顶管穿越大范围全断面黏土地层施工技术研究

田华

（中电建南方建设投资有限公司，广东 深圳 518000）

1 工程简况

深圳地铁12 号线和平站，设计改迁污水管道平面大体沿现状桥和路人行道、绿化带布设，绕口和平站主体结构，下穿蕙莞深城际轨道，管道设计采用DN1800 钢筋混凝土管、顶管施工，管线迁改总长度666m，其中顶管长度约584m，沿线设置2 座碰口井（兼顾接受井功能）、4 座顶管工作井、3 座顶管接收井，设计顶管纵断面与现状污水管大体保持一致。

2 工程地质

本工程原始地貌为滨海滩涂，现已被人工堆填整平为市政道路，地面高程一般在3.16 ～3.85m。车站地质从上而下分别为素填土、填砂、填块石、淤泥、含有机质砂，粉质黏土、淤泥质粉质黏土、粉砂、细砂、中砂、砾砂，砂质黏性土，全～微风化片麻状混合花岗岩层。从地层物理力学试验参数得知为高黏性土黏聚力强。

3 施工重难点

（1）本站周边建（构）筑物较密集，基础埋深已经深入顶管流水面高层很近，对施工有较大影响，施工时易造成地面下沉，上部建筑物不均匀沉降和基础破坏。

（2）场地道路地下管线密集，主要有污水管道、给水管道、电信管道、电力管道、通讯光缆等，地下管线埋深约0.5 ～3.0m，局部地段管线埋深超过5.0m，位于顶管施工影响范围内，污水井施工和顶管施工过程中，如土体扰动过大或者塌陷造成较大影响。

（3）顶管穿越大范围全断面黏土地层，难点在于由于黏土的黏聚力较强，易黏结在刀盘以及土仓内结成泥饼，堵塞刀盘的注浆孔，严重时刀盘开挖的迎面阻力增大，还会导致刀盘转速减小、扭矩增大。当这些黏土黏聚在顶管机壳体或管道上，就会增大顶进的摩擦阻力，导致顶管不能继续施工，甚至将顶管机“抱死”，致使无法继续顶进施工。

4 主要施工技术措施

4.1 顶管机的系统改进

根据以往深圳项目类似地质情况下，顶管穿越大范围全断面黏土层施工经验。对顶管机进行优化，在机体上增加高压注水系统。高压注水系统是从地面高压水泵通过管道直接进入刀盘面板、土仓、泥水仓，如顶进过程中出现结泥现象时，能有效地把黏结在刀盘面板上的黏土冲开，能够很好地保护刀盘；使得刀盘在黏土地层中，能很好地把掌子面的泥土切削下来进入土仓通过格栅进入泥水仓。

高压注水系统在机头前端分为三路（图1）。第一路出口在刀盘面板上，注入的高压水压力控制0.5 ～0.9MPa，随着刀盘的转动高压水能把前方黏土进行冲刷、切削，增强切削力，同时高压水具有降温作用，有效地防止泥饼形成，高压的水流动性，使黏土不易黏在刀盘上，进入土仓。第二路出口在土仓，进入土仓的小块黏土在高压水、搅拌棒、刀盘转动共同作用下，搅拌成具有流动性的液态。第三出口在泥水仓，通过格栅由土仓进入泥水仓流动性高的黏土，再在高压水、搅拌棒、刀盘转动作用下快速形成泥浆，通过进排泥浆系统抽走。通过三步共同作用，使黏土达到快速泥浆化的效果。

图1 高压注水管道在机头前端出水口图

4.2 顶管机局部改进

（1）高压注水口改进

顶管经过试验段顶进施工时，发现顶管机在全断面黏土地层中顶进时，黏土容易黏结刀盘，阻力增加，使得刀盘驱动电流增大，过载保护跳闸。黏土长时间黏结在刀盘上，容易引起刀盘卡死，原刀盘的喷水孔为“五角星”形状，喷水孔流量小，无法冲开大范围的黏土，甚至出水孔堵死现在，驱动刀盘电流高居不下。

根据施工探索反复试验，将原刀盘的喷水孔改为“梅花”形状，且将中间孔的直径扩大到5mm；这样刀盘喷水孔的流量变大，顶管机在后续的顶进过程中，刀盘电流一直很平稳，不会突然增大。具体见图2 所示。

图2 高压注水孔改造后高压喷水图

（2）泥水仓格栅改进

顶管机在顶进过程中，原刀盘格栅较密4cm/格，由于黏土具有黏聚力大的特点，小格栅不利于黏土由土仓进入泥水仓，黏土长时间堆积在格栅外，以致排泥浆效果不佳，也容易堵塞。通过将格栅间隙加大，每隔二格割掉一个横档，便于黏土进入泥水仓形成泥浆，顺畅的排出到地面泥浆池里。

4.3 顶进参数

顶进参数是控制顶管机顶进的重要指标，也是顶管施工质量的重要体现。顶管经过试验段顶进施工时，发现顶管机在全断面黏土地层中顶进时，认真分析顶进参数，根据提前拟定顶管穿越该地层段的顶进参数，拟定各种突发情况的应对措施。

通过不断的优化与调整顶管施工顶进参数、黏土快速泥浆化、技术改进措施和控制措施等，总结出如表1 顶进的主要参数。使得顶管安全顺利高效的穿越大范围全断面黏土地层。

表1 顶管机顶进主要参数表

注：①顶进时产生的泥浆量为顶管所占体积的7 ～8 倍。②注触变泥浆，注浆口的实际用量，黏性土和粉土不应大于理论注浆量的1.5 ～3.0 倍。

4.4 精确控制触变泥浆配合比

首先，顶管施工中触变泥浆比重的控制是影响壁后注浆质量的关键因素，因为触变泥浆是减少顶进过程中的摩擦阻力的关键；其次，能填充管道外壁与土体之间的间隙；最后，就是在触变泥浆注浆的压力下，起到支撑作用，减小土体变形。

触变泥浆的配合比结合膨润土本身的物理性能和穿越的地层土体特性是经过顶管试验段多次试验、对数据分析对比较，而找到顶管穿越全断面黏土层触变泥浆最佳配合比。如表2、表3 所示。

表2 触变泥浆配比及主要性能指标

表3 触变泥浆技术参数

膨润土分散在水中，其片状颗粒表面带负电荷，端头带正电荷。则颗粒之间的电键使分散系形成一种机械结构，膨润土水溶液呈固体状态。一经触动（摇晃、搅拌、振动或通过超声波、电流）、颗粒之间的电键即遭到破坏，膨润土水溶液就随之变为流体状态。如果外界因素停止作用，水溶液又变作固体状态，具体见图3 所示。

图3 触变泥浆

4.5 进排泥浆密度监控

顶管在穿越大范围全断面黏土地层时，顶管顶进过程中，刀盘切削出来的土体经过进排泥浆输送到泥水分离器，经过滤流体浆液再循环使用，粗渣过滤后直接排出运走。然而当进排泥浆比重过大，会造成进排泥浆管堵管，影响顶管施工进度；进排泥浆比重太小，当废浆处理，形成浪费，增加施工成本。

因此，需要进行科学控制循环浆液的密度，使用婆梅氏比重计放在循环浆液箱内监测，当比重计的检测泥浆密度大于1.4g/cm³时，就要把循环池里面的泥浆作为废浆处理，用运输车及时拉走，并往循环池内补充足够的新浆。密度监测如图4 所示。

图4 进排泥浆密度监测

4.6 测量纠偏、监测

顶管施工中主要是顶管机切削前面的土体，然后靠主顶油缸往前顶进。由于顶管机机头较重，顶进过程中容易形成“低头”的现象，顶进中千斤顶的顶力偏差以及在黏土地层可能受力不均匀等，也会使顶管机在实际的施工中不能按照设计轴线顶进，顶管机姿态不仅对管道的整体质量造成影响，还在顶管施工中由于纠偏产生超挖。这就需要在施工中不断调整顶管机的姿态，保证施工轴线符合设计轴线。

精确的地表沉降监测，及时有效地反馈穿越段地层的稳定性及位移情况，以便灵活地调整顶进、注浆等参数，防止顶管施工中出现地面沉降及隆起现象。

5 结语

在深圳地铁12 号线和平站前期工程，顶管在穿越大范围全断面黏土地层中顶进参数、黏土快速泥浆化、壁后注浆、触变泥浆配合比控制、设备局部改造、施工技术改进措施等方面展开广泛探索和研究。从理论到实践，从试验段到全面推广，对顶管施工过程中存在的问题进行逐条梳理、归纳总结。总结出顶管穿越大范围全断面黏土地层的顶管施工参数，形成了有效的黏土快速泥浆化技术，提出了技术改进的具体措施。

避免了顶管穿越大范围全断面黏土地层施工中出现顶管机卡壳、刀盘磨损、易结泥饼、主顶油缸压力顶力过大不能继续顶进等一系列的难题，使得顶管顺利穿越大范围全断面黏土地层，且施工质量良好。