關于在卵石層中頂管施工的技術分析

孫 偉

無錫太湖水務有限公司，江蘇無錫 214000

1 頂管方式的技術分析

地質報告反映，景德鎮市某截污管網工程CW80—84段處于第7-2層和第3-1層土層中，主要地質情況為素土、粉質黏土以及直徑小于15cm的鵝卵石或砂石組成。CW89—94段處于第3-1層和第3-4層土層中，主要地質情況為淤泥、粉質黏土和直徑20～40cm的鵝卵石或砂石。并且由于管位靠近昌江邊緣，地下水含量較為豐富，地下水位在管道高程以上。根據地質報告反映的情況，在這類土質下頂管施工時會遇到以下難點：

（1） 粒徑較大的卵石會阻礙頂管機頭正常進土，卵石難以破碎，致使頂管阻力過大而無法施工。

（2） 土層的凝聚力、黏結性較差且結構松散，機頭在頂進過程中，進土量會大于管道的空間尺寸，而且卵石的黏結性差，會大于易產生坍方、塌陷的情況，導致地層變形，地表沉降。

（3）土層摩擦阻力大，井距較長 （100m左右），管徑較大（D=1350mm），埋深大 （地表以下12m），造成頂管時頂力大，糾偏難度大，管道高程較難控制。

（4） 被破碎后的卵石，形成泥漿的效果差，難以輸送到地面上。

2 頂管方案

經過以上情況以及難點的分析，在制定方案和比選時，就要采取相應的措施重點來解決頂力大、易產生坍方、卵石難以破碎等方面的問題，從而保證頂管作業順利進行。

2.1 觸變泥漿減阻

在管道頂進時，使用專門的注漿設備，通過管身中的注漿孔，向管道外的泥土中注入膨潤土混合漿液，這樣隨著管道不斷頂進，漿液可在管身與泥土中形成完整的泥漿套，起到減小管壁與泥土的摩擦力，從而減小頂進阻力。

2.2 管壁涂蠟減阻

在鋼筋混凝土管壁外側涂蠟，使管道外壁更加光滑，增加管道的滑動性。

2.3 千斤頂合理布置

一般的頂管作業中，千斤頂的頂鎬一般為兩個，并排放置在管端下側1/3處。而本次頂管作業由于頂力較大，如果采用原先的布置方式，會使千斤頂的作用力不均勻，可能會發生管道被損壞或者管道前進的方向與力矩不一致，所以此次頂管使用了4個千斤頂。這樣在原來的千斤頂位置上方管端2/3處再放置一對千斤頂。

2.4 中繼間設備

本次頂管作業頂力較大，管材都有一個承受頂力的極限。超過管材所能承受的頂力，管材就會損壞。為了避免管材頂壞，就要在管材承受的安全頂力下進行施工。采用中繼間身邊可以有效地控制頂力，把中繼間設備設置在整個管段的中間位置，它作用時將管道分為前、后兩個部分，把后面的管道作為后座，頂進前段管道。這樣就把頂力控制在安全范圍內，用中繼間一段一段地推進，從而可以實現長距離頂管時減少工作基坑內千斤頂的頂力。

2.5 龍門洞口土體加固

由于在土層中凝聚力、黏結力較差。在工作坑的龍門洞打開后，大量的卵石夾雜著泥沙和水會涌入基坑內，影響頂管作業。所以，須在基坑龍門洞外側設置土體加固區。一般會采用旋噴注漿來加固土體。這種方法就是利用工程鉆機，把注漿管鉆入需要加固的土體區域，通過鉆桿一遍旋轉，一邊噴射具有一定壓力的水泥漿混合液。待水泥漿液吻合后，便達到了加固土體的目的。

2.6 頂管機具選型

頂管機具的選型對于此次施工來說是非常關鍵的一環，經過項目部的研究討論，決定頂管機具采用二次破碎泥水平衡系統進行頂管作業，相對于其他頂管設備，泥水平衡式頂管便于實現連續測量，頂管精度高；噪聲較小，安全可靠，地下工作環境好。但是在機具的刀型、刀盤設置上，還必須有更細致的方案。

2.6.1 刀具

為了應對土體中的大粒徑卵石、圓礫，頂管前需要對機頭刀盤進行加工，在原有的刀盤上增加滾刀和高強度的合金刀頭，減少鵝卵石對機頭刀盤的磨損。這樣當頂管機頭在頂進時，機頭上的滾刀可以破碎大塊的卵石，以便破碎后的小石塊順利進入機頭內部的破碎室。

2.6.2 刀盤

為了保證此次頂管土體的切削正常，選用面板式的刀盤。刀盤根據不同的形式分為面板式和輻條式。一般認為面板有擋土作用，有利于開挖而前方的土體穩定，而面板式刀盤一般施工時扭矩要大一些，而輻條式刀盤扭矩較小，但對開挖面穩定不利，施工實踐證明，輻條式刀盤的地表沉降確實大于面板式刀盤。所以，該頂管工程采用面板式刀盤，刀盤的直徑設定為1650mm，比管道的外徑1550mm大100mm，頂管機盤刀具布置示意圖如圖1所示。

圖1 頂管機盤刀具布置示意圖

2.6.3 二次破碎系統

經過滾刀破碎后的卵石，對于泥水平衡頂管機具來說粒徑還是太大，這就需要機內的圓錐破碎機構對進入破碎室進行二次破碎，頂管機圓錐破碎形式如圖2所示。

圖2 頂管機圓錐破碎形式

2.7 觸變泥漿的置換與填充

頂進施工中用觸變泥漿套助沉，以減少頂進的阻力。頂進施工完成后，用水泥砂漿或粉煤灰水泥砂漿來置換觸變泥漿主要是為了減少地面沉降。頂管結束后進行觸變泥漿置換時，要采用水泥砂漿、粉煤灰水泥砂漿等易于固結或穩定性較好的裝液置換泥漿填充管外側超挖、塌落等原因造成的空隙；在完成作業并拆除注漿管路后，將管道上的注裝孔封閉嚴密。

3 頂管施工過程中的問題和解決方案

3.1 頂管段面 （CW95→94）

問題：頂管作業處在砂礫鵝卵石土層中，出現進出水管出現阻塞情況，造成頂管施工終止。

原因：二次破碎倉及隔篩口徑過大，被機頭打磨過的鵝卵石（此時鵝卵石的直徑比較大） 流進泥漿管積壓，造成泥漿管阻塞。

解決方案：

（1） 對機頭的刀盤進行加工，在原有刀盤上增加5cm厚的滾刀，降低鵝卵石對刀盤的磨損程度。縮短對機頭的保養周期，在每頂進一段后要及時對機頭進行保養或二次加工。

（2） 縮小頂管設備二次破碎倉口的直徑和隔篩直徑，防止一次破碎的鵝卵石積壓堵住隔篩口，造成進出水管的阻塞。

（3） 增加泥漿稠度，用濃度較高的泥漿將管內的鵝卵石帶出，必要時采用增壓棒，同時在管材頂進的時候進行注漿。3.2 頂管段面 （CW92→93)

問題：在頂進到40m處，發現由于頂力太大，造成最后一節管道損壞，管道產生貫穿性裂紋。

原因：觸變泥漿的減阻效果不好，致使頂力過大。最后一節管道在千斤頂和U型頂鐵的力作用下損壞。

解決方案：增加泥漿中鵬潤土的含量，增加注漿壓力以及注漿點，完善龍門洞的封堵效果，是觸變泥漿形成一個封閉的泥漿套，增大減阻效果，從減小阻力。

4 結語

在卵石層中進行頂管施工，主要須克服卵石難以破碎，地層容易塌方、頂力大、糾偏困難等因素。根據景德鎮某截污管網頂管施工的實際情況來看，采取對機頭結構進行改良和一系列措施后，特別是在CW80-CW84、CW89-CW94段應用效果表明，達到了比較好的效果，為今后類似項目的施工可以起到借鑒作用。