頂管穿越大范圍全斷面黏土地層施工技術研究

田華

（中電建南方建設投資有限公司，廣東 深圳 518000）

1 工程簡況

深圳地鐵12 號線和平站，設計改遷污水管道平面大體沿現狀橋和路人行道、綠化帶布設，繞口和平站主體結構，下穿蕙莞深城際軌道，管道設計采用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，設計頂管縱斷面與現狀污水管大體保持一致。

2 工程地質

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

3 施工重難點

（1）本站周邊建（構）筑物較密集，基礎埋深已經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，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，易黏結在刀盤以及土倉內結成泥餅，堵塞刀盤的注漿孔，嚴重時刀盤開挖的迎面阻力增大，還會導致刀盤轉速減小、扭矩增大。當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，導致頂管不能繼續施工，甚至將頂管機“抱死”，致使無法繼續頂進施工。

4 主要施工技術措施

4.1 頂管機的系統改進

根據以往深圳項目類似地質情況下，頂管穿越大范圍全斷面黏土層施工經驗。對頂管機進行優化，在機體上增加高壓注水系統。高壓注水系統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，如頂進過程中出現結泥現象時，能有效地把黏結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、刀盤轉動共同作用下，攪拌成具有流動性的液態。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、刀盤轉動作用下快速形成泥漿，通過進排泥漿系統抽走。通過三步共同作用，使黏土達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

頂管經過試驗段頂進施工時，發現頂管機在全斷面黏土地層中頂進時，黏土容易黏結刀盤，阻力增加，使得刀盤驅動電流增大，過載保護跳閘。黏土長時間黏結在刀盤上，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，甚至出水孔堵死現在，驅動刀盤電流高居不下。

根據施工探索反復試驗，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，頂管機在后續的頂進過程中，刀盤電流一直很平穩，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

頂進參數是控制頂管機頂進的重要指標，也是頂管施工質量的重要體現。頂管經過試驗段頂進施工時，發現頂管機在全斷面黏土地層中頂進時，認真分析頂進參數，根據提前擬定頂管穿越該地層段的頂進參數，擬定各種突發情況的應對措施。

通過不斷的優化與調整頂管施工頂進參數、黏土快速泥漿化、技術改進措施和控制措施等，總結出如表1 頂進的主要參數。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表

注：①頂進時產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量的關鍵因素，因為觸變泥漿是減少頂進過程中的摩擦阻力的關鍵；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合膨潤土本身的物理性能和穿越的地層土體特性是經過頂管試驗段多次試驗、對數據分析對比較，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

表3 觸變泥漿技術參數

膨潤土分散在水中，其片狀顆粒表面帶負電荷，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構，膨潤土水溶液呈固體狀態。一經觸動（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為流體狀態。如果外界因素停止作用，水溶液又變作固體狀態，具體見圖3 所示。

圖3 觸變泥漿

4.5 進排泥漿密度監控

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過進排泥漿輸送到泥水分離器，經過濾流體漿液再循環使用，粗渣過濾后直接排出運走。然而當進排泥漿比重過大，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，當廢漿處理，形成浪費，增加施工成本。

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

圖4 進排泥漿密度監測

4.6 測量糾偏、監測

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”的現象，頂進中千斤頂的頂力偏差以及在黏土地層可能受力不均勻等，也會使頂管機在實際的施工中不能按照設計軸線頂進，頂管機姿態不僅對管道的整體質量造成影響，還在頂管施工中由于糾偏產生超挖。這就需要在施工中不斷調整頂管機的姿態，保證施工軸線符合設計軸線。

精確的地表沉降監測，及時有效地反饋穿越段地層的穩定性及位移情況，以便靈活地調整頂進、注漿等參數，防止頂管施工中出現地面沉降及隆起現象。

5 結語

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、黏土快速泥漿化、壁后注漿、觸變泥漿配合比控制、設備局部改造、施工技術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。總結出頂管穿越大范圍全斷面黏土地層的頂管施工參數，形成了有效的黏土快速泥漿化技術，提出了技術改進的具體措施。

避免了頂管穿越大范圍全斷面黏土地層施工中出現頂管機卡殼、刀盤磨損、易結泥餅、主頂油缸壓力頂力過大不能繼續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，且施工質量良好。