矩形頂管淺埋穿越河道施工技術

弋偉GE Wei

（中鐵十七局集團第二工程有限公司，西安 710000）

1 工程概況

本工程為杭州地鐵3號線古墩路站與古蕩科技園的連接通道，采用土壓平衡頂管法施工，頂管全長59.3m，采用1%的縱坡由高向低直線頂進施工。通道45°角斜交下穿沿山河，在沿山河北岸古科園內設置頂管始發井，南側接收井進入既有地鐵3號線古墩路站風亭。頂管管節采用C50預制自防水砼管節，抗滲等級P10，管節厚度600mm，外形尺寸為4.5m×7.7m，管節壁厚為0.6m，長度為1.5m，凈空尺寸3.3m×6.5m，接口為“F”型承插口設計。

頂管結構下穿沿山河時呈45°角，河道下長度達30m，正常情況下河水深2.3m，河床底至管節頂凈距僅5.1m，覆土厚度較薄，僅為1倍頂管高度。地下水位較淺，多為孔隙性潛水，與沿山河水連通。該段地質從上至下依次為①淤泥、②淤泥質黏土、③粉質黏土夾礫石地層。管節頂部淤泥、淤泥質黏土層土質較差，呈流塑狀，施工易受擾動，容易導致開挖面失穩，管節下部地層有黏土夾礫石地層，土質承載力高，開挖難度大。

2 工程難點、風險點及對策

2.1 施工難點及風險點

①管節埋深淺，土質穩定性差，開挖及靠近收發井時開挖面穩定難度較大；黏土夾礫石地層土質強度高、黏性大，易“結餅”。②河床下屬于淺埋段，長距離頂進過程中存在“背土”效應，沉降控制風險高。

2.2 措施與對策

①對開挖面土壓力合理計算，根據地層情況隨時變化，進出口做相應的加固構造。提前就高黏性地質準備土倉添加劑。②對減摩泥漿的配置、壓力的選擇做好計算；地面沉降的觀測及時到位，并做好隔土墻等預案。

3 開挖面穩定施工技術及措施

矩形頂管機采用土壓平衡原理，本工程地層主要為淤泥質粘土，由于泥土的黏合性，泥土在輸送機內輸送連續性好，出渣速度就容易控制，掘進效率高，刀具磨損量小，利于長距離掘進。

土壓平衡式頂管屬封閉式頂管，頂管推進時其前端刀盤旋轉掘削地層，掘削下來的土體涌入土艙，當掘削土體充滿土艙時，開挖面和頂管機土倉之間可視為經典的土壓力和擋土墻之間的關系，這樣可以用Rankine土壓力理論來研究開挖面與土倉間的三種典型受力情況：主動破壞、被動破壞和靜止平衡。頂進時開挖面受力如圖1所示。

圖1 主被動、靜止圖壓力示意圖

實踐中土倉壓力P倉和開挖面土壓力、頂管機頂進速度密切相關。其中土倉壓力控制是保證開挖面穩定的關鍵。

3.1 土倉內壓力的分析與計算

土倉壓力P倉需要提前設定，以便控制頂進和出土速度，從理論上講，應該選擇設定的土倉壓力值P倉在Pa和Pp之間。如實際土倉壓力P倉＜Pa，則土倉前部地層會因壓力不足而沉降；如P倉＞Pp，則土倉前部地表會因應力集中而隆起。而由于圍巖的變形不是瞬間到位的，多數情況下是一個較長的過程，預制管節可及時跟進完成支護，若允許圍巖有一定變形且滿足沉降要求時，可適當減小土倉壓力設定值，有利于設備參數控制和掘進效率提高。本工程地層穩定性較差但地面沉降要求不高，可用靜止土壓力P0為土倉壓力設定值。

開挖面土壓力采用Rankine土壓力理論計算開挖面前方土體的靜止土壓力。本工程為有地下水黏土地層，土壓力采用水土合算，公式為P0=K0γh（γ為土平均重度，h為土層深度）靜止土壓力系數K0可參考勘測資料、或采用公式K0=1－sinφ，φ為內摩擦角，K0此處取0.5。

由于開挖面上下土壓差距較大，初始土壓力采用Rankine土壓力理論分別進行計算：

P上＝K0γh上（土倉上部的正面土壓力）

P下＝K0γh下（土倉下部的正面土壓力）

K0：土壓系數（依據靜止土壓力系數公式及本工程詳勘資料），此處取0.5；

γ：土的平均重度，取18kN/m3；

h：覆土深度，h上取9.8m，h下取14.3m。

由以上計算可知，初始土倉壓力設定值為P上＝88kPa，P下＝128kPa。

頂進的迎面土壓力NF等于頂進機正面面積乘以P0：

需注意，開挖面土壓力不是一成不變的，是隨頂進土層變化和地面荷載不斷變化調整的，由于理論計算和實際地質間存在誤差，一般把P倉設置在P0的±20kPa范圍內調節，并根據地面沉降觀測數據的分析及時修正，以實現二者的平衡。

3.2 土倉壓力的控制

3.2.1 壓力控制技術

頂管機土倉內設置若干傳感器，對土倉壓力隨時監測，控制頂進與出土的速度來保證土倉壓力在設定范圍內。但在實際工程施工中，經常會遇到土倉壓力傳感器顯示土倉壓力不穩定、土倉內泥“結餅”以及土倉內不能完全充滿碴土等情況，導致土倉壓力與開挖面前方土壓力不平衡。因此，需改良土倉內的碴土并采取措施建立滿足平衡條件的土倉壓力。改良時將配好的添加劑注入刀盤、土倉內，使之與渣土混合，添加劑主要有高分子聚合物、膨潤土、泡沫劑，使用時配合使用以達到土倉內土質均勻易輸送的效果。

管節的理論出土量為4.5×7.7×1.5=52m3，土倉內均勻充盈后，土倉壓力便取決于進尺和螺旋輸送機出土量，在頂進過程中通過觀測土倉壓力傳感器顯示的土倉壓力實測值與設定值進行比較，判斷土倉壓力的偏差。通過調整頂進速度與出土速度，力爭出土量理論與實際保持一致，使土倉壓力保持相對穩定，防止出現較大波動。實踐中采用上述技術措施后，能夠控制土倉壓力的實測值與設定值基本一致，實現土壓平衡以保持開挖面穩定。

3.2.2 施工措施實例

改良渣土的高分子聚合物添加劑功效主要在于分離或中和粘性土中的陰陽離子，降低其吸附性能，從而起到改善渣土的流動性、充盈土倉、降低結餅等作用，起效很快，但其使用效果與濃度有很大關系。

本工程頂進到22環時，掘進速度明顯下降扭矩上升很快，發現問題后，我項目部及時采用高分子聚合物和泡沫劑對土體進行改良，但是效果不明顯。開倉后發現刀盤泥結餅現象嚴重。與高分子添加劑廠家溝通后認識到，高分子聚合物是一種分子量很大的長鏈化合物，具有很強的吸水能力，在砂層中稀釋濃度較高（2‰～5‰），使它能夠吸收水分，粘集沙粒。而在粘土層中要以很低的稀釋濃度（0.3‰～1‰）來使用，這是因為在粘土中主要是靠高分子溶液中離子的分散性和高分子的潤滑性在作用于渣土，必須濃度很低，否則它會吸收粘土中的水分，使渣土更易結塊，起反作用。經試驗確定選用1‰陰離子高分子溶液按土體比重5%添加達到的最佳效果。

4 頂進中減摩及防背土措施

4.1 摩擦力及減阻原理

頂進過程中管節與土層摩擦力逐漸增大，需采用泥漿套技術減摩，即通過管道向外壁壓注減摩泥漿，在外壁四周形成一圈泥漿套以減小摩擦力，管道的最大摩阻力可按照《頂管工程施工規范》公式計算，總頂力為迎面阻力與周邊摩擦力之和。管道外壁與土的平均摩阻力為一常數，在減摩泥漿中根據地層不同取值在4.0~16.0之間，此處黏土中取5.0kN/m2。

所以最大摩擦力Ff=管節外周長×總長×5.0kN/m2，經計算為7112kN。摩擦力隨頂進距離的增加而增大。在頂進過程中，主頂力應緩慢增大無突變。最大推力F總=NF+Ff=3742+7112=10854kN，約1085t。其中摩阻力占約711t，為主要阻力。

要達到理論計算的減摩效果，良好減阻效果的實現通常通過向管道與地層之間環向注入減摩泥漿來實現，在注漿泵的作用下，泥漿在土層中滲透擴散，并與土壤混合形成凝膠體，隨著凝膠體持續生成，形成不透水且能阻止泥漿繼續擴散的泥漿套。泥漿套成形后減摩泥漿的注入壓力逐漸升高，當管節四周充滿泥漿時，頂進管則被泥漿懸浮液包圍受到浮托作用，這樣管道在泥漿的包圍中其減摩效果將是非常明顯的。

4.2 泥漿減阻施工措施

本項目所處地層以淤泥質黏土為主，對泥漿的封閉效果較好，泥漿配比只需考慮①良好的減摩性：泥漿注入地層后能迅速變成膠凝狀，能有效堵塞地層縫隙；②足夠的稠度：使泥漿在河道下富地下水地層中能保持長時間的性能；③良好的化學穩定性：各成分的性能不受地下水中鹽類影響。根據以上要求，經試驗，泥漿采用如表1配比。

表1 減阻泥漿配比表

施工時應加強潤滑泥漿的管理，確保注漿和頂管機頂進的同步性，使漿液能及時填充頂進時出現的建筑空隙。注漿時壓力控制在50kPa左右。為了保證注漿效果，每節的注漿量應取理論值的2～3倍。如下式：V=（4.52×7.74-4.5×7.7）×1.5×（200～300%）=1.00～1.51m3。

在始發井洞口止水裝置前的建筑空隙處設置3~4個注漿孔，當管道外壁進入洞內，未與土體磨擦之前就先涂滿漿液。減摩泥漿隨管外壁向土體滲入，這樣可以避免管外壁入土后產生背土的現象。

頂管到達時，由于頂管掌子面反力減小、喪失，在頂管機靠近地下連續墻時，在頂管機內部二環注漿孔注入雙液漿，快速止水。破除洞門后，快速頂至預定位置，快速封堵洞門間隙。頂管結束后，將外壁的減摩泥漿置換為1:1水泥凈漿以加固外側土體，消除今后在使用中可能發生的不均勻沉降。

4.3 防背土處理措施

穿越河道的淺埋矩形頂管因上方土體強度較小，而摩擦接觸面積比圓管大，在頂管頂進施工過程中很容易因頂管機頭、管節摩擦力帶動其上方土體向前移動，形成頂管背土現象。淺埋矩形頂管工程應針對具體地形采取必要的措施避免整體背土現象的發生。

在施工前，根據地形及經驗判斷，頂進機由河岸向河道頂進過程中河道中缺乏對河岸部分的支撐，易發生背土事故。背土現象一旦發生，處理難度較大。國內相關項目有刀盤前方地面堆載法、隔斷墻法等預防措施，本項目結合地形特點采取施作隔斷墻等措施做預先處理，收到了良好效果，處理方案如圖2、圖3。

圖2 防背土隔斷墻示意圖

圖3 防背土鋼板樁隔斷墻施工圖

隔離墻原理在于切斷頂管頂部土摩擦力傳導，利用墻的整體性擴大了后部土體的受力面積，使其能夠保持穩定并不影響墻前部土體，國內其他項目資料中，隔斷墻采用混凝土施工，全部設于地下，我項目綜合考慮在河中施工，兼顧成本及工期后，選用了可快速施工并回收的拉森Ⅳ型鋼板樁，在靠近出發側的河中施作了兩排鋼板樁，并在樁間填土形成一道隔斷墻，隔斷墻長12m、寬1m、樁底標高高于管節頂0.5m，兩端折向河岸，并在封閉區域內填砂土以加重并向河岸提供反力。

開始頂管到第12、13環時，前方反映阻力有所增大，調整土倉壓力后繼續頂進，后據沉降觀測部門反饋，管節頂部河岸累計沉降達到12mm，并向河中位移5mm，數據顯示管節摩阻力對地面已產生影響，但隔斷墻監測無位移，未發生明顯背土效應，取得了良好的效果。

5 結語

在本工程矩形淺覆土頂進施工過程中，首先要嚴格控制土倉壓力、頂進速度和出泥量3個參數，使之相互適應。同時采用了減摩泥漿壓漿控制技術、防背土措施后，頂管通道順利貫通。通過文中所述的措施，可以有效提高淺埋頂管穿越河道施工的成功率。