砂姜黏土地層雙排頂管施工關鍵技術研究

廖云，李燦，陳軍，周江，陳晨

（1.中鐵四局集團市政工程有限公司，安徽 合肥 230022；2.安徽建筑大學建筑結構與地下工程安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230601）

0 前言

頂管施工作為一種非開挖技術已在我國城市地下管道建設中得到廣泛應用[1]，但砂姜黏土地層雙排頂管研究與應用還很有限。頂管施工具有以下優點：將施工工作面移至地下，可以避免施工對地面交通的干擾以及對城市周圍環境的污染和破壞，同時避免了地下管道埋深限制，這可以使管道從密集的建筑物底部穿過。然而，在近距雙排頂管施工過程中相互影響大，造成周圍土體的原始應力狀態發生變化，從而導致復雜的力學行為，因此，必須對砂姜黏土地區雙排頂管進行關鍵技術研究。

目前對于雙排頂管施工的關鍵技術已做了一些研究[2-4]，但砂姜黏土層具有黏性大，強度高，摩阻系數較大等特點，傳統的頂管施工技術，刀盤粘結堵塞及扭矩和迎面阻力太大，管道外壁與土體間的摩阻力太大，頂管施工時雙排管道相互間影響較大。

本文基于徐州市駱馬湖水源地及第二地面水廠工程對雙排頂管穿越砂姜黏土地層進行了現場試驗，發明了砂姜黏土地層雙排近距泥水平衡頂管施工專用切削刀盤，研發了適用于砂姜黏土地層雙排近距頂管施工的新型潤滑減阻漿液，形成了雙管錯位交替頂進的工藝及控制參數的確定。

1 工程概況

徐州市地面水廠工程06標段項目的取水規模和送水管線輸送規模均為80萬m3/d，設計采用雙排D2020鋼管。其中穿越徐洪河段全長592m，管道埋深4m～17m，頂管外徑D1=2.02m。管道位于含砂姜黏土層，含砂姜黏土層主要成分為黏土，由于其中含有姜石使其具備黏性大，強度高，摩阻系數較大等特點。開挖埋管難以施工，應采用非開挖施工。

第三層：粉土夾粉砂；第四層：黏土；第五層：含砂姜黏土。本工程頂管所處地層為第五層含砂姜黏土層，詳見圖1。

根據地勘資料及現場勘測，頂管施工深度范圍內地下水較豐富，地下水均屬于潛水。依據徐洪河段地勘資料，依據地下水位及土質情況可將穿徐洪河頂管管道所處地質情況分為如下幾段。具體見表1。

穿越徐洪河頂管段地質劃分表 表1

圖1 地質剖面圖

2 關鍵技術研究

2.1 刀盤的優化設計

針對砂姜黏土層黏性大、塑性高等特點，研發專用的刀盤及刀具，提高對砂姜的破碎效果，避免刀盤粘結堵塞，降低刀盤扭矩和迎面阻力，減小對土體的擾動，以解決砂姜黏土層頂管的施工難題。

正式頂進前做了一個試驗段來檢查頂管機的各項指標（如：頂力、刀盤扭矩、出渣量、泥水倉壓力等）是否符合施工要求，如果不符合，則將機頭拖出，分析原因，并提出進一步改進措施，對刀盤進行改進設計后，再入土頂進，確保各項指標達到要求后才能正式頂進。本項目在穿徐洪河頂進時，前后共入土調試3次，對機頭改進2次后才滿足正式頂進的要求。優化設計前后刀盤如圖2。

刀盤及刀具的研發創新主要體現在以下兩個方面：增加進泥孔數量；擴大進泥孔面積。將初次進場的刀盤進泥口口徑由50mm×50mm擴大至60mm×70mm，并適當增加了進泥口數量，使刀盤的開口率由原來的8.4%增加至11.1%；在刀盤面板上設置不同大小的切削刀頭，強化刀盤的切削能力，大尺寸刀頭將整塊堅硬土體破碎成小塊，再由小尺寸刀頭將小塊土體進一步破碎，從而使切削下來的土體順利進入泥水倉。

圖2 優化設計前后刀盤

圖3 頂力變化曲線

2.2 注漿減阻工藝

在近距雙排頂管施工過程中，注漿減阻能夠減小管道外壁與土體間的摩阻力，從而減小對周邊土體的擾動，減小相鄰管道間的相互影響。因此，選擇對地層適應性強的漿液及注漿系統乃是研究重點。

2.2.1 注漿配比的確定

常規情況下觸變泥漿僅采用鈉基膨潤土加水攪拌進行配置，而本項目為了適應該種特殊地質，通過現場試驗調配，最終使用的泥漿配比為鈉基膨潤土：水：燒堿：CMC=125：1000：3：0.25，該漿液性能穩定，有良好的觸變性和一定的稠度，對土層能起到一定的支撐作用，適合粉質黏土，高地下水地質，經過多次現場試驗取得良好效果。

2.2.2 注漿系統的研究

為確保在含砂姜黏土地質條件下管外壁泥漿套能夠順利成環，起到減阻及支承作用，借鑒盾構注漿原理采用雙液注漿系統：即在機頭前設置同步注漿系統，隨頂隨注漿，及時填充管外壁空隙；在后續管節上設置跟進補漿系統，不斷補充漿液，填充因漿液流失而出現的空隙。

2.2.3 頂力變化曲線

施工過程中嚴格按照配方進行漿液調配并加強過程中的注漿管理，確保漿套成形，根據現場實際記錄頂力，繪制出如下頂力變化曲線圖3。

由圖3可以看出，管道實際頂力較理論計算頂力小很多，通過分析，主要是由于注漿效果良好，管外壁形成了完整的泥漿套環，對管外壁土體起到了有效支撐和減阻作用；另外，通過圖3可以看出，雙排管道錯距同步頂進時頂力變化基本不受相鄰管道影響，達到了預期目標，證明措施有效。

2.3 減小雙排頂管相互影響的措施

2.3.1 雙排管道橫向間距論證

國內相關研究者魏綱等經過理論分析得到適用于控制雙排平行管道橫向間距參數的相關定論，兩管道中心線的水平距離與管頂擾動寬度之間的關系對頂管施工的安全性至關重要。兩管道中心線的水平距離大于或等于機頭擾動寬度時是安全的[5-6]，如圖4所示。

圖4 雙排管道橫向間距計算簡化模型

式中，Be為管頂土體擾動寬度（m）；D0為頂管機的外徑（m），取2.06m；為土的內摩擦角（°）。

黏土內摩擦角φ=0°～30°，這里取φ=24°，經計算 Be=3.8m,滿足要求。

2.3.2 錯位縱距的控制參數確定

合理確定兩管前后錯位縱距，對于減少兩管相互干擾和影響及管間土體的擾動至關重要[7-8]。施工前采用力學簡化模式來估算前后縱距L，雙排管道縱向間距計算簡化模型如圖5。

圖5 雙排管道縱向間距計算簡化模型

雙排頂管最小縱向間距：

式中，H為前方頂管機長，如果頂管機后與管節做剛性聯結，則H應為頂管機管長與后聯結鋼管長度之和（m），取4.5+6=10.5m；土質性質決定的系數γ=1.5～2.0，這里取 γ=2.0。

在頂管施工中，其正面對土體的施力狀況是按（45°+φ/2） 向前方 360°擴散，其縱向影響距離推算如下：

式中，P0為靜止土壓力，P0=135kPa；Pp為被動土壓力，Pp=150kPa；D為頂管機外徑（m），取2.06m。

將 P0=135kPa，Pp=150kPa 代入式（6）、（7），得：

3 結論

本文基于徐州市地面水廠工程頂管穿越徐洪河段砂姜黏土地層工程實踐，分析了砂姜黏土地層雙排近距泥水平衡頂管施工關鍵技術，得出以下結論：

①針對地質復雜、含水量大、覆土較深、頂距較長的情況下頂進工程特點，分析了選用泥水平衡頂管機考慮因素，提出了將初次進場的刀盤進泥口口徑設置為60mm×70mm，并適當增加了進泥口數量，使刀盤的開口率增加至11.1%，大幅減少了切削刀具及刀盤的主體磨損，提高了施工效率。

②基于大量的不同材料類型的觸變泥漿室內配比試驗和性能測定，并通過現場頂力測試，確定了泥漿配比為鈉基膨潤土：水：燒堿：CMC=125：1000：3：0.25，大幅降低了頂管頂力及其變化幅度；雙液注漿系統有利于管外壁泥漿套能夠順利成環，起到減阻及支承作用。

③通過雙排管道橫向間距論證及錯位縱距的控制參數研究，建立雙排管道橫向縱向間距計算簡化模型，研究表明，本工程雙排管道橫向軸線距離6.0m，縱距的最小值21.6m，大幅度減少了兩管相互干擾及管間土體的擾動。