大口径顶管穿越不明地质高速公路的设计探究

张新宇

(深圳市广汇源环境水务有限公司，广东 深圳 518000)

1 工程复杂性论述

DN2400初雨转输管，是为有效解决深圳市宝安区九围河沿河初雨进入铁岗水库的关键工程，能最大限度地缓解雨季时过度沉积污染的底泥和九围河流域范围内面源污染带入铁岗水库问题。

该工程设计规模为100%的旱流漏排污水(0.85万m3/d)和九围河流域范围内建成区7mm/h内的初雨水全部截排。本次DN2400初雨管，原施工图设计为初雨转输隧洞，尺寸为1.8m×1.8m，采用新奥法施工，断面形式为马蹄形。因该段补勘存在砂层，且西边为洲石公路，东边为机荷高速，为保证九围河工程的顺利施工，该段调整为DN2400Ⅲ级钢筋混凝土专用顶管加水平超前深孔注浆施工。该段横穿机荷高速长度约96m，管道埋深为8.72～14.2m，根据两端井位钻孔勘察成果，本段顶管管位处于中粗砂层和砂质黏性土，稳定地下水水位约为30.71m(地面高程为33.11m),地下水丰富。且机荷高速约96m的管段中间无法进行地质勘察钻孔，机荷高速段地质情况不明。但该管段所处位置的东北侧方向约200m处原为大型弃渣场，存在大量孤石(直径20～300cm不等)，经机构检测，孤石饱和单轴抗压强度在70～100MPa。机荷高速公路下管位所处地层遇孤石的风险极大。

2 工程设计方案研究论证

针对上述DN2400初雨管横穿机荷高速地层不明、地下水丰富，管位处于砂层且存在孤石概率极大的不利边界条件下，选择投资可控、施工安全且保证机荷高速正常运行最优设计方案难度极大。本次针对DN2400初雨管横穿机荷高速的设计可行方案开展研究论述。

2.1 非开挖工法可行性论证

2.1.1 气压平衡式工法

气压平衡式顶管通过作用于临时掘进工作面上的气体压力来阻止地下水。此工法特别适用于流砂层且地下水丰富的土层，对砂层有很好的适应性。气压平衡工法在顶管机头中部设置两道气压密封门，把掘进机分为前后舱，在遇到地下障碍物时可打开舱门进入挖掘面人工清障，特别适用于既有地下水，又有不可预见的不明地下障碍物的地段的顶进。且气压平衡式工法适用于大直径顶管工程，通过调节供给的压缩空气的压力大小，实时调节舱内压力的高低，可精确到0.1kPa，平衡比较彻底，施工后地面沉降极小。

本次DN2400初雨转输管非开挖工艺最关键的是要考虑到机荷高速公路下可能存在未知的障碍物，不排除饱和单轴抗压强度大于50MPa的块石存在，同时，结合两端井位钻孔地勘成果资料，管段管位处于含砂层且有丰富地下水，故气压平衡工法适用于本工程。

2.1.2 泥水平衡式工法

泥水平衡式顶管主要是利用泥水压力来平衡地层和地下水压力的一种顶管工法，以泥浆平衡装置自动控制。通过调节进泥和吸泥的泵量，使工作仓内泥水压力和地下水压力保持平衡状态。整个顶进过程中，控制好顶进与出泥速度尤其关键。其施工安全快速，特别是适用渗透系数大于10cm/s，有严重流砂时。但遇到微风化及中风化岩层时，如强度大于50MPa，顶进比较困难。考虑到机荷高速路段下地层不明，存在孤石的概率极大，若遇孤石顶进困难机头无法拿出，为保证机荷高速正常运行不可能明挖，故本项目不推荐此工法。

2.1.3 泥水平衡岩石顶管工法

与泥水平衡式工法区别在于采用能掘进硬岩的破岩顶管工法，机头适应的岩石强度在70～100MPa。顶管顶进前需超前注浆改善不良地质，固化顶管断面的松散土质，便于岩石顶管安全施工。

破岩顶管工法关键之处在于机头，其刀盘正面布置的滚轮刀具，根据岩石的硬度确定，对其质量及破碎岩石硬度需充分评估，确保对岩层可剪切破碎，同时滚轮刀具的安装及在线更换需专业技术人员进行。岩石顶进时不能操作过急，整个顶进过程需缓慢循序渐进。

对于易崩坏的砾石地层，采用泥水式机头最理想，送水压力平衡地下水可以防止喷发和流失，控制地面下沉至最小。本工法同样适用于该工程，施工周期短，但每延米费用接近2万元，因本项目非前期施工图设计，变更费用受限。

综合分析上述三种非开挖顶管工法适用性及特点，考虑到气压平衡式工法可开舱门，若遇到不明地层可进入挖掘面人工清障，且综合单价较破岩顶管工法经济，故本工程采取气压平衡式工法较合适。

2.2 水平超前深孔注浆参数及工艺确定

针对DN2400初雨管横穿机荷高速地层不明、地下水丰富，除常规的气压平衡式工法顶进之外，为确保顶管顶进过程中遇到障碍物不得不开舱作业，在机荷高速又无法进行地面加固的边界条件下，对顶管段周边进行水平超前全断面深孔注浆改善不良地质，固化顶管断面的松散土质是非常有必要的，便于顶管顺利安全施工。

2.2.1 注浆布置形式

结合本项目工程特点，无法采取地面垂直或倾斜注浆，只能在工作井内采取放射性超前预注浆工艺。注浆前，掌子面挂网喷射200mm厚混凝土，做为止浆墙，钢筋网采用φ25锚杆固定在掌子面上。全断面注浆孔在掌子面基本成环形布置，分2环，第一环6孔，孔深6.264m，外插角17°；第二环3孔，孔深6.021m,外插角5°；注浆孔孔口管采用φ89焊接钢管，孔口管长2.5m，孔口管外露长度20～30cm，孔口管壁与钻孔之间采用麻丝填塞并注浆固结严实，孔口管起着导向作用，钻孔安装时，须牢固且严格控制外插角度(见图1、图2)。

图1 全断面深孔注浆布置(单位：mm)

图2 全断面深孔注浆纵断面(单位：mm)

2.2.2 注浆材料及注浆压力

本次注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆，它具有速凝且凝固时间可控的特点，初定C∶S(体积比)=1 ∶(0.6～1.0)，水玻璃浓度为35～40波美度，模数2.6～2.8，水泥浆水灰比0.8 ∶1.0～1.0 ∶1.0。初定注浆压力为0.5～2.0MPa；其他工程设计具体参数可通过现场注浆实验确定。

2.2.3 注浆结束标准

注浆管路连接后，应通过压水试验检查注浆管路的密封性，并疏通注浆管路，冲洗围岩裂隙，利于浆液扩散，提高注浆效果。当注浆压力达到设计终压，并持续保持10min以上，且注浆量大于设计注浆量的80%以上时，即可结束本孔注浆。

2.2.4 注浆效果评判

掌子面一个循环的所有注浆孔完成注浆后，在开挖前，需要对注浆堵水、加固的效果进行检查，检查的方法是在掌子面主要破碎处、主要出水点附近设置3～5个检查孔，抽取岩芯观察并测定渗漏水量，当测孔内涌水量大于0.2L/(min·m)，或有一处涌水量为10L/min以上时，应追加注浆钻孔；或者进行压水试验，在0.75MPa的压力下，吸水量大于2L/(min·m)时，应追加注浆钻孔，直至小于上述指标为止。

2.3 工作井与接收井外围的止水设计

本项目工作井靠近机荷高速及洲石公路，有丰富地下水，考虑到地下水过高会导致沉井下沉过程中破坏洲石公路和机荷高速公路结构的问题，为保证沉井施工安全，对其工作井外围设计高压旋喷桩止水，桩径中心距工作井外壁0.5m，桩径550mm，咬合150mm，桩长16m。注浆材料选用强度等级为32.5级的普通硅酸盐水泥，水灰比暂定为1.0，每延米桩身水泥用量不小于300kg，注浆压力应大于20MPa，提升速度宜控制在7～12cm/min，旋转速度为10r/min。其具体参数可根据现场试验段确定的相应数据进行调整。

3 本工程延伸顶管设计经验

3.1 顶管工艺前期勘察成果质量的把关

顶管前期设计工艺选择最核心的依据是顶管管位所处地层地质情况，故地质勘察布孔的合理性及勘察成果的准确度非常关键，很多工程前期设计工期短，勘察时限更短，且设计人员和勘察人员沟通不紧密，往往勘察布孔与设计管位偏差较大，且大部分项目勘察并未严格按照顶管设计规范要求按不同勘察阶段的探孔间距布孔，导致实际施工管位所处地层与提供的勘察成果有偏差，特别是遇到特殊地层，会直接导致重大变更，对项目投资及工期都有较大影响。

3.2 大口径顶管长距离顶进减少推力的设计

顶管顶进过程中需要克服管道与四周土体的侧向摩阻力及前方的土体压力，顶管顶进时的推力,主要是克服管外壁与地层间的摩擦力。而管材的轴向耐荷力有一定限度,为有效解决这一矛盾,措施一是在顶管机后部和各管段内通过注浆孔向管外壁和地层间的空隙注入润滑剂,形成浆套,可大大减小管壁摩阻力,其效率在25%～60%(视地层不同而不同)；措施二是根据工程具体情况确定顶力，对中长距离顶管应根据现场实际情况在管段间按一定间隔设置“中继间”的千斤顶组,采用接力方式顶进。整个顶进结束后,撤去千斤顶组,使中继间闭合形成一个标准管节。中继间的止水密封圏，考虑采用可在线更换的密封圈；措施三是刀具(特别是滚轮刀具)的在线更换设计，这也是有效延长长距离顶进减少推力的有效方法之一。

4 砂砾地层和岩盘地层兼用顶管机应用思考

由于砂砾地层和岩盘地层掘进设备的刀盘面板构造(有法兰盘式、小倒角式和大倒角式等)和刀具的配置结构有较大的不同,后者须具耐磨特性和主要靠刀盘剪切破碎岩石,而前者须具挤压破碎防止砾石地层倒坏的机能,同时两者都须在遭遇黏土时要防止进泥口堵塞和刀具嵌泥的故障,故面对砂砾地层和岩盘地层兼用顶管机是今后顶管设计针对复杂地层的研究方向之一。

5 结 语

顶管施工是一种对环境影响很小的非开挖工法，特别是在深圳这个国际化大都市，穿越市政主干道、铁路、高速公路及重要建(构)筑物时，顶管工艺是首选。但大口径顶管在实施过程中仍然会遇到很多突发事件，如顶管掘进时发生路面沉降、塌陷，涌水、涌沙等，故顶管前期设计结合地质勘察成果一定要充分论证其方案可行性，在顶管工艺的选择论证及地层复杂与否选择土体注浆加固等均需充分研究探讨，保证项目投资可控，并对可能发生的突发事故做好应急预案，确保顶管工程顺利实施。