关于在卵石层中顶管施工的技术分析

孙 伟

无锡太湖水务有限公司，江苏无锡 214000

1 顶管方式的技术分析

地质报告反映，景德镇市某截污管网工程CW80—84段处于第7-2层和第3-1层土层中，主要地质情况为素土、粉质黏土以及直径小于15cm的鹅卵石或砂石组成。CW89—94段处于第3-1层和第3-4层土层中，主要地质情况为淤泥、粉质黏土和直径20～40cm的鹅卵石或砂石。并且由于管位靠近昌江边缘，地下水含量较为丰富，地下水位在管道高程以上。根据地质报告反映的情况，在这类土质下顶管施工时会遇到以下难点：

（1） 粒径较大的卵石会阻碍顶管机头正常进土，卵石难以破碎，致使顶管阻力过大而无法施工。

（2） 土层的凝聚力、黏结性较差且结构松散，机头在顶进过程中，进土量会大于管道的空间尺寸，而且卵石的黏结性差，会大于易产生坍方、塌陷的情况，导致地层变形，地表沉降。

（3）土层摩擦阻力大，井距较长 （100m左右），管径较大（D=1350mm），埋深大 （地表以下12m），造成顶管时顶力大，纠偏难度大，管道高程较难控制。

（4） 被破碎后的卵石，形成泥浆的效果差，难以输送到地面上。

2 顶管方案

经过以上情况以及难点的分析，在制定方案和比选时，就要采取相应的措施重点来解决顶力大、易产生坍方、卵石难以破碎等方面的问题，从而保证顶管作业顺利进行。

2.1 触变泥浆减阻

在管道顶进时，使用专门的注浆设备，通过管身中的注浆孔，向管道外的泥土中注入膨润土混合浆液，这样随着管道不断顶进，浆液可在管身与泥土中形成完整的泥浆套，起到减小管壁与泥土的摩擦力，从而减小顶进阻力。

2.2 管壁涂蜡减阻

在钢筋混凝土管壁外侧涂蜡，使管道外壁更加光滑，增加管道的滑动性。

2.3 千斤顶合理布置

一般的顶管作业中，千斤顶的顶镐一般为两个，并排放置在管端下侧1/3处。而本次顶管作业由于顶力较大，如果采用原先的布置方式，会使千斤顶的作用力不均匀，可能会发生管道被损坏或者管道前进的方向与力矩不一致，所以此次顶管使用了4个千斤顶。这样在原来的千斤顶位置上方管端2/3处再放置一对千斤顶。

2.4 中继间设备

本次顶管作业顶力较大，管材都有一个承受顶力的极限。超过管材所能承受的顶力，管材就会损坏。为了避免管材顶坏，就要在管材承受的安全顶力下进行施工。采用中继间身边可以有效地控制顶力，把中继间设备设置在整个管段的中间位置，它作用时将管道分为前、后两个部分，把后面的管道作为后座，顶进前段管道。这样就把顶力控制在安全范围内，用中继间一段一段地推进，从而可以实现长距离顶管时减少工作基坑内千斤顶的顶力。

2.5 龙门洞口土体加固

由于在土层中凝聚力、黏结力较差。在工作坑的龙门洞打开后，大量的卵石夹杂着泥沙和水会涌入基坑内，影响顶管作业。所以，须在基坑龙门洞外侧设置土体加固区。一般会采用旋喷注浆来加固土体。这种方法就是利用工程钻机，把注浆管钻入需要加固的土体区域，通过钻杆一遍旋转，一边喷射具有一定压力的水泥浆混合液。待水泥浆液吻合后，便达到了加固土体的目的。

2.6 顶管机具选型

顶管机具的选型对于此次施工来说是非常关键的一环，经过项目部的研究讨论，决定顶管机具采用二次破碎泥水平衡系统进行顶管作业，相对于其他顶管设备，泥水平衡式顶管便于实现连续测量，顶管精度高；噪声较小，安全可靠，地下工作环境好。但是在机具的刀型、刀盘设置上，还必须有更细致的方案。

2.6.1 刀具

为了应对土体中的大粒径卵石、圆砾，顶管前需要对机头刀盘进行加工，在原有的刀盘上增加滚刀和高强度的合金刀头，减少鹅卵石对机头刀盘的磨损。这样当顶管机头在顶进时，机头上的滚刀可以破碎大块的卵石，以便破碎后的小石块顺利进入机头内部的破碎室。

2.6.2 刀盘

为了保证此次顶管土体的切削正常，选用面板式的刀盘。刀盘根据不同的形式分为面板式和辐条式。一般认为面板有挡土作用，有利于开挖而前方的土体稳定，而面板式刀盘一般施工时扭矩要大一些，而辐条式刀盘扭矩较小，但对开挖面稳定不利，施工实践证明，辐条式刀盘的地表沉降确实大于面板式刀盘。所以，该顶管工程采用面板式刀盘，刀盘的直径设定为1650mm，比管道的外径1550mm大100mm，顶管机盘刀具布置示意图如图1所示。

图1 顶管机盘刀具布置示意图

2.6.3 二次破碎系统

经过滚刀破碎后的卵石，对于泥水平衡顶管机具来说粒径还是太大，这就需要机内的圆锥破碎机构对进入破碎室进行二次破碎，顶管机圆锥破碎形式如图2所示。

图2 顶管机圆锥破碎形式

2.7 触变泥浆的置换与填充

顶进施工中用触变泥浆套助沉，以减少顶进的阻力。顶进施工完成后，用水泥砂浆或粉煤灰水泥砂浆来置换触变泥浆主要是为了减少地面沉降。顶管结束后进行触变泥浆置换时，要采用水泥砂浆、粉煤灰水泥砂浆等易于固结或稳定性较好的装液置换泥浆填充管外侧超挖、塌落等原因造成的空隙；在完成作业并拆除注浆管路后，将管道上的注装孔封闭严密。

3 顶管施工过程中的问题和解决方案

3.1 顶管段面 （CW95→94）

问题：顶管作业处在砂砾鹅卵石土层中，出现进出水管出现阻塞情况，造成顶管施工终止。

原因：二次破碎仓及隔筛口径过大，被机头打磨过的鹅卵石（此时鹅卵石的直径比较大） 流进泥浆管积压，造成泥浆管阻塞。

解决方案：

（1） 对机头的刀盘进行加工，在原有刀盘上增加5cm厚的滚刀，降低鹅卵石对刀盘的磨损程度。缩短对机头的保养周期，在每顶进一段后要及时对机头进行保养或二次加工。

（2） 缩小顶管设备二次破碎仓口的直径和隔筛直径，防止一次破碎的鹅卵石积压堵住隔筛口，造成进出水管的阻塞。

（3） 增加泥浆稠度，用浓度较高的泥浆将管内的鹅卵石带出，必要时采用增压棒，同时在管材顶进的时候进行注浆。3.2 顶管段面 （CW92→93)

问题：在顶进到40m处，发现由于顶力太大，造成最后一节管道损坏，管道产生贯穿性裂纹。

原因：触变泥浆的减阻效果不好，致使顶力过大。最后一节管道在千斤顶和U型顶铁的力作用下损坏。

解决方案：增加泥浆中鹏润土的含量，增加注浆压力以及注浆点，完善龙门洞的封堵效果，是触变泥浆形成一个封闭的泥浆套，增大减阻效果，从减小阻力。

4 结语

在卵石层中进行顶管施工，主要须克服卵石难以破碎，地层容易塌方、顶力大、纠偏困难等因素。根据景德镇某截污管网顶管施工的实际情况来看，采取对机头结构进行改良和一系列措施后，特别是在CW80-CW84、CW89-CW94段应用效果表明，达到了比较好的效果，为今后类似项目的施工可以起到借鉴作用。