复杂地质条件下超长距离大口径 泥水平衡岩石顶管施工技术综合研究

刘 伟

科技创新

复杂地质条件下超长距离大口径 泥水平衡岩石顶管施工技术综合研究

刘 伟

以青岛市黄水东调承接工程为例，分析介绍复杂地质条件下，超长距离大口径泥水平衡岩石顶管施工难点、施工工艺，为类似工程建设提供借鉴。

地质条件；施工难点；处理措施

顶管法施工是一种管道需要穿越铁路、公路、河流或建筑物等时的一种施工方法。采用该技术施工，能节约征地拆迁费用，减少环境污染和道路堵塞，具有显著的经济效益、社会效益，因此目前得到广泛应用。现结合青岛市黄水东调穿越大沽河段施工案例，介绍分析复杂地质条件下，超长距离大口径泥水平衡岩石顶管施工工艺。

1.工程概述

项目青岛市黄水东调承接工程施工（胶州段）5标段位于青岛市胶州市境内，全线长1170m（桩号8+850—10+020），其中穿越大沽河顶管施工1115m，设计顶管为DN2800钢筋混凝土管，内套DN2200涂塑复合钢管，顶管两端设工作井1座，接收井1座，穿河槽段套管埋深3m～10m。根据地勘资料，该段地层主要为冲洪积壤土、黏性土、砂性土、砂岩及泥质粉砂岩，管道穿越施工部位地层以强风化泥质粉砂岩及弱风化泥质粉砂岩为主，局部部位存在砂性土、泥岩夹层。河道常年有水，水深约7m，河道中心部位覆盖层为强风化泥质粉砂岩和淤泥，厚度较薄，透水性较强。

2.设备选型

此项目由于顶管口径大于1.5m并且顶管长度大于300m属于超长距离大口径顶管施工。根据《给水排水工程顶管技术规程》顶管机的选型要求，顶管机的选择应根据管道穿越地层的物理力学特性、有无地下水、是否存在有毒气体、地下障碍情况和需要保护的构筑物等因素进行比选，采用泥水平衡岩石顶管机。此类机型适用于强风化、中风化沉积岩，小于一定强度的Ⅳ类围岩。岩石顶管机具有刀盘易保养，耐磨性较强，顶进速度快，但由于其刀盘开口较大，对软弱地层适应性较差。

3.施工难点分析

3.1 地下水水压大，出入洞口止水困难

顶管机出入洞位置均需设置穿墙套管用于洞口止水，洞口止水贯穿顶管的整个过程，特别是在高水压、大渗透性的土层中，洞口止水是整个顶管成功与否的关键因素，轻者引起顶管顶力增加、管道在顶管井井口沉降、错位，严重时漏水控制不住，淹没顶管井，引起顶管失败。

此工程地下水丰富，水压大，且局部管顶上方无硬覆盖层，处于砂与强风化岩层交界处，管壁外侧水受大沽河水位影响大，造成止水困难。

3.2 穿越含砾粗砂层，易液化形成流砂

项目存在穿越砂层地段，其为含砾粗砂。由于岩石顶管机刀盘开口率较大，在顶进施工过程中，砂层在刀盘的扰动下，易液化，形成流砂，出料增多，容易形成空腔，地层下沉，导致地面沉降；且砂容易堆积在管外壁，随着管道顶进导致管外壁摩擦力增大，最终抱死，形成砂抱现象，造成顶进失败。

表1 参数优化对比表

3.3 穿越泥岩层，易粘结刀盘等推进难度大

由于岩石顶管机刀盘开口率较大，扰动较大，在穿越泥岩层时，该类地层黏土含量大，在后部顶力的作用下可流入料仓，但其粘结性、吸附性强，采用清水冲刷无法全部排出，容易造成粘结刀盘、粘结料仓、顶力骤增等现象，对持续顶进具有一定程度的影响。

3.4 局部管顶覆盖层较薄，易出现顶管上升甚至冒顶

根据《给水排水工程顶管技术规程》（CECS-246-2008）中要求的“穿越江河水底时，覆盖层最小厚度不宜小于外径的1.5倍，且不宜小于2.5m”。

工程顶进混凝土管外径3.3m，按技术规程要求，管顶覆盖层厚度不宜小于4.95m。根据地质地勘报告，K9+230-K9+370段和K9+570-K9+680段强风化岩石覆盖层厚度约2m，将淤泥质土层厚度计算在内才接近技术规程要求。

顶管在顶进过程中由于覆盖层薄、压力小，顶管机头容易出现上升现象，严重时出现冒顶。

4.施工处理措施

4.1 洞口止水

洞口止水在通常情况下，穿墙管止水装置主要有2种型式：盘根止水穿墙管构造和单层橡胶板止水穿墙管。本项目根据工程实际情况，结合上述2种止水方式优缺点，创新采取双层橡胶止水加压板的组合进行洞口止水。采用22mm钢板制作双层压板及套筒，间距20cm，洞口位置设双道2cm厚橡胶止水带，同时井壁预留注浆管，在进洞和顶进过程中注入触变泥浆，填充顶管管节和套筒之间的空隙，减少井外水力梯度的影响。顶管井洞口止水俯视图见图1。

图1 顶管井洞口止水俯视图

4.2 砂层加固

项目施工在顶进200m处，遭遇砂层，继续顶进2.5m后仍为砂层，且地面出现沉降。经停工后详勘，砂层段长110m，厚度约9m，粒径较粗，透水性强，持续顶进易造成地面大范围沉降、塌陷，极易形成砂抱，引起顶力骤增，由于剩余管线距离较长，继续顶进风险较大，影响顶管成功贯通。

经论证分析在砂层段采用高压旋喷桩进行固化加固，加固范围为轴线两侧4.55m(顶进套管半径1.65m),其中轴线至外侧3.15m处，设计桩径1.2m，桩间距0.85m，轴线外侧3.15m～4.55m范围设计桩径0.8m，桩间距0.6m。高压旋喷桩梅花形布置分序跳孔施工。

同时为避免高压旋喷对顶管造成影响，机头及机头后方砂层区域内高压旋喷桩底高程距离混凝土套管顶部1.3m，两侧距混凝土管1.5m。

4.3 泥岩层技术处理

项目在顶进施工过程中穿越泥岩层时，现场出料为灰白色，呈黏泥状，且每米进尺出料量小于正常顶进时的出料量，顶进速度骤减，顶进压力增大，无法继续顶进。开仓检查后发现料仓已被堵满，循环泥浆无法将其全部排出。

最初采用人工清理的方式将泥料清除后继续顶进，但这种清理方式费工费时，影响施工速度，后通过研究分析，采取了以下几种技术措施，避免黏泥对料仓、刀盘的影响，无需重复清理，加快速度，提高顶进效率，最终顺利穿越。

一是刀盘增设硬合金研磨刀片，对固结泥块进行破碎；二是料仓增加高压注浆管（1～1.5MPa），高压喷水冲洗料仓，减少泥岩粘结；三是分级沉淀。此项目出料采用泥水分离装置进行料、水分离。在顶进泥岩过程中分离后泥浆池水含泥量较大，润滑性高不利于带出泥料，且无法直接循环使用。因此采取增加两个泥浆池，进行分级沉淀净化，提高重复利用率；四是调整顶进参数。刀盘转速控制在1.4～1.8r/min，顶进速度控制在0.8～1cm/min，注浆量控制在10～20m3/m。

4.4 穿越薄覆盖层参数优化

4.4.1触变泥浆

触变泥浆采用膨润土泥浆，在混凝土管节上预留4～5个注浆孔，注浆孔均匀地分布于管道周围，注浆孔内部设置龙头控制阀门，防止浆液反流，外部设置单向阀。地表搅拌机进行搅拌后将搅拌好的所述触变泥浆放入储浆桶，浆液静置12～24h，储浆桶连接到注浆泵，注浆泵的另一端连接主管，主管与各个支管连接，支管与各注浆孔的龙头控制阀门连接后，进行注浆。

穿越薄覆盖层时，对触变泥浆液配合比进行调整，提升其润滑度，增大泥浆浓度，使其更快形成泥浆套。将触变泥浆液比重控制在1.15～1.3之间为宜。

4.4.2其他参数优化控制

穿越薄覆盖层时在触变泥浆配比优化同时要在顶进过程中对各项参数进行优化控制，主要为减少刀盘转速，降低顶进速度，增大注浆量，减少穿越薄覆盖层段的顶进风险。参数优化对比表见表1。

5.结语

顶管技术在我国已得到大量的实际工程应用，且保持高速增长态势，无论在技术上、顶管设备上还是施工工艺上均取得很大成就，但在复杂地质条件下，超长距离大口径顶管施工，采用泥水平衡岩石顶管施工的研究较少，项目通过探索洞口止水、砂层加固、泥岩技术处理、薄覆盖层参数优化等措施，为以后同类工程建设提供了参考。

2022-03-28

刘 伟，男，汉族，河北省水利工程局集团有限公司，高级工程师。