大口徑泥水平衡鋼頂管新型進出洞門施工技術

嚴國仙 陳 強 韓舉宇

上海市政建設有限公司 上海 200438

頂管施工工法是一種敷設地下管線時的非開挖施工技術，它無需進行大面積的地面開挖，只需在管線路徑上設置幾口工作井即可進行施工且可穿越公路、橋梁、鐵路、地面構筑物等多種障礙，現已大量運用在給水、排污、輸油、輸天然氣等各種市政管線工程之中，取得了良好的應用效果。頂管工程預留洞門常采用鋼筋混凝土墻，進出洞時為方便施工一般采用人工鑿除，采用頂管機直接破碎磨除的案例較少，也缺乏類似工程經驗。

黃浦江上游水源地連通管工程某頂管段施工過程中，一方面，因工期緊，需要提前完成頂管出洞以期盡快開始頂進施工，然而洞口加固土體強度齡期較短，尚未達設計強度要求，導致預留洞口只破除了1/3不到，便發生局部坍塌，出洞困難。另一方面，本頂管段需穿越黃浦江支流河道，河道防汛墻樁基與管頂距離小，防汛墻保護要求高；穿越過程中應控制好對防汛墻的擾動，避免產生大的變形。

針對這些問題，技術人員提出了在刀盤上加焊特質鎢鋼刀頭以增大刀盤切削混凝土的能力，直接利用頂管機磨除預留洞門進出洞口，安全可靠；在穿越河道時，通過合理控制頂進施工中的各種技術參數、加強監測等措施，保證了河道防汛墻的安全，最終確保了頂管施工的順利完成。

1 工程概述

1.1 工程概況

本工程為黃浦江上游水源地連通管某標段，管線采用頂管法施工。其中JD04—JD03頂管段管徑DN3 600 mm，長度380.42 m，管頂覆土15.81～16.62 m，需下穿河道黃浦江支流紫石涇，穿越范圍約為112 m，河道區域覆土10.5 m。紫石涇河面寬約100 m，水深約3.3 m，淤泥厚度0.5～0.7 m，河道防汛墻基礎采用鋼筋混凝土預制板樁。本段頂管采用泥水平衡面板式頂管機[1-2]。

1.2 工程地質

本工程土層揭露從上到下依次為①1填土、②1粉質黏土、③1淤泥質粉質黏土、③1t黏質粉土、④淤泥質黏土、④1t粉砂、⑤1a黏土、⑥粉質黏土、⑦1砂質粉土、⑦2-1粉砂。

本段頂管主要穿越第④灰色淤泥質黏土層，極少零星的頂管穿越第④t層灰色粉砂層，上覆第③1層灰色淤泥質粉質黏土層。

其中④灰色淤泥質黏土層呈流塑狀態，含云母及有機質，偶夾薄層粉土；④t灰色粉砂層主要分布于④層底部，含云母，夾少量黏性土，呈稍密～中密狀態，該層土易產生坍塌、流砂、管涌現象；③1灰色淤泥質粉質黏土層為流塑狀，含云母及有機質，土質均勻，局部夾砂較多，局部為粉質黏土。

對本工程影響較大的地下水主要為第四紀地層中的潛水、承（微）承壓水。潛水賦存于淺部地層中，埋深0.4～3.0 m。微承壓水賦存于全新統地層中的粉性土或砂土中，呈不連續分布，局部與承壓水連通，其水位低于潛水位，呈周期性變化，水位埋深3～11 m。承壓水賦存于上更新統地層中的粉性土或砂土中，其水位低于潛水位，呈周期性變化，水位埋深3～12 m。

2 出洞技術

2.1 出洞背景

2.1.1 工作井概況

工作井JD04井采用沉井施工方式，排水下沉，井深22.50 m，預留洞口直徑DN4 200 mm，標高－15.10 m，洞口處土體為④層灰色淤泥質黏土；刃腳標高－21.55 m，刃腳處土體為⑥層粉質黏土，距離承壓水層⑦1草黃色砂質粉土0.9 m。

下沉過程中，因降水井遭到破壞而未有效將承壓水位降至設計標高，導致該井發生突涌，不得不臨時采用回灌措施，最終沉井采用了水下封底，大大延誤了工期。沉井底板施工完成具有一定強度后，隨即進行本段頂管出洞口高壓旋噴樁加固施工。

2.1.2 工期要求

建設單位要求于12月15日實現全線管道給水聯調，故加快頂管施工進度已迫在眉睫。為此現場擬嘗試提前出洞，頂管機安放到位后，采取沿預留洞口上半圓周鉆取探孔的方法逐步破除預留洞門。采取鉆孔的方法可最直觀地觀察土體加固情況，若洞口發生坍塌，流土可利用頂管機予以阻擋，避免出現安全事故[3-4]。

在破除洞門的過程中，一方面因為洞口加固區域土體未完全達到設計強度，另一方面高壓旋噴樁加固施工擴大了土體擾動范圍，最終導致土壓力過大以致將上半圓周預留混凝土洞門推到，土體涌入井內，現場通過千斤頂推進頂管機以阻止土體大規模涌入井內（圖1）。

圖1 洞口坍塌

2.2 技術措施

2.2.1 方案選擇

方案選擇必須考慮兩方面因素：

一方面，洞口已發生坍塌，加固土體已涌入井內，原加固區受到破壞，故利用余下的加固土體達到設計強度后再進行出洞施工已無可能；若重新加固洞口，必將耽擱、延長工期，且洞口與井內相通，重新加固時井外土體將進一步涌入井內。

另一方面，洞口處仍留有余下的一半混凝土墻，若要出洞必須將其破碎；采用人工鑿除必將再次引起土體坍塌。

綜合考慮，唯有在頂管機刀盤上采取措施，通過在現有面板式頂管機刀盤上焊接特制鎢鋼刀頭以增大頂管機切削混凝土的能力，利用頂管機磨除洞口混凝土進而完成出洞施工。

2.2.2 頂管機改進

采用在頂管機刀盤上焊接能夠切削鋼筋混凝土的特制鎢鋼刀頭（滾刀）的改進措施，使頂管機能快速完成對鋼筋混凝土預留洞門的切削，順利進出洞。

待涌入井內的加固土達到一定強度時，將頂管機調出井內進行改進。改進時將泥水平衡頂管機刀盤拆除，放置在平整地面上，在原刀盤面板上加焊18把硬質鎢鋼先行刀，呈3根條幅式對稱、間隔120°分布（圖2）。滾刀與刀盤采用氣焊黃銅釬焊（圖3）。

圖2 滾刀焊接位置示意

圖3 滾刀焊接

2.2.3 復核驗算

預留洞口混凝土墻的磨除過程中，墻體將對頂管機刀盤產生反作用力，此反作用力將對刀盤、頂管機主軸產生較大扭矩，因此必須對刀盤、主軸的扭矩承載力進行復核驗算[5-6]。

頂管機磨除洞口主要通過新增刀頭切削混凝土，故扭矩均是通過新增刀頭傳遞給頂管機面板及主軸的。且在磨除過程中，必須對頂管機施加一頂力，以保證頂管機刀盤能與預留混凝土墻保持緊密接觸，實現有效切割磨除；但此頂力又不能過大，若頂力越大，在反作用力的作用下，刀盤承受的扭矩將越大，極有可能導致頂管機驅動電機超負荷工作，出現損壞。

為保證頂管機驅動電機的正常工作，同時確保頂管可以正常進行，必須將頂力控制在合理范圍內，既不能太小，又不能過大，也即磨除洞口時頂力應有一個控制上限Pmax。本段頂管機設計最大扭矩Tmax為507.043 kN·m，以此作為依據來進行頂管機磨除洞口頂力控制上限Pmax的計算，即通過Tmax反算出Pmax。

經計算，Pmax=1 690 kN，因此在切削鋼筋混凝土洞門階段，必須將頂力控制在1 690 kN以內。

2.2.4 出洞止水措施

本段頂管管徑較大，且頂進距離較長，工作井JD04井深度較大，下沉過程中產生突涌導致承壓水涌入井內。在出洞施工階段，承壓水亦可能從洞口流入井內，傳統的橡膠“抹套”不能滿足要求，本工程決定采用鋼法蘭盤根止水裝置。

工作井內部結構施工時預留穿墻鋼套管，鋼套管伸出井壁200 mm，法蘭寬度200 mm（圖4）。

圖4 法蘭示意

由于機頭直徑大于鋼管（擴大部分為泥漿套），止水法蘭不能一次安裝到位，因此必須按傳統方法安裝橡膠“抹套”。

待機頭進入洞口后拆除抹套的鋼壓板，安裝止水法蘭（圖5）。

圖5 止水法蘭組裝示意

2.3 出洞施工

頂管機安裝完成后，逐步向洞口推進，且不斷清除井內涌入的土體。在頂進至封堵墻時放慢頂進速度，頂進速度控制在2 cm/h左右，減少對頂管機內部設備的損壞；正常頂進時刀盤轉速為2.146 r/min，在切削鋼筋混凝土封堵墻時將刀盤轉速控制在1 r/min，減小頂管機電機和主軸的發熱。

進出洞口施工階段，其核心是合理控制頂力，必須將最大頂力Pmax控制在1 690 kN以下。磨除洞口時，嚴禁為加快進出洞速度而加大頂力，且磨除洞口過程中應根據刀盤扭矩的實時情況，隨時調整頂力，避免因頂力過大而造成扭矩過大，從而引起刀盤軸承超負荷運轉，損壞設備（圖6）。

磨封堵墻施工時，切削的混凝土和鋼筋進入排泥管，小部分碎塊和碎鋼筋可以被排出，但大量的混凝土碎塊和碎鋼筋還是聚集在出泥管內，此時，主要通過將出水管拆除利用人工進行清除。

2.4 進出洞效果

焊接硬質鎢鋼刀頭后的頂管機，其切削破碎磨除混凝土的能力得到大大加強，預留洞門處厚30 cm的鋼筋混凝土墻能很快地被切削完（圖7），且頂管機進洞后依然保持完好。采用頂管機切削洞門的施工方式，大大加快了施工進度，降低了常規的人工鑿除預留洞門的風險，保障了本段頂管的順利貫通。

圖6 頂管機出洞

圖7 頂管機切削進洞封堵墻

3 穿越河道（Ⅳ級）技術

本段頂管斜穿紫石涇，紫石涇河面寬約100 m，穿越范圍約為112 m，水深約3.3 m，淤泥厚度0.5～0.7 m，河底高程－2.79 m，管頂覆土約為10.5 m（圖8）。上覆土層主要為③1灰色淤泥質粉質黏土和④灰色淤泥質黏土，均呈流塑狀態，具流變觸變特性，極易發生擾動，工程性質較差。

3.1 難點

紫石涇河岸東西兩側均存在防汛墻，保護要求等級高。防汛墻采用預制板樁基礎，樁底距離設計管道軸線頂標高約為1.0 m，現防汛墻處于穩定狀態。頂管穿越河道防汛墻期間，必須控制好各項頂進施工參數，保持開挖面的穩定，減小對上覆土層的擾動，并加強對防汛墻的保護，避免防汛墻產生過大變形。

圖8 頂管下穿紫石涇河道剖面

3.2 頂進控制措施

3.2.1 合理控制掘進、壓漿參數

穿越河道防汛墻期間，一方面，頂速應控制在20～30 mm/min，防止頂速過快導致偏差過大，增大土體擾動。另一方面，泥水平衡頂管機主要是通過泥水倉的泥水壓力平衡頂管開挖面的水土壓力，為嚴格控制防汛墻沉降，必須設置并控制好泥水倉泥水壓力，以確保開挖面的穩定。實際計算中，采用朗肯土壓力理論計算頂管機刀盤正面土壓力。

一般情況下，泥水倉泥水壓力的設定必須控制在主動與被動土壓力之間。理論上講，若能將泥水壓力控制為與靜止土壓力強度相近，則地層受到的擾動最小，開挖面也最穩定。實際施工時，我們將泥水倉壓力設置為比靜止土壓力強度高20 kPa左右，靜止土壓力強度為123 kPa，故將泥水壓力設置為143 kPa。實際施工過程中，應根據頂管埋深的不同以及地層條件的變化，結合泥水倉壓力表讀數不斷修正，以防止壓力過大而導致地表過度隆起，或過小而使掘進面失穩，引起地表過大沉降。

本段頂管頂管機刀盤切削直徑為3 668 mm，通過在頂管機上焊接φ10 mm的鋼筋以增大管道周圍的空隙，頂進過程中還需及時做好同步注漿及沿線補漿，以控制沉降[7-8]。

3.2.2 頂管姿態控制

頂管施工進入河道范圍時，每頂進50 cm進行一次頂管姿態測量，做到勤推、勤測、勤糾。避免因為軸線出現過大偏差而進行強制糾偏，頂管的糾偏操作應根據頂管姿態變化曲線圖，經過分析以后確定，從而將對管外土體的擾動減到最小。

3.2.3 監測控制

加強對防汛墻的保護性監測、信息化施工。由監測單位對防汛墻進行變形監測，穿越河道防汛墻前30 m，進行初始值監測，進入防汛墻后測量頻率提高至2 h一次，機頭越過后恢復為2次/d。一旦發現變形超過報警值（30 mm），就應立即采取保護性跟蹤注漿措施。

監測結果顯示：穿越紫石涇時，紫石涇防汛墻變形控制在6 mm以內，隨著區間的貫通后，監測數據逐漸趨于收斂。

4 結語

通過在所選用的面板式泥水平衡頂管機刀盤上焊接特質鎢鋼刀頭增大刀盤的切削能力，頂管機利用自身刀盤在較短的時間內便順利破碎切削了進出洞口的預留鋼筋混凝土墻，從而降低了人工鑿除洞門的風險，安全順利地完成了頂管的進出洞施工。

同時本段頂管的順利實施，為頂管進出洞門提供了一種新的施工技術，也為復雜工況下微擾動施工穿越技術提供了技術保障。