夾雜巨型卵石碎石層大直徑長距離頂管施工控制措施

摘要：天津濱海新區東海路東壹區規劃雨水泵站工程采用頂管施工工藝，設計管道直徑3000mm，管道長度1.77km，屬于大直徑長距離頂管施工。在施工過程中，部分管段出現夾雜巨型卵石碎石層這一特殊地質結構，造成頂管機刀盤嚴重磨損、施工效率大大降低。為了改變這一現象，從工程實際出發，提出從觸變泥漿配合比優化、中繼間技術、刀盤適應性改造以及螺旋出土機改造四個方面進行施工控制，確保了頂管施工的順利貫通。相關施工控制措施可為類似地質條件下的大直徑、長距離頂管施工提供借鑒。

關鍵詞：巨型卵石;碎石層;大直徑長距離;頂管施工;控制措施

1" "工程概況

天津濱海新區東海路排水管網改造工程，主要包括東壹區規劃雨水泵站出水管部分、海濱大道西側輔道現狀雨水管道改造部分、過海濱高速進水方涵部分等。其中：東壹區規劃雨水泵站出水管部分全長約1.77km，管徑為3200mm，頂管工作坑最大開挖深度約10m。海濱大道西側輔道現狀雨水管道改造部分全長約為0.48km，管徑為600～1000mm。過海濱高速進水方涵部分全長約167m，方涵尺寸為3500mm×2000mm。

在東壹區規劃雨水泵站出水管頂管施工過程中，地層結構較為復雜，先后遇到黏性土、淤泥質粉黏土、粉砂層以及碎石層等多種地質結構，其中部分施工段碎石層夾雜有粒徑超過30cm的巨型鵝卵石。

工程場地淺層地下水為孔隙潛水，鉆孔水位埋深一般0.90～1.90m，標高1.92～3.57m。地下水主要依靠大氣降水和海水補給，并以蒸發和補給海水方式排泄。受大氣降水季節分配的影響十分明顯，高水位期出現在雨季后期9月份，低水位期則出現在干旱少雨的12月至次年1月份，一般年變化幅度為0.50～1.00m。

2" "設備選型及施工工藝

2.1" "設備選型

東壹區規劃雨水泵站工程頂管工藝擬采用土壓平衡式頂管，頂管機選用DK3000型土壓平衡頂管機。該型號頂管機在軟土或者硬土中均適用，是一種全質土頂管機，對覆土深度要求不高，最小覆土要求深度僅為1倍管徑。通過注漿方式改良土體，具有棄土運輸處理方便，施工作業環境良好，操作簡單、安全、可靠的特點，在大口徑、長距離頂管施工中應用比較廣泛，DK3000型土壓平衡頂管機的主要技術參數見表1。

2.2" "施工工藝流程

現場頂管施工工藝流程示意見圖1。在頂管施工過程中，需要注意以下施工操作要點：工作井需要采取兩次成型的方式進行澆筑，第一次澆筑刃腳混凝土的強度需達到設計強度的70%后在進行上部混凝土井壁的澆筑。后靠墻必須具備足夠的強度、剛度和穩定性，設計強度為C30，且墻內布設Ф14@120 雙向鋼筋，當混凝土強度達到設計強度的75%以后方可進行頂進施工。頂進施工過程中，需要隨時注意頂管機施加的壓力情況，合理調節頂進速度、螺旋挖掘機排出的土量（一般排出土量為土壤質量的95%～100%視為正常）。在砂礫石地層施工過程中，要盡量關閉地面交通，減少地面動荷載對地層的擾動。根據地層結構情況，隨時調整觸變泥漿的配比，礫石層中的最佳質量配比一般建議為膨潤土：水=1：8，在碎石層中應根據現場實際情況靈活調整。

2.3" "施工特點、難點

根據地質資料及現場勘查，本工程頂管施工具有以下特點、難點：本場地地下水位埋深比較淺。施工段為大直徑、長距離頂管施工，頂管阻力較大，需要采用的技術工藝（減阻、中繼間技術等）施工難度較大，技術含量高。對施工精度要求高，一次頂進最長度約150m，容易出現頂偏現象，需嚴格控制施工精度。部分碎石層頂管施工段中夾雜著粒徑超過30cm的巨型鵝卵石，容易造成頂管機刀盤（刀盤外圈磨損量達到8cm）、螺旋挖掘機（因磨損嚴重先后更換過3次）等磨損，從而導致頂進壓力增大，液壓故障頻發，不僅影響施工進度，增加工程成本，而且還降低了頂管施工質量。

3" "施工控制措施

根據本工程存在的特殊地質情況以及施工難點情況，擬主要采取以下措施對頂管施工過程進行控制[1-2]：在頂管頂進過程中，采用管外壁注觸變泥漿的措施，以降低頂進時的摩阻力。施工工程中嚴格控制膨潤土的濃度，以達到最好的減阻效果。同時根據夾雜卵石碎石層，對觸變泥漿配比進行了試驗設計優化。在頂進過程中設置中繼間， 將整段管道分段推進，減少主推頂力。對刀盤結構進行結構和材質上的改進，增強刀盤的適應性。對螺旋出土機進行改進，增強螺旋出土機的適應性。

3.1" "優化觸變泥漿配比

觸變泥漿可以同時起到潤滑減阻和支撐的作用，在本市政頂管施工工程中，首先參照礫石層中的常用配比（膨潤土：水=1：8）進行施工[3]，但在施工過程中出現了管道被“抱死”現象。

為解決這一問題，先在試驗室進行觸變泥漿配比優化試驗。為了增加觸變泥漿的潤滑性和流動度，在膨潤土和水的基礎配合比上，增加純堿（純堿可以增加泥皮厚度、降低泥漿稠度、黏性以及漏斗黏度）和CMC（羧甲基纖維素，主要作用是增加泥漿流動度）材料。經過不同試驗組觸變泥漿在失水量、泥皮厚度、稠度、流動度以及漏斗黏度五個因素對比分析，最終確定優化之后的觸變泥漿最佳實驗室配比為膨潤土：CMC：純喊：水=1：0.0136：0.06：5.5。

為了測試該配合比觸變泥漿在碎石層中所能產生的摩阻力，從現場取回碎石層土樣，將土適當密實放置，然后將觸變泥漿（優化配比前后）與土樣按照1：0.5、1：1和1：1.5的比例進行配制。通過與混凝土頂管進行摩阻力直剪試驗，分別得到各試驗組的摩阻系數，結果見圖2。

從圖2中可以看到：在觸變泥漿配比優化前，混凝土頂管與土樣之間的摩阻系數分別為0.276、0.338和0.414;而采用優化之后的觸變泥漿之后，混凝土頂管與土樣之間的摩阻系數分別為0.2、0.267和0.32，降幅分別達到27.5%、21%和22.7%。可見，將優化之后的觸變泥漿配比應用到現場頂管施工合理可行。

3.2" "采用中繼間技術

在頂管施工過程中，為了保證足夠的儲備頂力，降低中繼間的設備的負荷，保證施工的安全性，決定采取中繼間技術[4]。中繼間安裝位置依據見表2。

從表2中可以看到：在中繼間的啟動和使用過程中，第2、3中繼間的預留安全頂力比例與實際最小值較為接近，可以滿足管道的頂進施工。由于碎石層夾雜著巨型鵝卵石這種特殊地質條件，導致第一中繼間預留頂力與設計頂力之間存在較大偏差，但預留頂力比例也到達了20.6%，基本可以滿足頂進施工需求。

為了確保在碎石層這一復雜地層結構中保留足夠頂力，當預留頂力降至20.6%之后，在不改變中繼間形式以及不超過管道允許頂部壓力的前提下，增設5臺中繼間油缸，將預留頂力系數提高，確保施工順利進行。

3.3" "刀盤適應性改造

刀盤適應性改造主要包括結構和材質上的改造。首先，在頂管機刀頭外圈上安裝優質合金鋼材質的耐磨刀具。由于碎石層中含有巨型卵石，對刀具的沖擊較大，容易導致螺栓破裂，因此需要將耐磨工具與刀頭之間的螺栓連接形式改變為焊接連接方式，同時在刀盤上增設先行刀18個、耐磨塊36個以及邊刀3個，見圖3。其次，將超前刀具的材質變更為盾構機的耐磨刀具，從而提升刀頭在碎石層頂進施工時的耐磨性能。

3.4" "螺旋出土機改造

螺旋出土機的改造主要包括螺旋的改造和內耐磨套筒的改造兩個部分。原頂管機的螺旋間距為40cm，螺旋葉片滑動面積較長，而碎石層中含有較大的鵝卵石，由此導致螺旋挖掘機容易被鵝卵石反復捕獲。

根據該段地質情況，需要將螺旋間距增大，具體為將螺旋間距由原來的40cm增加至49cm。這不僅有效減小了螺旋葉片滑動面積，提高了螺旋挖掘機對巨型鵝卵石的抗沖擊性能，同時也可以減小螺旋堵塞情況的發生。

在碎石層頂進施工過程中，由于螺旋挖掘機磨損嚴重，出現了砂礫和泥漿泄漏的現象，被迫更換了螺旋挖掘機數次，由此大大增加了工程成本。為了改變這一現象，在螺旋挖掘機內部設計安裝了磨損套管。通過增設磨損套管，可以減少螺旋挖掘機內部與碎石、卵石的接觸，從而減輕螺旋挖掘機的磨損情況。同時也可節省更換螺旋挖掘機造成的停機時間。

4" "控制效果

通過對觸變泥漿配比進行優化設計，同時提高刀盤耐磨性，優化刀盤的布局，使得頂進施工過程頂管機受磨損的程度大大降低。改造前，刀盤外圈損量達到8cm，外圈耐磨板被磨損殆盡。經優化改造之后，外側刀盤磨損率降至40%～45%，內側刀盤磨損率降至25%～30%，減阻控制措施效果顯著。

頂進施工過程中采用中繼間技術，將整段管道分段推進，減少了主推頂力。頂進壓力的減小，能夠降低頂管機液壓故障的發生概率，極大提高了施工效率。經統計，在改造之前，頂管機的平均頂進速度為30mm/min。經改造之后，頂管機的平均頂進速度提升至50mm/min，較改進前施工效率提升了66.7%。中繼間技術的采用還在一定程度上提升了長距離頂管施工的施工精度[5]。

5" "結語

本文針對東壹區規劃雨水泵站出水管頂管施工過程中，遇到的碎石層夾雜巨型卵石的特殊地質結構，根據工程現場施工特點和難點，提出以下改進控制措施：通過實驗確定優化后最佳觸變泥漿配比為膨潤土：CMC：純喊：水=1：0.0136：0.06：5.5;在不改變中繼間形式以及不超過管道允許頂部壓力的前提下，增設5臺中繼間油缸;對刀盤結構和材質進行適應性改造;對螺旋出土機的螺旋和內耐磨套筒進行適應性改造。

經改機措施后，頂管機在碎石層中的自適應性良好，施工效率較改進前提升約66.7%，外側刀盤磨損率降至40%～45%，內側刀盤磨損率降至25%～30%，同時降低了液壓故障發生次數，提升了長距離頂管施工精度。文中相關工程經驗可為類似碎石層夾雜巨型卵石地區的大直徑、長距離頂管施工提供參考。

參考文獻

[1] 仲金榮，葉亮.復雜地質條件和市政環境下頂管施工技術[J].施工技術，2020，49（S1）：664-667.

[2] 趙寧.長距離頂管穿越特殊砂礫石地層的施工控制措施[J].中國市政工程，2018（3）：83-85+120.

[3] 羅云峰.長距離大直徑混凝土頂管中的減阻泥漿研究與應用[J].建筑施工，2014，36（2）：186-188.

[4] 黃軍，張守平.超長距離微盾構頂管管壁應力監測分析及中繼間優化布置[J].吉林水利，2020（9）：25-32+41.

[5] 楊愷.復雜地質條件下頂管施工效率及影響因素研究[J].人民長江，2019，50（10）：171-174.