砂卵石地层泥水平衡顶管施工方案探析

丰巨武

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

0 引言

某引水PCCP（DN 1800）压力管线工程，在穿越县城时遇到地下供热、供水管道密集分布区，与环城快速路距离较近，地层岩性为卵石混合土层、级配不良砂和淤泥质低液限粉土，地下水位较高，具有强透水性。结合工程地质、环境等因素，通过采取泥水平衡顶管施工方案，顺利通过，保证了施工质量、安全和进度，而成功的关键是前期合理的施工方案。

1 地质适应性分析

探明地质条件，是进行顶管穿越施工方案设计的前提，地质条件的适应性分析是进行施工方案比选时首要考虑的因素。

经探明施工区域位于现状河床，地面高程1 096.5～1 101.0 m，地层岩性为第四系全新统洪冲积（Q4pal）卵石混合土层，厚度大于10 m，局部表层为厚0～2.0 m的低液限粉土层；局部地表分布有第四系人工堆积物（QS），杂填土（灰渣）、含碎块低液限粉土，厚度0～3.0 m。顶管深度处于-10.9～-8.0 m处，该区域内分部卵石混合土层、级配不良砂和淤泥质低液限粉土。地下水位处于地面以下-3.75 m，地下水位较高，顶管区域内地质具有强透水性。

据钻孔注水试验资料，卵石混合层渗透系数为21.04 m/d，具强透水性，顶管段管道位于地下水位以下，基坑开挖时存在基坑涌水问题，需排水。

综合考虑地层岩性、地下水分布，基坑涌水量等因素，同时考虑工期、投资因素，排除了土压平衡盾构和人工开挖施工方案，采取了泥水平衡盾构施工方案，靠泥水在掌子面形成的泥膜抵抗水土压力，更能适应砂卵石高水压土层。

2 沉井设计

根据本工程地质条件及顶管深度（埋深约10 m），结合类似工程的施工经验，工作井采用钢筋混凝土沉井结构。

沉井施工工艺流程为：施工准备—地基处理—刃脚支设—钢筋、模板安装—沉井预制—沉井（排水）下沉—沉井封底—沉井底板。

在沉井施工时，需重点考虑施工降水、沉井下沉系数确定，垂直度控制以及突发涌水、涌泥等意外情况等几个因素。

2.1 施工降水

根据本工程岩土工程勘察报告，预处理沉井位于中砂层及卵石层，该土层为不良工程地质层，含水量极大、透水性强。通过基坑涌水量计算，合理选择排水方案和排水设备型号，确保干地施工，同时可以减少沉井下沉过程中浮托力。

在施工降水过程中，当地层含有砂层或淤泥层时，在降水过程中会出现涌泥、涌砂突发情况，需注意控制排水强度，防止抽水过快而造成边坡自稳时间不足，沉井周边边坡坍塌、地面沉降，造成沉井难以下沉或不均匀沉降。这种情况，需采取沉井周边注浆或打设钢板桩，保持沉井周边边坡稳定。地质灾害的处理费时费力，工期也难以保证。

2.2 刀盘选择

在进行刀盘选择时需考虑刀盘开口率和孤石处理两个因素。结合砂卵石地层特点和泥浆泵出渣要求，刀盘开口率不宜过大，因此在进行方案设计时，刀盘开口率控制在20%左右；另一方，考虑到施工中可能遇到大的孤石的情况，为了避免卡机现象，需要选择带孤石破碎装置的刀盘。

2.3 沉井下沉

根据沉井下沉高度，采取分次制作、一次下沉，制作时应保证其稳定性，使沉井能在自重下顺利下沉，其下沉系数K不小于1.15，可按下式计算：

式中：G——沉井自重及附加荷重；

H——沉井下沉深度；

L——沉井外部周长；

f——单位面积摩擦力的平均值，一般取1.5 t/m2；

为保证沉井的均衡下沉，挖土时采用先中间后周边的锅形开挖次序，周边刃脚以下严格按均匀对称开挖的原则。每层挖土厚度为0.4～1.5 m，具体深度根据现场土质情况选定，在开挖过程中，要经常注意井壁的垂直度和测量井面的标高，如发现沉井有较明显的倾斜时，即采取刃脚低位处停挖或少挖、刃脚高位处多挖的纠编措施，保证沉井均匀平稳下沉。刃脚下部土方必须边挖边清理。沉井内挖出的土方用汽车运至弃土场堆放。

2.4 垂直度的观测

预先在沉井内壁设定4个垂球，观测垂球的锥尖是否分别在相应位置的标盘中心。当沉井发生偏斜时，垂球锥尖就会偏离标盘中心点，垂球的吊线就会偏离沉井内壁上的垂线。根据垂球偏离标盘中心及偏离沉井内壁垂线的方位和大小进行纠偏。一般情况下，每下沉一次的前后均要求做一次观测，并作好记录。

3 顶管轴力复核和中继间设置

3.1 顶力估算

根据顶管施工技术及验收规范（GB 50268—2008）及顶管技术规程（CECS 246—2008），顶管顶力可按以下经验公式计算：

式中：F——估计总推力；

F1——迎面阻力；

F2——顶进阻力。

式中：D′——管外径；

H0——覆土厚度；

γ——卵石重度。

式中：f——管外表面综合摩阻力，卵石取1.5 t/m2；

D——管外径；

L——顶距。

通过顶力复核，为合理选择顶管管材等级提供技术参数。

3.2 混凝土顶管允许顶力计算

顶管管材根据规范采用Ⅲ级C50钢筋混泥土管，单根长度一般为2 m。混凝土管允许顶力计算公式：

式中：F——管道允许顶力，KN；

б——管体轴心抗压强度；

K——安全系数（5～6），取5；

t——壁厚；

d——钢筋混凝土内径；

L1——密封圈槽底与外壁距离；

L2——垫片与外壁预留距离（L1和L2可忽略不计）。通过顶管允许顶力复核，为是否需要设置中继间，以及提高顶管管材等级提供技术参数。

3.3 中继间设置

中继间顶进是在管道中间加装一套中继间管，在中继间管上环形布置小型液压千斤顶，利用管壁作为受力点将长距离管道分段进行顶进，以达到长距离顶进的目的。通过管道的允许顶力复核，则可计算允许顶进长度，根据顶管总长度合理确定中继间数量，已满足Ⅲ级钢筋混泥土管顶进要求。

3.4 工作坑后背受力分析

为确保安全，顶力后背反力R应为总推力的1.2～1.6倍。

R=B（rH2Kp/2+2CHKp1/2+rhHKp）

式中：R——总推力受到的反力，kN；

B——后座墙宽度；

r——卵石容重（kN/m3），一般取22.4 kN/m3；

H——后座墙高度；

Kp——被动土压力系数为tg2（45°+φ/2）内摩擦角φ取依据地质资料合理选用；

C——土的内聚力，kPa；

h——地面至后背墙顶部土体高度，m。

顶力后背反力R与最大顶力之比值一般取1.2～1.6倍，确保后靠背受力稳定，防止发生较大位移变形。

4 变形监测

4.1 管道以及后靠背的监测

施工前对管子接头的槽口尺寸进行检查，橡胶圈和衬垫板的外观和质地。确认合格再在接口处均匀涂抹薄层硅油等对橡胶无侵蚀性的润滑材料以减少摩阻力。承插接管时加力要均匀，应保证橡胶圈不移位，不反转，不露出管外。

顶进过程中加强管道中线、高程的测量复核，及时纠正管道的高程、中线，以降低后方顶力。同时通过加强后靠背位移监测，以验证后靠背设计的合理性，及时采取后靠背加固措施。

4.2 周边构筑物的监测

管道顶进前，沿管道走向，在管线周边的建（构）筑物上设置沉降观测点，测出初始数据；在管道顶进过程中每天早、中、晚定时对各沉降观测点进行测量；发现沉降超过预警值，应立即停止顶进，并及时采取措施进行处理，以免造成安全及质量事故。

4.3 管周处理

管道顶进结束后，可由管道上的注浆孔向外注入水泥浆，由水泥浆将管道外周的空隙填实。注浆压力控制在2 MPa；通过注浆压力及浆液流量控制注浆量。直至注浆压力增大，流量减少时为止。通过采取注浆措施，防止地面沉降，确保周边地面设施安全。

5 施工安全

顶管施工存在起重吊装作业、高空临边作业、交叉作业、施工用电以及突出涌泥涌水等地质风险，安全风险高，存在较大安全隐患。施工过程要重点做好以下两项工作：

一是认真落实安全生产责任制。施工现场必须配置专职安全管理人员进行巡视检查，加强对起重工、电工等特种作业人员和起重吊车、压力表等特种设备管理。施工现场需设置安全警示标识，配足围挡、临边防护网等安全防护措施以及施工作业人员劳动保护用品的发放。二是加强安全风险和应急预案管理。施工前需认真进行安全风险点识别，对存在较大安全隐患的施工作业需制定有针对性的应急预案并组织演练，加强对施工作业人员的安全交底，杜绝三违现象。