穿越海底粘土和孤石復(fù)合地層的頂管技術(shù)

摘 要：穿越海底粘土和孤石復(fù)合地層的頂管在國(guó)內(nèi)的施工經(jīng)驗(yàn)較少，對(duì)施工過(guò)程中的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)要求比較高。本文所述為過(guò)海段頂管工程。在海上處理沿線孤石存在極大的風(fēng)險(xiǎn)，該工程經(jīng)過(guò)對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)化應(yīng)用解決了海上處理孤石的風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：頂管；海底；復(fù)合地層文章編號(hào)：2095-4085（2024）02-0105-03

1 工程概況

廈門翔安新機(jī)場(chǎng)片區(qū)地下綜合管廊PPP工程過(guò)海段頂管工程全長(zhǎng)708m，斷面為外徑3.6m的鋼筋混凝土管，分市政艙和電力艙雙線，管位處于海底20m深，從大嶝側(cè)按0.3%縱坡向翔安東路側(cè)頂進(jìn)，主要地質(zhì)為全風(fēng)化層、殘積砂質(zhì)粘性土層及粉質(zhì)粘土層。

2 地質(zhì)勘察

采取CT探測(cè)技術(shù)［1］對(duì)海底地質(zhì)進(jìn)行勘察，彌補(bǔ)了地質(zhì)鉆孔在探測(cè)精度及范圍的不足；通過(guò)三維重建，可以取得地下構(gòu)筑物精準(zhǔn)定位。根據(jù)探測(cè)出的地質(zhì)特性，可提前優(yōu)化施工方案，選定施工機(jī)型設(shè)備，減少排障對(duì)周圍構(gòu)筑物的影響。本工程頂管探測(cè)出頂管軸線上共計(jì)48處孤石，其中市政艙30處，電力艙18處。

3 頂管機(jī)選型與優(yōu)化

結(jié)合CT探測(cè)技術(shù)測(cè)得的地堪資料，對(duì)頂管機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（1）刀盤刀具布置采用高強(qiáng)破巖滾刀、破巖撕裂刀、頂土刮刀交替設(shè)置，有效應(yīng)對(duì)黏土和孤石復(fù)合地層。

（2）增大刀盤開口率，本項(xiàng)目刀盤開孔率為25%。

（3）針對(duì)此地層局部巖石硬度較高，動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)為大轉(zhuǎn)速比，增強(qiáng)扭矩，增加機(jī)頭穩(wěn)定性。

（4）刀盤采用整板開洞，頂管機(jī)分二次破碎，刀盤滾刀第一次破碎，喇叭口二次破碎；格柵開孔為45×65，以應(yīng)對(duì)土層時(shí)排泥阻力大的缺陷。

（5）在泥倉(cāng)增設(shè)2根2寸水路沖水，防止刀盤結(jié)泥，增大扭矩。

4 泥漿管排障器設(shè)計(jì)

頂管在頂進(jìn)過(guò)程中遇到破碎后的孤石，經(jīng)常在泥漿泵巨大抽吸力的作用下會(huì)把比較大的碎石抽進(jìn)泵管內(nèi)部，而導(dǎo)致泵殼損壞和堵管的情況，本工程在頂管頂進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)幾次類似的情況。經(jīng)過(guò)多次的研究和實(shí)踐，在機(jī)頭管和泵管之間設(shè)置一個(gè)緩沖器，可以有效的解決堵管和泵殼損壞的現(xiàn)象。

緩沖器采用鋼板焊接的正方體，尺寸大小根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際設(shè)置，正方體鋼板的前面和后面開孔連接機(jī)頭管和泵管；在機(jī)頭管和泵管中間連接一個(gè)鋼絲軟管，鋼絲軟管的作用為降低巨大的碎石沖擊力；在鋼板箱每水平設(shè)置一道鋼筋過(guò)濾網(wǎng)，把碎石過(guò)濾在鋼筋網(wǎng)上，防止碎石進(jìn)入泵管內(nèi)；在鋼箱的頂部開一個(gè)淘渣孔，在鋼箱堆積比較多碎石時(shí)停機(jī)淘渣（見圖1）。

5 機(jī)頭管設(shè)計(jì)

頂管頂進(jìn)的反力主要由千斤頂提供，刀盤在切削土體的扭矩主要由頂管機(jī)殼體與周圍土體摩擦力形成的摩擦力距來(lái)平衡。在頂進(jìn)切削土體的過(guò)程中，如果周圍土質(zhì)穩(wěn)定性比較好，那么摩擦力距可以平衡刀盤切削土體所帶來(lái)的扭矩；當(dāng)土體穩(wěn)定性不好時(shí)摩擦力距無(wú)法平衡刀盤切削土體所帶來(lái)的扭矩，容易使機(jī)頭產(chǎn)生自轉(zhuǎn)，帶動(dòng)管節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，造成軸線的偏位。本工程在管節(jié)制作時(shí)預(yù)先在管節(jié)相應(yīng)位置預(yù)埋15cm×15cm鋼板作為機(jī)頭管，然后采用圓鋼進(jìn)行管節(jié)跟機(jī)頭設(shè)備之間的鉸接，形成一個(gè)整體，增大摩擦力矩（見圖2）。

6 觸變泥漿配合比設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目是過(guò)海頂管，必須對(duì)海水進(jìn)行化學(xué)成分分析，確定觸變泥漿的配合比。對(duì)海水樣本分析測(cè)試結(jié)果為：海水鹽度1.87%；濕篩余量（+75um）2.87%；漏斗粘度30.2s；濾失量20.5ml；pH值9.8；膠體率100%。根據(jù)海水樣本分析結(jié)果，對(duì)膨潤(rùn)土（高粘性）進(jìn)行配比設(shè)計(jì)：（1）純海水配漿：膨潤(rùn)土與海水比例為10∶100，抗鹽添加劑一方水加2.0kg。（2）自來(lái)水配漿：膨潤(rùn)土與水比例為8∶100，抗鹽添加劑一方水添加200～400g，可以保證膨潤(rùn)土漿在海水環(huán)境下保持性能。

通過(guò)對(duì)比分析，本項(xiàng)目采用第二種配比，可降低對(duì)注漿設(shè)備的腐蝕程度，同時(shí)節(jié)約材料的用量，提高經(jīng)濟(jì)效益。

7 中繼間布置間距設(shè)計(jì)［2］

為了防止遇到土質(zhì)突然變化和其他的不測(cè)，基坑主頂實(shí)際推力達(dá)到最大設(shè)計(jì)值的50%時(shí)，安裝第一個(gè)中繼間，頂管機(jī)后的第1個(gè)中繼間應(yīng)提前安放，須留有較大的余地。當(dāng)基坑主頂?shù)膶?shí)際推力達(dá)到最大設(shè)計(jì)值的60%時(shí)，需啟用第一個(gè)中繼間。第二臺(tái)以后的中繼間安放的時(shí)機(jī)是：每當(dāng)基坑主頂實(shí)際推力達(dá)到最大設(shè)計(jì)值的70%時(shí)，須安放一個(gè)中繼間。每當(dāng)基坑主頂?shù)膶?shí)際推力達(dá)到最大設(shè)計(jì)值的80%時(shí)，須啟用該中繼間。

所以第一個(gè)中繼間安放位置為：

0.5F=μπDL1+F0

F0=π4D2γsHsKp

Kp=tan245°+φ2

γs取18.5（取土層中最大的殘積土容重）；φ取28°（取土層中最大的殘積土內(nèi)摩擦角）；μ取25kPa（取土層中最大的殘積土單位摩阻力），在使用觸變泥漿后實(shí)際取得的摩阻力為3.95kPa。

由上式可得：在未使用觸變泥漿時(shí)L1=21.02m；在使用觸變泥漿時(shí)L1=133.04m。綜合考慮后，本項(xiàng)目的第一個(gè)中繼間在63m處安放。

最后一個(gè)中繼間安放的位置為：

Lz=FμπD=17 0003.95×3.14×3.6=380.73m；

中間中繼間安放的位置為：

L=0.7FμπD=0.7×17 0003.95×3.14×3.6=266.51m；

那么，708m的頂管所需的中繼間為：

n=（708-21.02-380.73）÷266.51+1=2.95。

根據(jù)以上綜合驗(yàn)算，708m頂管所需中繼間個(gè)數(shù)為3個(gè)，本項(xiàng)目根據(jù)項(xiàng)目地質(zhì)實(shí)際考慮確保頂進(jìn)順利，第一個(gè)中繼間安放的位置為63m處，第二個(gè)中繼間在278m處，第三個(gè)中繼間在493m處。

8 軸線監(jiān)測(cè)

本項(xiàng)目長(zhǎng)距離頂管［3］前300m采用激光測(cè)量監(jiān)測(cè)頂管軸線及高程的偏差，在工作井內(nèi)安裝激光經(jīng)緯儀，按照管線設(shè)計(jì)的坡度和方向調(diào)整好激光經(jīng)緯儀，同時(shí)在機(jī)頭內(nèi)裝接收靶，如果頂進(jìn)管道與設(shè)計(jì)坡度一致，那么激光點(diǎn)直射靶心，如果偏離靶心就需糾偏（見圖3）。

本項(xiàng)目頂進(jìn)300m后采用激光定向和管內(nèi)建立相對(duì)坐標(biāo)來(lái)監(jiān)測(cè)頂管的頂進(jìn)軸線，此方法必須在停止頂進(jìn)時(shí)監(jiān)測(cè)。

運(yùn)用架設(shè)于工作井內(nèi)的激光經(jīng)緯儀，在有效的激光發(fā)射范圍內(nèi)管底投放量點(diǎn)分別為A、B及管口第一節(jié)管C點(diǎn)，兩點(diǎn)的距離為L(zhǎng)1，兩點(diǎn)的距離不少于100m，管口C點(diǎn)的高程可以根據(jù)工作井內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)高程測(cè)出，然后運(yùn)用水準(zhǔn)儀以C點(diǎn)為已知點(diǎn)測(cè)出A、B兩點(diǎn)的實(shí)際高程Ha、Hb（如圖4）。

管道內(nèi)B點(diǎn)上架設(shè)全站儀，A點(diǎn)上架設(shè)棱鏡，首先用全站儀測(cè)量出A、B兩點(diǎn)間的距離L1，建立相對(duì)坐標(biāo)，設(shè)定A為原點(diǎn)，頂管軸線方向?yàn)閄軸，垂直于軸線方向?yàn)閅軸，則如圖5所示A點(diǎn)坐標(biāo)為（0，0，Ha），B點(diǎn)的坐標(biāo)為（L1、0，Hb），在管內(nèi)B點(diǎn)測(cè)站點(diǎn)架設(shè)全站儀，A點(diǎn)為后視點(diǎn)架設(shè)棱鏡，同時(shí)用鋼卷尺量出全站儀和棱鏡高度，在全站儀測(cè)量模式下對(duì)應(yīng)輸入A、B兩點(diǎn)的坐標(biāo)及相應(yīng)的儀器和棱鏡高，測(cè)量定向后，在機(jī)頭靶心的位置放置棱鏡，并量出棱鏡的相對(duì)高度，測(cè)量采集出D點(diǎn)的坐標(biāo)（L2、y、Hc）（如圖5）。

根據(jù)A、B、D點(diǎn)的坐標(biāo)值和各點(diǎn)間的距離結(jié)合軸線設(shè)計(jì)坡度就可以計(jì)算出頂管軸線的偏差值，根據(jù)偏差值進(jìn)行頂管軸線的糾偏（見圖6）。

9 結(jié)語(yǔ)

本工法應(yīng)用通過(guò)對(duì)地質(zhì)探測(cè)技術(shù)、頂管機(jī)選型優(yōu)化、頂進(jìn)施工過(guò)程的方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低了頂管機(jī)在長(zhǎng)距離海底黏土和孤石復(fù)合地層頂進(jìn)施工風(fēng)險(xiǎn)。

頂管施工是一項(xiàng)技術(shù)要求高，施工難度大的工程。在頂管施工前期需要做充分的方案研究與論證，對(duì)頂管施工過(guò)程中可能遇到的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析研究，提前排障，以確保工程的順利進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)：

［1］鐘宇，陳健，閔弘，等.跨孔聲波CT技術(shù)在花崗巖球狀風(fēng)化體探測(cè)中的應(yīng)用［J］.巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2017，36（S1）：3440-3447.

［2］葛春輝.頂管工程設(shè)計(jì)與施工［M］.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.9.

［3］李曉磊.土壓平衡法在大管徑、長(zhǎng)距離頂管中技術(shù)控制［J］.《城市建設(shè)理論研究（電子版）》，2015（29）：1735.

作者簡(jiǎn)介：鐘煥富（1986—），男，漢族，福建廈門人，大學(xué)，工程師。研究方向：工程施工。