复杂地层中顶管法施工存在的问题及采取的解决措施

2017-11-01闫志强，钟湘

四川水力发电 2017年5期

关键词：顶管机机头泥水

闫志强，钟湘

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川成都 610072)

复杂地层中顶管法施工存在的问题及采取的解决措施

闫志强，钟湘

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川成都 610072)

以乐山市黑桥至王河园污水DN1000管道工程为例，从技术、经济、安全角度出发，对明挖法、手掘式和机械式(泥水平衡)顶管三种施工方法进行了对比。对于一次性穿越回填土层、砂土层、粘土层及中等风化泥质粉砂岩层采用泥水平衡式顶管法施工中存在的有关问题及解决措施进行了探讨。

顶管；泥水平衡；复杂地层；问题；解决措施

1 工程概述

乐山市黑桥至王河园污水DN1000管道工程是将黑桥至王河园道路沿线的污水集中接入污水管道中排往下游污水处理厂进行集中处理，全长1 655 m。设计单位根据污水流量、流水面高程及场地工程地质条件，设计WS1-WS9段、WS35-WS38段采取DN1000顶管法施工，纵向坡度为0.08%，WS9-WS35段采取明挖法敷设DN1000污水管路，纵坡为0.08%，并以WS6-WS9段作为顶管施工试验段(长135 m)。笔者对WS6-WS9顶管试验段进行了分析与描述。

2 工程地质条件

该段场地属浅丘地貌，地势起伏不大，高程位于362～372 m之间，最大高差约10 m；地层为耕土、素填土、坡洪积的粉质粘土、冲洪积砂土、卵石及白垩系上统灌口组泥质粉砂岩。主要地层岩性为：①耕土：褐黑、褐黄色粘性土，其状态为松散～稍密，稍湿，含植物根系及腐殖质，土质不均，层厚介于0.3～0.6 m。②人工填土：杂色，拟建管线沿线大部分地段均有分布，主要成分为粘性土，含少量全风化泥质粉砂岩、卵石。③粉质黏土：褐黄色、褐红色，具铁锰质浸染，光泽度一般，韧性中等，无摇震反应。根据其状态分为可塑粉质粘土，厚0.5～2.5 m。④细砂：灰黑色，以稍密为主，砂粒成分主要为长石、石英，偶见卵石，粒径一般为2～8 cm，含量约10%。该层厚度一般为1.4～4 m。⑤中等风化泥质粉砂岩：棕红色泥质粉砂岩，粉粒结构，薄～中厚层构造，主要矿物成分为钙质长石、石英及粘土矿物，钙质胶结，局部含石膏，呈斑状、脉状分布。节理裂隙及层间裂隙中等发育，RQD值为70～80，其单轴饱和抗压强度一般为3.55～4.69 MPa，平均值为4.23 MPa，岩芯较完整，岩石基本质量等级为V级。

3 施工方案比较及存在的问题

3.1 施工方案的比较与分析

根据施工线路布置和设计规划要求，由于受坡度较缓及WS38以后管段高程限制，污水管高程无法降低至中等风化泥质粉砂岩层中，故只能一次性穿越多岩性复杂地层。根据上述具体情况，有以下几种方案供选择(表1)。

3.2 施工方案的优化与确定

(1)从经济和环保的角度考虑。

受交通和场地施工条件限制，因其距竹公溪河道较近，加之周边房屋管线协调和保护难度较大，后期管线和路面恢复费用昂贵，故原设计采用两侧放坡的开挖方案不是最优方案。

(2)从技术可行性的角度考虑。

若采用DN1000管道顶进方式，由于该段临河道较近，地下水丰富且穿越地层复杂，其中还要穿越岩层，故采用土压平衡式顶管最不可行。若采用手掘式顶管，施工人员的人身安全会受到威胁，且因管径太小，人工掘进作业难度相当大；同时，纠偏难度大，顶管精度无法保证。此外，由于手掘式顶管顶进距离有限，其工作井数量必然会增加。

基于以上情况，结合已有的施工经验，经实地勘察和理论计算后，从技术、经济、安全、环保等多方面进行综合比较后，初步决定采用泥水平衡式顶管施工方案。

表1 管道敷设施工方案比较表

4 泥水平衡顶管法设备的选择

由于本次顶管施工需要穿越中等风化泥质粉砂岩层，经综合比选，最终选用了镇江某公司生产的YD1200型泥水平衡式岩石顶管机(图1)。

图1 YD1200型泥水平衡式岩石顶管机刀盘图

5 泥水平衡顶管法的施工控制

5.1 工作井预留洞口的复测及顶进轴线控制

设备安装前，必须进行高程复测，并通过导轨调整高度使两者重合。对顶进轴线的控制，采用红外线激光经纬仪24 h跟踪测量，通过激光点在靶盘上的位置判断轴线偏差。为了监控和调整机头扭转，机头前的靶盘采用圆形可测量旋转式靶盘。顶进时做到“勤测、勤纠、慢纠”，一旦发生偏转趋势即进行纠偏，使光靶一直处于中心位置，纠偏角不超过1°。

5.2 顶管机顶进姿态的监测和控制

(1)顶管机轴线偏差和偏转角的监测。

如图2所示，顶管机轴线偏差可以通过激光靶点在靶盘上的位置直观地测量出水平偏差L和高程偏差H。

图2 顶管机靶盘示意图

在机头靶盘上设置测量点A，顶进前测出A点高程Ha，A到靶心O的距离为一定值。假设顶进时A移动到A′，测量出A′点高程Ha，可以计算出机头偏转角a=arcsin(Ha-Ha′)/OA。式中：若(Ha-Ha′)>0，则机头顺时针偏转；若(Ha-Ha′)<0，则机头逆时针偏转。

(2) 顶管机姿态的调整。

①滚动调整：由于机头刀盘正反转均能出土，因此，可以通过向偏转方向的反方向旋转刀盘调整机头的偏转角。调整时，应注意在切换刀盘转动方向时，先让刀盘停止转动，间隔一段时间后再进行反方向转动，以保持开挖面的稳定。

②轴线纠偏：伸缩纠偏油缸。按照光靶上激光点偏离的方向，将对应方向的纠偏油缸进行伸缩。纠偏时应注意：土质愈硬，纠偏时的顶进速度宜愈慢；向下纠偏(机头位置高偏)时，顶进速度宜慢不宜快；反之，向上纠偏(机头位置低偏)时，宜快不宜慢；对于因土质疏松引起机头下沉的偏离，宜采用闷顶纠偏，其纠偏距离视纠偏效果和顶力上升量而定。

5.3 顶管机在回填土层中的顶进控制

在回填土层中顶进时，由于土体较松散且含有建筑垃圾和块石，容易出现土体塌方导致地面沉降和建筑垃圾堵塞排泥管等情况，对此，重点加强了以下施工环节：①注浆减阻，改良土质，降低顶力：顶进时，通过管节中预留的注浆孔向管道外壁以一定压力注入一定量的减阻泥浆，在管道外壁形成浆套环，同时在周围土体表面形成泥皮，从而达到减阻和改良土体的效果。②监测出浆情况，实时处理排泥管堵塞问题：专人实时监测出浆量及浆液中的渣土量，若出浆量减小、渣土中建筑垃圾含量较多时，应立即停止顶进并检查排浆管堵塞情况，疏通或更换被堵塞排浆管，以保证泥浆的正常循环。另外，可以将排浆管不通过排浆泵直接接入泥浆池内，以防止建筑垃圾堵塞排浆泵。

由于顶进时所穿越的回填土层范围较小，且在顶进时处理及时，最终管道顺利地穿越了回填土层。

5.4 顶管机在粘土层中的顶进控制

岩石顶管机与普通顶管机的区别在于机头刀盘的组成和分布不同。岩石顶管机的刀盘中有用于磨削岩石的滚刀，且岩石顶管机进土口较小，因此，岩石顶管机在粘土层中顶进时，在被动土压力的作用下，滚刀的滚动空间和进土口容易被粘土充填堵塞，造成出土量小、顶进进尺较慢甚至无进尺。对于刀盘封闭式(刀盘前端无进人仓)顶管机，若无法清除堵塞土体，将导致管道无法继续顶进。

对此，在粘土层中顶进时应注意以下几点：①降低顶进速度，控制刀盘电流，防止刀盘被掌子面的粘土抱死。当刀盘电流增大时，通过调节油泵转速降低顶进速度，或停止顶进，使刀盘原地转动，扩大转动空间，降低刀盘电流。②向前端管壁注入高压清水，同时增大刀盘注水压力，通过高压水冲刷堵塞物扩大进土空间。从实际操作情况看，在粘土层中顶进、降低顶进速度的同时，用高压清水替换减阻泥浆顶进，且刀盘电流一直保持稳定时顶进顺利。但是，若粘土塑性较强、无法冲开堵塞物时则须由人工进入机头前方对刀盘进土口堵塞物进行掏除，因此，粘土层中的顶进宜选用刀盘非封闭式顶管机。

5.5 顶管机在岩土接触面的顶进控制

由于岩土强度差较大，在穿越岩土接触面时，若顶进参数控制不当，易出现轴线突偏现象。因此，在穿越岩土接触面时应注意降低顶进速度，可将顶进速度降至5～10 mm/min，视具体情况可停顶切削，使刀盘电流和顶力缓慢增大，切忌“快顶、强纠”。

本次顶管穿越岩层强度为4 MPa，强度较小，在穿越时，刀盘电流并未出现明显增大的现象，在进入岩层后立即用膨润土减阻泥浆置换出清水，以降低顶力和刀盘磨损。