巖石地層條件下污水管線頂管施工技術

吳 偉

(中鐵一局集團有限公司 陜西西安 710054)

0 引言

隨著我國近年來城市建設的飛速發展，大量管道地下工程也在不斷新建和維修，使城市地下管線變得非常密集，也給后續管道工程帶來很大壓力。而頂管施工技術在符合城市可持續發展要求的基礎上，很好地減輕了這種壓力。頂管施工不僅可以在不開挖或少開挖的情況下進行污水排水工程，也減少了對路面的破壞，且便于施工[1]。因此，頂管施工技術近年來在市政工程管道施工中逐漸得到了廣泛應用[2-3]。如蘇州某污水總管擴建工程項目采用TLM泥水平衡機械頂管掘進機頂進技術施工，在管道穿越公路5個月后，各測點累計實測沉降均滿足變形控制需求等[4]；北京通州·城市副中心潞苑東路雨污合流改造工程(長1.2km)[5]以及北京市朝陽區郭家莊路污水管道工程[6]，采用微型頂管螺旋出土法施工，實踐表明微型頂管施工對環境影響小，成型效果好。但與德國、日本等發達國家相比，我國頂管施工技術仍然存在較大差距，主要表現在設備制造技術、地域及行業發展不平衡、巖石地層頂管相關研究較少等方面[7]。孟憲翚(2016)[8]依托于世行貸款柳州市水環境綜合整治工程，針對不同特點地質地貌，提出多種不同的頂管施工方式，重點研究特殊地質條件的頂管施工方法，成功解決了污水管道穿越和施工中遇到的難題。楊慶輝(2019)[9]提出一種適用于巖石地層中超長距離巖石頂管卡管脫困技術，在管節表面安裝混凝土表面應變計，以定位卡管受困點，再拆除受困點一節管節并安裝臨時中繼間，解決頂管卡管脫困，該技術也成功應用至實際項目施工中。胡恒千(2020)[7]依托重慶市觀景口水利樞紐工程，從設備選型與設計、潤滑減阻技術、導向與糾偏以及中繼間布置等方面，系統研究長距離巖石頂管施工關鍵技術，通過評價應用效果表明，在如何有效應對觸變泥漿長期穩定性、斷層破碎帶、巖石等問題上，仍需結合后續工程繼續系統研究、不斷積累經驗。

基于此，本文依托平潭環島路綜合管廊污水管線工程，選用巖石泥水平衡頂管機進行頂管施工，并對頂力展開計算，確定頂管技術參數，最后對巖石頂管施工關鍵技術展開分析，總結出一些對今后類似工程具有參考價值的結論。

1 工程概況

1.1 工程簡介

平潭環島路(中山大道～新湖路段)為海壇島東側沿海主要干道，總體呈南北走向，總長約22.577 km，沿線修建地下管廊工程。其中，砂層地段的污水管線范圍采用頂管技術施工。在頂管施工過程中，多處遇到石頭障礙物和不同程度的花崗巖，導致頂管無法正常頂進、沉井無法正常下沉。經地勘單位補充勘察后發現，局部地質情況與設計圖紙不符，該段頂管高程范圍內部分段落存在孤石、中風化花崗巖等情況，原設計明確的“泥水平衡頂管機”無法施工于這些段落。

1.2 泥水平衡頂管機的選定

為盡快形成污水管道，將平潭老城區污水排放至再生水廠處理，該項目工程選擇巖石頂管機進行巖石段落頂管施工。根據地質補勘資料及實際情況，采用具有二次破碎功能的“巖石泥水平衡頂管機”，其適應于普通土層(軟土、硬土、粘土砂及礫石土)～卵石，主要具有以下特點：

①破巖能力強。可破碎巖石層硬度80 MPa，配有盤型滾刀，這種破碎利器具備性能穩定、耐磨性強、強度高等特點，可大幅度提升切削刀盤的破巖能力。

②施工速度快，效率高。特殊設計的大口徑圓錐破碎倉，通過旋轉、研磨、攪碎，將大塊巖石二次破碎，隨泥漿排出管道。

③從機內更換切削滾動、刮刀進行長距離掘進，適應于長距離巖石頂管施工。

④可視化遠程控制。頂進作業時，機手在操作房內可實時監控整個施工過程。

巖石泥水平衡頂管工藝流程與泥水平衡頂管工藝類似，區別在于刀頭、刀具的選擇，如圖1～圖3所示。相較于普通泥水平衡頂管機，巖石泥水平衡頂管機除了功率、性能上增強外，在巖石頂進專用刀盤后面還增加了二次破碎專用設備。其操作程序，先通過巖石專用刀盤切削巖層，二次破碎設備二次破碎石塊，再通過泥漿循環將破碎的石塊帶出機頭，同時頂進，以達到頂管在硬巖中頂進的目的。

圖1 普通泥水平衡頂管機

圖2 巖石頂管機(軟巖)

圖3 巖石頂管機(硬巖)

1.3 適用的地層

巖石泥水平衡頂管設備，適用于沿海淺灘地質情況下粘土、粉質粘土、細砂、中細砂局部含有孤石、滾石的軟弱夾層，以及巖石堅硬程度為較硬巖體完、整性程度為較完整的中微風化硬巖。該套設備通過頂力和頂進方向的控制，能夠較好地通過軟弱圍巖結構面，并且在復雜地層中相對于普通泥水平衡頂管設備有較高適用性和良好的經濟效果。依托工程地質剖面圖如圖4所示。

圖4 工程地質剖面圖

2 巖石泥水平衡頂管機設計

2.1 巖石泥水平衡頂管機頂力計算

巖石泥水平衡頂管機管材，選用DN1400 mm鋼筋混凝土頂管專用管(外徑DN1680 mm、F型接口、三級管)。選取依托工程最長巖石頂管段W15工作井～W16接收井(長度90 m，Φ1400 mm)為例計算頂力，頂管管道埋深深度為9.74 m～9.4 m。依據《給水排水管道工程施工及驗收規范》(GB 50268-2008)[10]計算公式，參照工程設計要求及地質勘察報告，進行如下計算：

FP=πD0Lfk+NF

(1)

式中：FP為頂進阻力(kN)；

D0為管道的外徑，取1.68 m；

L為管道的計算頂進長度，取90 m；

fk為管道外壁與土的單位面積平均摩阻力(kN/m2)。

通過試驗確定，該段為巖層，摩擦阻力較大，取5kN/m2；NF為頂管機的迎面阻力(kN)。

NF=π/4Dg2P

(2)

式中：Dg為頂管機外徑(m)，取1.72 m；

P為控制土壓力(kPa)，P=K0×P0，K0為靜土壓系數，取0.55；

P0為靜止土壓力(kPa)，P0=γ×h，γ為土的容量，主要為巖層取28kN/m3；

h為覆土深度9.4 m～9.74 mm，取9.57 m；

P0=γ×h=28×9.57=267.96 kN/m2

P=K0×P0=0.55×267.96=147.37 kN/m2

綜合公式(1)和(2)求得：

FP=3.14×1.68×90×5+3.14/4×(1.72×1.72×147.37)=2373+342=2715 kN

在設計后座墻時，將后座板樁支承的聯合作用對土抗力的影響加以考慮，水平頂進力通過后座墻傳遞到土體上，因而能將頂力分散傳遞，擴大了支承面。結合以往施工經驗需對頂管后靠結構及井壁背后的土壓力進行受力驗算，但該工程根據施工設計圖紙已完成工作井其后座承載力≥8000 kN已明確給出。

根據中國非開挖技術協會行業標準《頂管施工技術及驗收規范(試行)》[11]，混凝土的強度為C20以上，在達到其強度的80%以上時才可以承受頂力；考慮到頂管頂進時，混凝土后座強度值不一定能夠達到設計強度，故，對后靠結構取其設計承載力0.8倍作為安全儲備，8000 kN×0.8=6400 kN遠遠大于該頂管工程需要頂力2715 kN。因此，暫無需設置中繼間，如頂管長度變更并超出100 m時再增設。

2.2 巖石泥水平衡頂管機主要技術參數

通過分析最終確定的巖石泥水平衡頂管機主要技術參數如下：

①頂管混凝土管內徑/外徑:Φ1400 mm/Φ1680 mm。

②頂管機外徑×長度:Φ1720 mm×4800 mm。

③切削刀盤：

電機功率kW:37×2；

最大扭矩kN·m:215；

滾刀形式:盤型滾刀；

滾動裝配方式:后裝式；

滾刀數量:11；

刮刀數量:19；

卵石破碎后粒徑/mm:<40。

④機頭總功率/kW:76.2。

3 巖石頂管施工關鍵技術

3.1 巖石頂管施工工藝流程

巖石頂管施工工藝流程大致為：施工準備→頂進設備安裝→掘進機井內就位→掘進機穿墻→管道頂進→管子拼接→頂進結束。具體工藝流程如圖5所示。

圖5 巖石頂管施工工藝流程

3.2 穿墻頂進

頂管施工時，采用地下預埋鋼盒作為預留進出洞口，在進出洞口安裝可拆式止水鋼圈，再在鋼圈上安裝止水膠圈，達到止水效果后，在洞口前方挨著頂進方向的連續墻外邊線增加一排旋噴樁止水幕墻，旋噴樁直徑600 mm。

工作井出洞處理上，在出洞前割掉預埋鋼盒外側鋼板，并將止水鋼環焊接到預埋鋼盒的外側，再將止水橡膠圈安裝在止水鋼環上。在準備出洞時，割掉鋼盒內側擋土鋼板，清理預留孔內的雜物后立即將工具頭推進預留孔，縮短停頓時間，這時止水橡膠圈緊抱工具頭外殼，發揮止水作用。頂進工具頭到穿墻管內，工具頭與第一節混凝土管，采用剛性聯結，避免工具頭“磕頭”。

3.3 正常頂進

二次破碎巖盤泥水平衡頂管機，由安裝在筒體上的倒錐體與跟主軸刀盤一起旋轉的錐形體、刀盤背部的牛腿等組成。巖石通過滾刀切削、刮刀或刮碴板，將破碎的巖石經過出碴口刮進頂管機內，通過刀盤背部的牛腿與錐形破碎倉下部突起耐磨破碎筋組成剪切破碎機構，進行二次破碎。破碎后的巖石顆粒，經排碴格柵孔篩濾，然后用排碴泵經排碴管排出到預先開挖好的泥漿池。

3.4 膨潤土泥漿配置、泥漿管布置及注漿孔布置

(1)膨潤土泥漿配置

膨潤土泥漿的配置根據不同巖層配備，并在施工中實時調整。機頭尾部前10根管節的同步注漿漿液配置，要達到阻止巖石顆粒、巖石粉時再進入管道；后面管道漿液的配置，滿足管道懸浮頂進的控制要求即可。若前面泥漿能滿足阻止巖石顆粒、巖石粉進入管道要求，后續補充用水即可。

(2)膨潤土泥漿管布置和注入

巖石頂管中膨潤土泥漿管的布置與一般頂管不同。一般頂管，當機頭前段泥漿套形成后，后面一般只需要補漿即可。因此，后續泥漿管的布置可逐步加長距離布置。

由于巖石頂管在整個頂進過程中，讓管道懸浮于泥漿中，因此，后續布置的泥漿管，應是整個管道按一定的距離全程布置，以保證整個管道在頂進施工中能隨時補充泥漿，滿足管道懸浮要求。觸變泥漿由膨潤土、水和摻合劑按一定比例混合而成，也可購置膨潤土袋裝復合材料，在現場施工加水拌和。

(3)注漿孔布置

在每節管的前端，布置1道觸變泥漿注漿孔，數量為4個，孔的大小呈90°布置，經過不斷壓漿，在管外壁形成一個泥漿套，如圖6所示。

圖6 觸變泥漿示意圖

3.5 糾偏測量

(1)頂進中測量

觀測臺上激光經緯儀發出的激光束，既為管道中心線，又符合設計坡度要求，實為頂管導向的基準線。在頂管施工開始時，將頂管機測量靶的中心與激光斑點中心重合。當頂管機頭出現偏差，相應激光斑點將偏離靶中心，測量靶圖像通過視頻傳送到操作臺監示器上，從而觀察出激光斑點將偏離靶中心偏離圖像，通過控制糾偏千斤頂的伸縮量，進行頂進方向的糾正，使頂管機始終沿激光束方向前進。頂管施工中，測量工作的主要任務是掌握好管線的中線方向、高程和坡度，示意圖如圖7所示。

圖7 頂進中測量示意圖

高程控制的具體操作要點如下：

①根據設計坡度要求，沿線路布設四等水準路線，并在各井口處埋設臨時水準點，以供頂管高程放樣。

②根據頂管線路所布設的導線點及水準點，標定出井的平面位置及測定其深度，以指導工作井的開挖施工；定出始發井與接收井的管道中心點，并將其投射于地面(以下簡稱投點)，做好標記。由于投點處于井的邊緣，所以，事先做好投點的支架搭設與焊接標志工作。

③以布設的線路導線點中的一個導線點及一條邊的方位角，重新精密測定二井間的導線，即貫通導線，并聯測二井投點。在有條件的地方，最好將投點作為導線點，以便獲得投點的精確坐標。所有導線點應埋設牢固標志，以備復測。根據貫通導線及井口投點，在始發井邊緣放樣出頂進方向的坐標點，而后與井口投點一起向井下投射方向線，并將高程從井上傳至井下，埋設臨時水準標點。

④在工作井下建立控制觀測臺，并在其上配置強制對中的儀器基座，架設上下左右可調節的裝置，能使架設于其上的儀器調整到中線(或與中線偏離一定距離)的位置，并把儀器橫軸調整到中線(或與中線偏離一定距離)的高度。

(2)糾偏

頂管機測量靶網格為10 mm，根據頂管機測量靶激光點的偏移量計算頂管機的斜率，伸出相應的糾偏千斤頂組，改變頂管機推進方向，實現頂進方向的控制。糾正偏差應緩慢進行，使管節逐漸復位，不得猛糾硬調。

頂管工具頭開始頂進5 m～10 m范圍內，允許偏差應為軸線位置50 mm、高程30 mm。當超過允許偏差時，應采取措施糾正。工具頭前方有糾偏節，糾偏節中安裝有糾偏千斤頂，頂進過程根據測量反饋結果，調整糾偏千斤頂，使工具頭改變方向。如果工具頭方向偏差超過10 mm，即采用糾偏千斤頂糾偏。

每次糾偏幅度，以5 mm為一個單元，再頂進1 m時，如果根據頂管機的測斜儀及激光經緯儀測量偏位趨勢沒有減少，增大糾偏力度；如果測量偏位趨勢穩定或減少時，則保持該糾偏力度，繼續頂進；當偏位趨勢相反時，則需要將糾偏力度逐漸減少。

糾偏應貫穿在頂進施工全過程，必須做到嚴密監測頂管偏位情況，并及時糾偏，盡量做到糾偏在偏位發生的萌芽階段。

4 現場監測數據分析

為觀察頂管施工工過程周邊地表沉降情況，選取W15頂管工作井～W16頂管接收井段展開實測分析。監測平面圖如圖8所示。

圖8 監測平面圖

頂管路面沉降測點DGCJ79～DGCJ84的變化曲線如圖9所示。

圖9 地表沉降隨時間變化曲線

從圖9可以看出，各測點的累計位移變化規律相似，均隨時間逐漸增大而后趨于穩定，累計最大變化值為-12.00 mm。由此可見，頂管道路周邊地表沉降處于允許范圍，頂管施工安全穩定。

5 結語

綜上，本研究結合平潭綜合管廊污水管線工程，針對原頂管施工過程中多處遇到石頭和不同程度的花崗巖，導致頂管無法正常頂進、沉井無法正常下沉等問題，采用將普通泥水平衡頂管機替換為巖石泥水平衡頂管機進行施工，成功解決了污水管道穿越和施工中所遇到的難題；而且，對施工周邊環境影響小，工程施工得到大力保障，取得了良好的社會效益和經濟效益。