìn)，因姜結(jié)石直徑大小不一，直徑較小的姜結(jié)石依然進(jìn)入泥水倉，雖能被排出泥水倉，但仍易堵塞排泥管。為此，在頂管機(jī)內(nèi)采用了特制清障桿和高壓水槍，在出泥管內(nèi)進(jìn)行沖刷和疏通，清障效果較好。

3.4 處理效果

針對姜結(jié)石堵塞泥水倉及排泥管路的問題，現(xiàn)場通過焊接隔板以減小開口的孔徑、采用特制清障桿和高壓水槍的雙重處理措施，有效地解決了姜結(jié)石堵塞管路、泥水循環(huán)困難的問題，最終機(jī)頭順利進(jìn)洞。頂管機(jī)雖然經(jīng)歷了多重考驗(yàn)，從地下開孔增大開口率至地下焊接格柵板依然形態(tài)完整，也驗(yàn)證了所采取技術(shù)措施的有效性[4-7]。

4 結(jié)語

本文結(jié)合實(shí)際頂管工程，針對開口率較小的面板式泥水平衡頂管機(jī)在遭遇致密高強(qiáng)度粉砂夾粉土中頂進(jìn)時，遇堵塞刀盤進(jìn)土口以致進(jìn)土不暢的難題，提出了切割刀盤以增大開口率的針對性方法；而遇姜結(jié)石堵塞泥水倉及排泥管路時，則提出了焊接分隔鋼板以減小開口孔徑的針對性措施。上述技術(shù)措施取得了良好的頂進(jìn)效果，保證了工程的順利進(jìn)行，可為今后類似工程的地下清障技術(shù)提供一種新的思路。