高承压水流沙层大口径钢顶管进洞关键技术

2017-06-26王帅

城市道桥与防洪 2017年6期

关键词：进洞流沙砂质

王帅

（上海公路桥梁（集团）有限公司，上海市200433）

高承压水流沙层大口径钢顶管进洞关键技术

王帅

（上海公路桥梁（集团）有限公司，上海市200433）

为保证上海黄浦江上游水源地连通管工程中高承压水流沙层大口径钢顶管的进洞顺利，针对该工程的地质特点，提出了由沉井地基加固、降水、洞口高压旋喷加固、深井降水、顶管机头改造、顶管施工过程控制等组成的高承压水流沙层大口径钢顶管进洞关键技术，并成功应用于工程实践。工程实践结果表明：所提出的顶管进洞关键技术较好地保证了泥水平衡顶管在高承压水、流沙层条件下的顺利进洞，较好地解决了复杂地层中上海黄浦江上游水源地连通管工程的施工技术难题，具有良好的技术推广价值，同时也为其他类似工程的施工提供了实践参考。

高承压水；流沙层；顶管；降水；高压旋喷

0 引言

顶管施工因速度快、造价低、设备简单、对周边影响小等优势，成为地下管道工程施工的首选，越来越广泛运用于城市给排水、排污、电力隧道等领域。泥水平衡顶管法是机械化顶管施工的主要方法之一，适用于各类黏土、粉土、砂质粉土以及渗透系数较大的土层，但是在含有高承压水的流沙质土层中进洞，确实存在很大的施工风险，对施工管理及技术要求也非常高[1-8]。

因此，为保证上海黄浦江上游水源地连通管工程中高承压水流沙层大口径钢顶管的进洞顺利，提出了由沉井地基加固、降水、洞口高压旋喷加固、深井降水、顶管机头改造、顶管施工过程控制等组成的高承压水流沙层大口径钢顶管进洞关键技术，并成功应用于工程实践。

1 工程概况

1.1 总体工程概况

黄浦江上游水源地作为上海市四大集中式饮用水水源地之一，在全市供水水源格局中占有重要地位，供水范围涉及青浦、金山、松江、闵行和奉贤等地区，供水规模达351万m3/d。连通管工程是黄浦江上游水源地的重要组成部分，主要建设内容为输水管线与松江泵站。

1.2 JB09～JB08顶管段工程概况

J B09～J B08段顶管（见图1）共637.6 m，管道中心标高为-8.0～-12.5m（下水顶进），坡度为7.06‰，管道覆土深度9～12 m，主要涉及③3黏土、⑥1-1粉质黏土、⑥1-2粉质黏土、⑥2-1砂质粉土、⑥3粉质黏土夹粉性土土层（见图2）。J B08号井洞口处有100 m大断面⑥2-1砂质粉土层，顶进风险较大。各土层性质见表1。

图1 工程示意图

图2 地质剖面图

2 沉井地基加固

2.1 地基加固

J B08号沉井井位约有一半位于河道内（见图3），为防止由于地基不均匀下沉引起井身开裂，需对沉井施工范围内的地基进行加固。地基加固方案如下：

（1）在河道两端施工围堰，断面为梯形，规格3 000 mm×7 500 mm×4 630 mm，两侧围堰长度分别为17.0 m、27.1 m，围堰完成后将围堰内水抽除；

（2）对围堰内的河道淤泥进行清挖、外运，并用碎砖等回填，回填标高2.322m；

2.2 沉井下沉期间降水处理

J B08号井底板抗突涌稳定条件：在底板至承压含水层顶之间，土的自重压力应大于承压水含水层顶处的承压水顶托力，可按下式进行承压水位控制：

图3 JB08号井位地基处理示意图

式中：F为安全系数（取1.05）；hs为基坑开挖深度，m；D为安全承压水头埋深值，m；H为承压含水层顶埋深值，m；γs为基坑底板至承压含水层顶间的土层重度，k N/m3；γw为地下水的重度，10.0 k N/m3。

J B08号沉井刃角埋深20.80 m，参考T121号勘探孔，地面标高取+2.18 m，⑥2层顶埋深取11.20 m（标高-9.02 m），⑥2层底埋深取23.17m（标高-21.12m）。由于J B08号沉井刃角埋深20.8m（标高-18.75 m），已经进入了⑥2层微承压水层。根据现场完成的⑦层承压井观测结果，该工程目前的⑦层承压水埋深地面以下3.0 m（标高-1.0 m），⑦层承压水水位控制见表2。

根据稳定性分析的结果，在J B08井位周边布置12口降水、降压井（见图4）：⑥2层承压水布置10口降水井，井深26.0 m；⑦2层承压水布置2口降压井，井深42.0 m。⑥2-1砂质粉土渗透系数取3.0E-4，参考T121号勘探孔，地面标高取+2.18 m，⑥2层顶埋深取11.20 m（标高-9.02 m），⑥2层底埋深取23.17 m（标高-21.12 m）。降水约3 d后，坑外水位云图如图5所示。

表1 土层工程地质性质表

表2 ⑦层承压水水位控制埋深

图4 JB08工作井降水井布置图（单位：mm）

降水井降水期间监测结果表明：降水井排水量非常大，水位持高不降，且靠近黄浦江一侧的降水井水位比其他降水井水位上升速度快。沉井封底时也存在较大困难，因此采用分仓封底、留设卸压孔逐步封底的方式。

图5 沉井外水位云图

3 洞口加固

3.1 洞口高压旋喷加固

J B09～J B08顶管需穿越高压铁塔群（最近水平距离为6.0 m）及1 650 mm×1 050 mm排水箱涵（埋深约1.3 m，垂直交叉，距离管顶8.5 m）。为确保安全，对顶管穿越地层进行了详细复探，探测结果显示：J B08号井位至东侧小河浜⑥2-1砂质粉土在高承压水作用下，易产生流沙、管涌，且沉井施工期间通过降水观测疑似⑥2-1砂质粉土层与太浦河形成通道，导致地下水压力过大，因此需对⑥2-1层承压水影响较大的区域进行土体加固[9-12]。

J B09～J B08为下水顶进，坡度为7.06‰，且接近J B08号井洞口处有100 m大断面⑥2-1砂质粉土层，顶进风险较大，对此100 m土体进行高压旋喷加固，并在距离机头正前方1.0 m及顶管机两侧1.2 m处打设三排800@600的高压旋喷桩，与之前洞口加固形成封闭形状。

高压旋喷桩技术要求为：水泥采用强度等级不低于42.5级普通硅酸盐水泥，水泥掺入量不小于25%；浆液水灰比为0.7～1.0，水泥土加固体的28 d龄期无侧限抗压强度不低于1.0M P a。浆液扩散半径不小于0.40m，桩身间搭接长度不小于200mm；渗透系数不大于1×10 c m/s，桩长23.75m（+3.0 m～-20.75 m）。

当此段顶管顶到⑥2-1砂质粉土层时进水管路将清水改为一定浓度的泥浆水，且管道内放置一台打土泵，以防顶管机在此段顶进下磕时在机头下部进行打土。图6为洞口旋喷桩加固与降水井布置示意图。

3.2 深井降水

为了确保机头能顺利进洞，在旋喷加固内部布置5口降水井（编号1#、2#、3#、4#、11#），旋喷加固左侧布置4口降水井（编号5#、6#、7#、8#），旋喷加固正前方布置2口降水井（9#、10#）。

图6 洞口旋喷桩加固与降水井布置示意图

4 机头改造

为了确保工程进度，适应⑥1-1粉质黏土及⑥2-1砂质粉土土层，通过专家会议确定对机头进行改造，将原有土压平衡机头改为泥水平衡机头。

（1）刀盘改造

原有刀盘为土压平衡刀盘，将其改为泥水平衡刀盘。

（2）泥水系统

将原有的螺旋机出土拆除，增加机内旁通，设置进水、排泥管路，改为泥水系统，并增加机内旁通的液压控制系统。

（3）增加打土设施

为了确保在⑥2-1砂质粉土土层顶进的安全，拟在机头内增设打土设施。

5 顶进控制

5.1 顶管轴线测量及纠偏控制措施

钢顶管对偏差可以说是“零容忍”，偏差一旦存在，它将一直存在并危害整体，所以长距离钢顶管中的大偏差是严格禁止的。发现方向的偏差必须立即控制，严防恶化。J B09-J B08段顶管施工距离长达637.6 mm，且为下坡顶管，下坡度7.06‰，且在流沙层中顶进，轴线测量、纠偏任务异常艰巨。

针对措施：

（1）慢顶勤纠，顶进轴线发生偏差时，通过调节纠偏千斤顶的伸缩量使偏差值逐渐减小并回至设计轴线位置。

（2）测量采用G P S技术测放控制网，顶进方向由激光导向仪提供，过程中使用全站仪加密复测导向。

（3）在施工过程中，控制顶力及顶进速度，应贯彻“勤测、勤纠、缓纠”的原则，不能剧烈纠偏，以免对管节和顶进施工造成不利影响。

（4）顶进时应及时掌握工具管的走势，顶进时可以通过观察工具管的趋势指导纠偏。

通过以上措施，该工程9次进洞均实现精确进洞，轴线最大偏差仅为5.4 c m。

5.2 注浆工艺革新

顶进时顶力F计算：

式中：P为刀盘土对顶管机的作用力（一般刀盘前方土仓内平均土压力控制在0.1～0.15 MPa）;P为130～200 t;F摩为管道周围土体作用在钢管上的摩擦力。

式中：f为管道外壁与土的平均摩阻力,顶管顶进时主要通过注浆孔向钢管外侧注入触变泥浆降低平均摩阻力。

为了适应钢管在流沙土层中的顶进，通过研究我们在传统注浆工艺中加入高分子材料形成了系统性的膏浆技术，大大增强了触变泥浆的保水性、耐久性、支护性等性能，注入的膏浆在管道外围形成完整的泥浆套后，摩阻力可由1.2～2.0 t/m2降至0.09～1.1 t/m2。

6 结语

降水过程会引起地面下沉，所以要随时观测，以免对周边的高压铁塔群产生影响。做好降水前的各项准备工作，施工中加快管道的顶进速度，并及时停止顶进后的降水井的抽水，必要时在下沉部位进行打土平衡，顶管完成后，对施工段进行静压灌注水泥浆加固。通过以上措施，顺利完成了大口径钢顶管在高承压水、砂质粉土层中的进洞，并顺利完成了洞口封堵。监测数据显示，高压塔群周边地貌正常，无较大沉降。

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