復(fù)合地層中頂管施工技術(shù)與控制措施

何志蘭

(中國(guó)水利水電第八工程局有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

1 工程概述

化龍凈水廠(汽車(chē)小鎮(zhèn)至廠區(qū)段)DN1800進(jìn)水主干管工程，共新建污水主干管1120 m，管徑DN1800，主干管施工工藝采用頂管施工。主干管埋深為9.0～13.0 m。WS5～WS6為新建主干管中的其中一段，全長(zhǎng)110 m，覆土厚度在9.5～10 m左右。

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)工程地質(zhì)測(cè)繪和勘探揭示，場(chǎng)地勘探范圍內(nèi)的地層主要由素填土、雜填土、粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、淤泥、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化花崗巖組成，本項(xiàng)目WS5～WS6頂管穿越地層順序如下。

(1)粉質(zhì)黏土：黃褐色～紅褐色，可塑～硬塑狀態(tài)，主要由粘性土及砂礫組成，粘性一般，干強(qiáng)度中等，韌性中等，局部含少量砂礫，約含10%～15%。層厚1.00～4.60 m，平均2.59 m，位于該頂管范圍橫剖面內(nèi)的中部位置[1]。

(2)強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖：褐紅色，裂隙極發(fā)育，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，層狀構(gòu)造，巖芯呈堅(jiān)硬土狀、半巖半土狀，底部呈碎塊狀，敲擊聲啞，手扳可斷，局部強(qiáng)度偏中風(fēng)化狀態(tài)，巖石堅(jiān)硬程度整體屬極軟巖[2]。層厚0.40～10.30 m，該位置頂管范圍內(nèi)平均0.5～0.6 m，位于該頂管范圍橫剖面內(nèi)的前段下部位置，見(jiàn)補(bǔ)勘圖。

(3)粉細(xì)砂：灰黑～灰色，松散～稍密，飽和，砂質(zhì)不純凈，主要礦物成分為石英、長(zhǎng)石，含少量淤泥，局部淤泥含量超30%，夾貝殼碎屑。層厚3.10～4.80 m，主要集中在洞口位置。

(4)淤泥：灰黑色，流塑狀態(tài)。含少量有機(jī)質(zhì)及腐殖質(zhì)，手捏粘滑，具腥臭味，含貝殼，局部夾薄層粉細(xì)砂[3]。

本次勘察期間測(cè)得鉆孔初見(jiàn)水位埋深0.38～2.06 m，標(biāo)高4.84～6.70 m；穩(wěn)定水位埋深0.21～1.85 m，標(biāo)高5.01～6.85 m(圖1)。

圖1 WS5～WS6地勘縱剖面

3 設(shè)備選型

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及地質(zhì)勘探報(bào)告，結(jié)合本標(biāo)段工程頂管穿越地質(zhì)情況，為保證頂管施工的安全及進(jìn)度，因此，本工程選用泥水平衡施工工藝。由于本段大部分穿越地層為粉質(zhì)黏土及淤泥地層，采用泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)(平板機(jī))是最適合的，但由于本段落前段約30 m內(nèi)管底局部有基巖出露，采用泥水平衡平板機(jī)不適用，所以采用泥水平衡巖石頂管掘進(jìn)機(jī)，巖石頂管掘進(jìn)機(jī)對(duì)各種地層具有良好的適應(yīng)性，采用滾刀和刮刀配置的方案，既能有效處理各種粉質(zhì)黏土、軟土層等[4]，又能適應(yīng)各種強(qiáng)風(fēng)化、以及中微風(fēng)化巖破碎的需要(表1)。

表1 頂管機(jī)型對(duì)比

選用的頂管機(jī)型號(hào)為HRC-1800B型，外徑2180 mm，驅(qū)動(dòng)功率為30 kW×4，總長(zhǎng)5250 mm，刀盤(pán)最大轉(zhuǎn)速為3.3 r/min，重量為34.1 t。配備了復(fù)合刀盤(pán)，共配備了14把滾刀(12寸)，其中4把中心單刃滾刀(12寸)，6把雙刃邊滾刀(12寸)，4把雙刃中心滾刀(12寸)，6把邊刮刀及12把中心刮刀。

4 施工過(guò)程中的頂進(jìn)控制

頂管施工根據(jù)開(kāi)挖斷面和開(kāi)挖延伸方向上地層的組合的不同情況，分為幾種情況：一種是在垂直方向上不同地層的組合；一種是在水平方向上地層的不同組合；另一種是上述兩者兼而有之[5]。本項(xiàng)目WS5～WS6段符合垂直及水平方向兩者兼而有之的情況，屬于復(fù)合地層中的頂管施工，以下按照垂直地層斷面方向上進(jìn)行分層，水平方向上進(jìn)行分段進(jìn)行頂管的頂進(jìn)控制分析[5]。

4.1 洞口位置，粉細(xì)砂及粉質(zhì)黏土組合中的頂進(jìn)控制

粉細(xì)砂地層屬第四系全新統(tǒng)沖積層，特點(diǎn)是在河床及河漫灘內(nèi)十分發(fā)育，滲透系數(shù)大，顆粒一般都是呈現(xiàn)粒狀，由于粉細(xì)砂中含有較少的細(xì)粒，且實(shí)際的砂土顆粒并不是類(lèi)似于圓形，都是由大小不一的顆粒混雜，導(dǎo)致粉細(xì)砂出現(xiàn)一些較差的工程特性；而粉質(zhì)黏土為砂巖風(fēng)化殘積而成，土質(zhì)均勻性較好，地基承載力較高，可作為管道基礎(chǔ)基礎(chǔ)持力層[6]。所以在頂管進(jìn)出洞口時(shí)，很容易出現(xiàn)流砂、涌泥等現(xiàn)象(圖2)。

圖2 地質(zhì)縱剖面

針對(duì)這種情況可以采用一些有效措施來(lái)防止流砂、涌泥現(xiàn)象。

(1)管井降水法。在工作井出洞口一側(cè)，沿井壁打設(shè)降水井，將地下水降至洞口以下2～3 m，降水井深一般為洞口底深的2～3倍，由于本項(xiàng)目離建筑物較近，有地基沉降限制的要求，本項(xiàng)目不建議使用。

(2)土體預(yù)加固措施。本項(xiàng)目采用深層水泥攪拌樁將洞口處土體預(yù)先固結(jié)，具體參數(shù)為：樁徑Ф800@600水泥攪拌樁，水泥滲入量要求≥18%且水泥用量不小于155 kg/m，；采用強(qiáng)度等級(jí)42.5R普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.5～0.6，采用四攪兩噴工藝。打設(shè)的深度為管中心以上及以下各2 m范圍，寬度為軸線(xiàn)左右各2 m范圍，設(shè)置2排。為保證注漿質(zhì)量，實(shí)際注漿量一般都大于理論計(jì)算量[7]；另外，本項(xiàng)目水泥用量按155 kg/m控制，也可以增加水泥用量，加快周?chē)馏w的固結(jié)。

(3)采用雙層橡膠止水密封圈。由于粉質(zhì)黏土有一定的可塑性，針對(duì)均一的粉質(zhì)黏土層，可采用單層環(huán)形橡膠止水圈加鋼質(zhì)壓板即可有效防止地下水和注漿漿液外流[8]。對(duì)于地下水位高，且粉質(zhì)黏土和粉細(xì)砂的組合地層，采用常規(guī)做法是不夠的。

(4)頂進(jìn)參數(shù)。頂管機(jī)剛出洞時(shí)，頂進(jìn)速度宜緩慢，由于頂管初出洞處于加固區(qū)域，為控制頂管頂進(jìn)的軸線(xiàn)，頂進(jìn)速率不宜過(guò)快，基本控制在10 mm/min。頂進(jìn)過(guò)程中，同步向管外壁注入減阻泥漿，根據(jù)泥漿損失補(bǔ)充注漿。

4.2 粉質(zhì)黏土與強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖組合中的頂進(jìn)控制

復(fù)合地層在垂直方向上的變化。最典型的就是所謂“上軟下硬”地層，即垂直斷面上部是軟土，下部是風(fēng)化系數(shù)在0.4以上的巖石地層(圖3)。

圖3 地質(zhì)縱剖面

粉質(zhì)黏土與強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖組合地層的頂管施工容易存在以下問(wèn)題：①由于底部為硬巖，刀具貫入巖面較困難，而上部為粉質(zhì)黏土，屬軟土范圍，刀具切削土層較容易，頂管機(jī)掘進(jìn)時(shí)機(jī)頭的垂直姿態(tài)容易上抬；②刀盤(pán)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速控制不當(dāng)時(shí)，在軟硬交界的地方容易磕碰巖面，造成刀圈合金齒崩壞；③掘進(jìn)速度減慢，極易造成超挖，地面沉降嚴(yán)重。

針對(duì)以上情況，可采取的措施如下。

4.2.1 “補(bǔ)勘”

補(bǔ)勘根據(jù)實(shí)際情況分為如下兩種。

(1)在設(shè)計(jì)勘察階段，通過(guò)調(diào)整頂管線(xiàn)路，避開(kāi)這樣的“上軟下硬”地層。根據(jù)頂管技術(shù)規(guī)程規(guī)定，頂管勘察勘探孔間距根據(jù)場(chǎng)地類(lèi)別來(lái)確定的，確定的勘探孔間距為一個(gè)范圍，一般的做法都是按該類(lèi)場(chǎng)地最大間距來(lái)控制。而對(duì)于一些復(fù)雜地層來(lái)說(shuō)(除一些特別說(shuō)明的重要地段外)，該間距不能滿(mǎn)足要求，必須進(jìn)行加密鉆孔。特別是巖層變化較大的部位，必須加密，這樣才能詳細(xì)的了解地層情況，便于制定合理的線(xiàn)路方案(表2)。

表2 頂管勘察勘探孔間距 m

(2)在工作井或者接收井施工階段，通過(guò)調(diào)整設(shè)備型號(hào)或者頂進(jìn)方案，避免在頂進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題。首先根據(jù)詳勘圖紙及現(xiàn)場(chǎng)沉井施做時(shí)頂管高程內(nèi)的巖層實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比分析，如果與詳勘圖紙確實(shí)存在較大差異，如原來(lái)詳勘圖紙標(biāo)識(shí)的為粉質(zhì)黏土層，而實(shí)際沉井施工的時(shí)候出露為強(qiáng)風(fēng)化或者中風(fēng)化巖層，就需對(duì)頂管沿線(xiàn)上可能出現(xiàn)的局部隆起或者整體基巖段進(jìn)行加密補(bǔ)充勘察，詳細(xì)了解地層情況(圖4、5)。

圖4 補(bǔ)勘圖示意

圖5 BK02鉆孔芯樣

4.2.2 “處理”

對(duì)于這種“上軟下硬”地層處理的方法很多，有沖孔處理、新建豎井、爆破等，具體根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定，本項(xiàng)目WS5～WS6段基巖出露的范圍較大，將近30 m范圍，且周邊有新建住宅區(qū)，采用新建豎井和爆破方案不可行。由于屬于局部基巖凸起，采用沖擊鉆成孔具備可行性，將處于巖石段的管段基礎(chǔ)處理完成后，就可采用普通泥水平衡機(jī)進(jìn)行頂進(jìn)[9]。雖然沖孔樁處理效果較好，處理后采用普通泥水平衡機(jī)對(duì)頂管施工基本無(wú)影響，但是處理效率較低且費(fèi)用較高，本項(xiàng)目由于工期較緊，僅將該方案作為備選方案。

具體參數(shù)：雙排深12 m(管底超深1 m)灌注樁沿頂管線(xiàn)路對(duì)稱(chēng)放置，樁徑1.5 m，橫排樁間距1.2 m，咬合30 cm，豎排樁間距1.4 m，咬合10 cm(圖6、7)。

圖6 布樁平面示意

4.2.3 頂管機(jī)的選擇及參數(shù)控制

正是由于本段落有局部基巖凸起的狀況，本項(xiàng)目選用了巖石頂管掘進(jìn)機(jī)，巖石頂管掘進(jìn)機(jī)對(duì)地層具有良好的適應(yīng)性，采用滾刀和刮刀合理配置的方案，既能有效處理各種粉質(zhì)黏土、軟土層等[10]，又能適應(yīng)各種強(qiáng)風(fēng)化以及中、微風(fēng)化巖破碎的需要。

為防止頂進(jìn)速度過(guò)快而造成扭矩增大加快刀具磨損，或?qū)Φ貙釉斐奢^大的擾動(dòng)，實(shí)際施工時(shí)采用低速度掘進(jìn)。該頂管機(jī)在本項(xiàng)目WS2～WS1段同類(lèi)型全斷面巖層中的正常頂進(jìn)速度為8～10 mm/min，所以在本段上軟下硬段基本控制在5～7 mm/min的頂進(jìn)速度。

圖7 樁位橫剖示意

在粉質(zhì)黏土與強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖組合地層中頂進(jìn)時(shí)，粉質(zhì)黏土部分只需對(duì)掌子面進(jìn)行切削即可破壞土層，而在下部強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中，雖然整體巖石硬度不是很高，但是局部硬巖對(duì)刀盤(pán)的損傷還是較大。另外刀盤(pán)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，如轉(zhuǎn)速控制不當(dāng)時(shí)，在軟硬交界的地方容易磕碰巖面，造成刀圈合金齒崩壞，所以在邊刀刀具選擇上，可選擇不帶合金齒的普通刀圈或者重型刀圈(二者區(qū)別在于重型刀圈相比普通刀圈，耐磨性提高約20%，但韌性稍差，可根據(jù)巖層情況選擇)，一方面可避免不均勻受力，導(dǎo)致刀圈合金齒崩壞；另一方面也可減少成本。在頂進(jìn)過(guò)程中還應(yīng)適當(dāng)降低刀盤(pán)轉(zhuǎn)速，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速控制在0.8～1.0 r/min。

為避免頂管機(jī)頭在頂進(jìn)的過(guò)程中機(jī)頭上抬，在進(jìn)入該組合地層之前，通過(guò)控制頂進(jìn)方向，刻意將機(jī)頭趨勢(shì)微調(diào)整為“低頭”趨勢(shì)。

另外由于掘進(jìn)速度減慢，極易造成超挖，地面沉降嚴(yán)重，為了減少和防止地表沉降，在頂管機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中，要盡快在頂管機(jī)后管道外同步注入足量的漿液材料充填環(huán)形空隙并嚴(yán)格控制出土量。

注漿壓力是控制的重點(diǎn)，注漿壓力和注漿量是成正比關(guān)系，根據(jù)頂進(jìn)速度計(jì)算漿液的注入方量，在理論方量滿(mǎn)足的情況下，嚴(yán)格控制壓力，注入壓力略高與刀盤(pán)前泥倉(cāng)壓力。也就是說(shuō)觸變泥漿的消耗量略大于地層損失的量，經(jīng)計(jì)算：

單節(jié)管節(jié)理論注漿量為：

V=2.5×3.14×(1.1×1.1-1.08×1.08)

=0.34 m3

本段頂管主要位于粉質(zhì)黏土層和強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層，漿液實(shí)際壓注量一般為理論注漿量1.5～3倍，因此每頂進(jìn)一節(jié)(2.5 m)壓漿量為：

V=0.34×(1.5～3)=0.51～1.02 m3

4.3 頂管機(jī)在粉質(zhì)黏土層與淤泥層中的頂進(jìn)控制

粉質(zhì)黏土為砂巖風(fēng)化殘積而成，具有遇水易軟化等特性，底部局部地段可能因地下水長(zhǎng)期浸水而成可塑狀，土質(zhì)均勻性較好，地基承載力較高，可作為管道基礎(chǔ)基礎(chǔ)持力層。單一粉質(zhì)黏土地層頂進(jìn)速率基本控制在10～15 mm/min。

而淤泥呈流塑狀，揭露厚度差異較大，且厚薄不一，分布不穩(wěn)定，特點(diǎn)主要表現(xiàn)為地基承載力低，含水量高，孔隙比大等特殊性能。受到震動(dòng)時(shí)，土層結(jié)構(gòu)易受破壞。

巖石頂管機(jī)在淤泥層頂進(jìn)過(guò)程中容易存在的問(wèn)題：①巖石頂管機(jī)相對(duì)于平板頂管機(jī)的機(jī)頭重，在頂進(jìn)過(guò)程中機(jī)頭容易“下栽”，導(dǎo)致糾偏困難；②淤泥地層會(huì)產(chǎn)生硫化氫(H2S)、甲烷(CH4)、一氧化碳(CO)等有毒有害氣體，有限空間作業(yè)增加了頂管施工時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，必須采取一定措施，保證施工安全。

針對(duì)以上情況，可采取以下措施。

4.3.1 增加機(jī)頭連接管

將機(jī)頭與管節(jié)接口處進(jìn)行硬連接，連接點(diǎn)位一般為3、9、12點(diǎn)鐘3個(gè)部位連接。并將前3節(jié)管與管之間進(jìn)行相同方式連接。使機(jī)頭與前段管節(jié)形成一個(gè)整體，減小機(jī)頭叩頭擺動(dòng)幅度，并可以有效的控制機(jī)頭的仰俯角和旋轉(zhuǎn)角度。

4.3.2 控制頂進(jìn)速率

因?yàn)橛倌嗟貙映柿魉軤睿衣逗穸炔町愝^大，且厚薄不一，分布不穩(wěn)定，地基承載力低，頂進(jìn)速率過(guò)慢，會(huì)導(dǎo)致機(jī)頭“下栽”趨勢(shì)明顯且不易糾偏；頂進(jìn)速率過(guò)快，會(huì)造成刀盤(pán)貫入度太大，刀盤(pán)被“糊”住，導(dǎo)致頂力增大，刀盤(pán)電流激增。一般頂進(jìn)速率基本控制在20～30 mm/min。

4.3.3 加強(qiáng)有限空間作業(yè)管理

(1)24 h專(zhuān)人不間斷多點(diǎn)監(jiān)測(cè)控制。由于頂管掘進(jìn)機(jī)本身不防爆且頂管施工本身屬于有限空間作業(yè)，即使少量氣體進(jìn)入管道，其濃度也會(huì)上升到爆炸范圍。對(duì)于重點(diǎn)部位，如機(jī)倉(cāng)內(nèi)，采用固定式氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。管道內(nèi)及井口位置可采用便攜式氣體檢測(cè)儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

(2)應(yīng)急物資配備完好。有限空間作業(yè)必須配備的空氣呼吸器、便攜式氣體檢測(cè)儀、有毒有害氣體防護(hù)面罩、安全帶、安全繩，防護(hù)服、防水防爆照明燈具、應(yīng)急消防器材等配備到位，并確保能夠正常使用。

(3)加強(qiáng)通風(fēng)及明火管制。控制可燃?xì)怏w濃度是防止可燃?xì)怏w爆燃的主要措施之一，便攜式氣體檢測(cè)儀有毒有害氣體一般正常設(shè)置的低報(bào)值為20%LEL，而甲烷的LEL值為5%(LEL指爆炸下限)，即只要把洞內(nèi)甲烷濃度控制在1%以下，使其在安全的范圍之內(nèi)。采用2臺(tái)7.5 kW的軸流風(fēng)機(jī)(1用1備)，下井作業(yè)前，必須保證通風(fēng)1 h以上；為加強(qiáng)井下明火管制措施，嚴(yán)禁井下吸煙和使用火柴、打火機(jī)、電氣焊等點(diǎn)火物品與作業(yè)。

(4)頂進(jìn)過(guò)程中的開(kāi)倉(cāng)作業(yè)。①作業(yè)前，關(guān)閉機(jī)頭電源，機(jī)頭停電冷卻后，方可下井開(kāi)倉(cāng)；②下井前，通風(fēng)、氣體檢測(cè)合格，保證頂管內(nèi)的氧氣濃度不低于20.9%，CO、NO2、SO2等有毒氣體濃度不超規(guī)范值；③下井前，通訊、監(jiān)控設(shè)備齊全，進(jìn)入作業(yè)場(chǎng)所前，作業(yè)人員與監(jiān)護(hù)人員應(yīng)事先規(guī)定明確的聯(lián)絡(luò)信號(hào)，當(dāng)發(fā)生異常情況時(shí)，必須立即停止作業(yè)，迅速離開(kāi)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)；④有限空間作業(yè)還應(yīng)履行申報(bào)審批手續(xù)，填寫(xiě)“有限空間作業(yè)(作業(yè)票)安全審批表”經(jīng)相關(guān)人員批準(zhǔn)后，方可進(jìn)入作業(yè)。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)頂管施工地勘的詳細(xì)情況直接影響到整個(gè)頂管工程的施工順利與否，所以必須盡量在設(shè)計(jì)勘察階段就能詳細(xì)的了解地層情況，以至于在線(xiàn)路規(guī)劃時(shí)，避開(kāi)一些不利地層；同樣，詳細(xì)的地勘對(duì)設(shè)備的精確選型提供了條件。

(2)針對(duì)這種復(fù)雜地層組合中采用泥水平衡法施工，不同地層或者地層組合應(yīng)采用不同的頂進(jìn)參數(shù)，保證頂進(jìn)的效果。

(3)針對(duì)水平方向上長(zhǎng)距離巖石頂管與淤泥質(zhì)、粉細(xì)黏土組合地層施工時(shí)，必須引起足夠重視。一方面，由于巖石頂管機(jī)的開(kāi)孔率相對(duì)于普通泥水平衡機(jī)會(huì)小很多，頂管機(jī)由硬到軟的地層時(shí)，頂管機(jī)姿態(tài)的調(diào)整及頂進(jìn)的控制就變得尤為重要；另一方面，由于淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土與粉細(xì)砂地層中含有大量貝殼、植物等有機(jī)物，存在可燃?xì)怏w的可能，增加了頂管施工時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，必須采取一定措施，保證施工安全。

基于此，本文對(duì)復(fù)合地層頂管穿越粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土地層組合以及上軟下硬地層等復(fù)雜地層施工技術(shù)與控制措施作出的一系列分析，對(duì)頂管施工具有一定的參考意義。