頂管穿越大范圍全斷面黏土地層施工技術(shù)研究

田華

（中電建南方建設(shè)投資有限公司，廣東 深圳 518000）

1 工程簡況

深圳地鐵12 號線和平站，設(shè)計改遷污水管道平面大體沿現(xiàn)狀橋和路人行道、綠化帶布設(shè)，繞口和平站主體結(jié)構(gòu)，下穿蕙莞深城際軌道，管道設(shè)計采用DN1800 鋼筋混凝土管、頂管施工，管線遷改總長度666m，其中頂管長度約584m，沿線設(shè)置2 座碰口井（兼顧接受井功能）、4 座頂管工作井、3 座頂管接收井，設(shè)計頂管縱斷面與現(xiàn)狀污水管大體保持一致。

2 工程地質(zhì)

本工程原始地貌為濱海灘涂，現(xiàn)已被人工堆填整平為市政道路，地面高程一般在3.16 ～3.85m。車站地質(zhì)從上而下分別為素填土、填砂、填塊石、淤泥、含有機質(zhì)砂，粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉砂、細(xì)砂、中砂、礫砂，砂質(zhì)黏性土，全～微風(fēng)化片麻狀混合花崗巖層。從地層物理力學(xué)試驗參數(shù)得知為高黏性土黏聚力強。

3 施工重難點

（1）本站周邊建（構(gòu)）筑物較密集，基礎(chǔ)埋深已經(jīng)深入頂管流水面高層很近，對施工有較大影響，施工時易造成地面下沉，上部建筑物不均勻沉降和基礎(chǔ)破壞。

（2）場地道路地下管線密集，主要有污水管道、給水管道、電信管道、電力管道、通訊光纜等，地下管線埋深約0.5 ～3.0m，局部地段管線埋深超過5.0m，位于頂管施工影響范圍內(nèi)，污水井施工和頂管施工過程中，如土體擾動過大或者塌陷造成較大影響。

（3）頂管穿越大范圍全斷面黏土地層，難點在于由于黏土的黏聚力較強，易黏結(jié)在刀盤以及土倉內(nèi)結(jié)成泥餅，堵塞刀盤的注漿孔，嚴(yán)重時刀盤開挖的迎面阻力增大，還會導(dǎo)致刀盤轉(zhuǎn)速減小、扭矩增大。當(dāng)這些黏土黏聚在頂管機殼體或管道上，就會增大頂進的摩擦阻力，導(dǎo)致頂管不能繼續(xù)施工，甚至將頂管機“抱死”，致使無法繼續(xù)頂進施工。

4 主要施工技術(shù)措施

4.1 頂管機的系統(tǒng)改進

根據(jù)以往深圳項目類似地質(zhì)情況下，頂管穿越大范圍全斷面黏土層施工經(jīng)驗。對頂管機進行優(yōu)化，在機體上增加高壓注水系統(tǒng)。高壓注水系統(tǒng)是從地面高壓水泵通過管道直接進入刀盤面板、土倉、泥水倉，如頂進過程中出現(xiàn)結(jié)泥現(xiàn)象時，能有效地把黏結(jié)在刀盤面板上的黏土沖開，能夠很好地保護刀盤；使得刀盤在黏土地層中，能很好地把掌子面的泥土切削下來進入土倉通過格柵進入泥水倉。

高壓注水系統(tǒng)在機頭前端分為三路（圖1）。第一路出口在刀盤面板上，注入的高壓水壓力控制0.5 ～0.9MPa，隨著刀盤的轉(zhuǎn)動高壓水能把前方黏土進行沖刷、切削，增強切削力，同時高壓水具有降溫作用，有效地防止泥餅形成，高壓的水流動性，使黏土不易黏在刀盤上，進入土倉。第二路出口在土倉，進入土倉的小塊黏土在高壓水、攪拌棒、刀盤轉(zhuǎn)動共同作用下，攪拌成具有流動性的液態(tài)。第三出口在泥水倉，通過格柵由土倉進入泥水倉流動性高的黏土，再在高壓水、攪拌棒、刀盤轉(zhuǎn)動作用下快速形成泥漿，通過進排泥漿系統(tǒng)抽走。通過三步共同作用，使黏土達(dá)到快速泥漿化的效果。

圖1 高壓注水管道在機頭前端出水口圖

4.2 頂管機局部改進

（1）高壓注水口改進

頂管經(jīng)過試驗段頂進施工時，發(fā)現(xiàn)頂管機在全斷面黏土地層中頂進時，黏土容易黏結(jié)刀盤，阻力增加，使得刀盤驅(qū)動電流增大，過載保護跳閘。黏土長時間黏結(jié)在刀盤上，容易引起刀盤卡死，原刀盤的噴水孔為“五角星”形狀，噴水孔流量小，無法沖開大范圍的黏土，甚至出水孔堵死現(xiàn)在，驅(qū)動刀盤電流高居不下。

根據(jù)施工探索反復(fù)試驗，將原刀盤的噴水孔改為“梅花”形狀，且將中間孔的直徑擴大到5mm；這樣刀盤噴水孔的流量變大，頂管機在后續(xù)的頂進過程中，刀盤電流一直很平穩(wěn)，不會突然增大。具體見圖2 所示。

圖2 高壓注水孔改造后高壓噴水圖

（2）泥水倉格柵改進

頂管機在頂進過程中，原刀盤格柵較密4cm/格，由于黏土具有黏聚力大的特點，小格柵不利于黏土由土倉進入泥水倉，黏土長時間堆積在格柵外，以致排泥漿效果不佳，也容易堵塞。通過將格柵間隙加大，每隔二格割掉一個橫檔，便于黏土進入泥水倉形成泥漿，順暢的排出到地面泥漿池里。

4.3 頂進參數(shù)

頂進參數(shù)是控制頂管機頂進的重要指標(biāo)，也是頂管施工質(zhì)量的重要體現(xiàn)。頂管經(jīng)過試驗段頂進施工時，發(fā)現(xiàn)頂管機在全斷面黏土地層中頂進時，認(rèn)真分析頂進參數(shù)，根據(jù)提前擬定頂管穿越該地層段的頂進參數(shù)，擬定各種突發(fā)情況的應(yīng)對措施。

通過不斷的優(yōu)化與調(diào)整頂管施工頂進參數(shù)、黏土快速泥漿化、技術(shù)改進措施和控制措施等，總結(jié)出如表1 頂進的主要參數(shù)。使得頂管安全順利高效的穿越大范圍全斷面黏土地層。

表1 頂管機頂進主要參數(shù)表

注：①頂進時產(chǎn)生的泥漿量為頂管所占體積的7 ～8 倍。②注觸變泥漿，注漿口的實際用量，黏性土和粉土不應(yīng)大于理論注漿量的1.5 ～3.0 倍。

4.4 精確控制觸變泥漿配合比

首先，頂管施工中觸變泥漿比重的控制是影響壁后注漿質(zhì)量的關(guān)鍵因素，因為觸變泥漿是減少頂進過程中的摩擦阻力的關(guān)鍵；其次，能填充管道外壁與土體之間的間隙；最后，就是在觸變泥漿注漿的壓力下，起到支撐作用，減小土體變形。

觸變泥漿的配合比結(jié)合膨潤土本身的物理性能和穿越的地層土體特性是經(jīng)過頂管試驗段多次試驗、對數(shù)據(jù)分析對比較，而找到頂管穿越全斷面黏土層觸變泥漿最佳配合比。如表2、表3 所示。

表2 觸變泥漿配比及主要性能指標(biāo)

表3 觸變泥漿技術(shù)參數(shù)

膨潤土分散在水中，其片狀顆粒表面帶負(fù)電荷，端頭帶正電荷。則顆粒之間的電鍵使分散系形成一種機械結(jié)構(gòu)，膨潤土水溶液呈固體狀態(tài)。一經(jīng)觸動（搖晃、攪拌、振動或通過超聲波、電流）、顆粒之間的電鍵即遭到破壞，膨潤土水溶液就隨之變?yōu)榱黧w狀態(tài)。如果外界因素停止作用，水溶液又變作固體狀態(tài)，具體見圖3 所示。

圖3 觸變泥漿

4.5 進排泥漿密度監(jiān)控

頂管在穿越大范圍全斷面黏土地層時，頂管頂進過程中，刀盤切削出來的土體經(jīng)過進排泥漿輸送到泥水分離器，經(jīng)過濾流體漿液再循環(huán)使用，粗渣過濾后直接排出運走。然而當(dāng)進排泥漿比重過大，會造成進排泥漿管堵管，影響頂管施工進度；進排泥漿比重太小，當(dāng)廢漿處理，形成浪費，增加施工成本。

因此，需要進行科學(xué)控制循環(huán)漿液的密度，使用婆梅氏比重計放在循環(huán)漿液箱內(nèi)監(jiān)測，當(dāng)比重計的檢測泥漿密度大于1.4g/cm3時，就要把循環(huán)池里面的泥漿作為廢漿處理，用運輸車及時拉走，并往循環(huán)池內(nèi)補充足夠的新漿。密度監(jiān)測如圖4 所示。

圖4 進排泥漿密度監(jiān)測

4.6 測量糾偏、監(jiān)測

頂管施工中主要是頂管機切削前面的土體，然后靠主頂油缸往前頂進。由于頂管機機頭較重，頂進過程中容易形成“低頭”的現(xiàn)象，頂進中千斤頂?shù)捻斄ζ钜约霸陴ね恋貙涌赡苁芰Σ痪鶆虻龋矔鬼敼軝C在實際的施工中不能按照設(shè)計軸線頂進，頂管機姿態(tài)不僅對管道的整體質(zhì)量造成影響，還在頂管施工中由于糾偏產(chǎn)生超挖。這就需要在施工中不斷調(diào)整頂管機的姿態(tài)，保證施工軸線符合設(shè)計軸線。

精確的地表沉降監(jiān)測，及時有效地反饋穿越段地層的穩(wěn)定性及位移情況，以便靈活地調(diào)整頂進、注漿等參數(shù)，防止頂管施工中出現(xiàn)地面沉降及隆起現(xiàn)象。

5 結(jié)語

在深圳地鐵12 號線和平站前期工程，頂管在穿越大范圍全斷面黏土地層中頂進參數(shù)、黏土快速泥漿化、壁后注漿、觸變泥漿配合比控制、設(shè)備局部改造、施工技術(shù)改進措施等方面展開廣泛探索和研究。從理論到實踐，從試驗段到全面推廣，對頂管施工過程中存在的問題進行逐條梳理、歸納總結(jié)。總結(jié)出頂管穿越大范圍全斷面黏土地層的頂管施工參數(shù)，形成了有效的黏土快速泥漿化技術(shù)，提出了技術(shù)改進的具體措施。

避免了頂管穿越大范圍全斷面黏土地層施工中出現(xiàn)頂管機卡殼、刀盤磨損、易結(jié)泥餅、主頂油缸壓力頂力過大不能繼續(xù)頂進等一系列的難題，使得頂管順利穿越大范圍全斷面黏土地層，且施工質(zhì)量良好。