关于复杂砂卵石地层机械顶管施工技术的研究

陈家祥 蒋欢 中冶建工集团有限公司四川分公司

1 前言

机械顶管作为一种非开挖施工技术，在我国沿海已经实施多年，得到大量实际工程应用，且保持着高速的增长势头。成都平原地区由于其地质情况的特殊性，前些年一直是机械顶管工艺实施的禁区，本项目作为成都首例穿越复杂地层的机械顶管，在很大程度上具有一定的参考价值。

2 机械顶管原理

顶进机械被主顶油缸向前推进，顶管机头进入止水圈，然后进入土层，电动机提供能量，转动切削刀盘，通过切削刀盘进入土层。挖掘的土质、石块等在转动的切削刀盘内被粉碎，然后进入泥水舱，与泥浆混合，最后通过泥浆系统的排泥管，由排泥泵输送至地面上。在挖掘过程中，采用复杂的土压平衡装置维持水土平衡，以至始终处于主动与被动土压之间，达到消除地面的沉降和隆起的效果。顶管机完全进入土层以后，电缆、泥浆管被拆除，吊下第一节顶进管，被推到顶管机的尾套处，与顶管机连接管顶进以后，挖掘终止、液压慢慢收回，另一节管道又吊入井内，套在第一节管道后方，连接在一起，重新顶进，这个过程不断重复，直到所有管道被顶入土层完毕，完成一条永久性的地下管道。

3 工程概况

锦江作为天府新区一条重要的河道，兼顾排洪与景观双重功能，因此生态环境尤为重要。截至目前，锦江流域污水下河问题仍未完全彻底解决，市委市政府由此提出于2018年5月前完成锦江全线截污的目标任务。

华阳雨污水干管建设一期工程项目进厂干管700m段是锦江截污的最后一段，w−1—w2−2为穿越洗瓦堰河流段是本项目的重难点之一，为保证汛期顶管的正常作业，经多方面比对复核，设计将原明挖

方法变更为倒虹吸的形式，并下降管道高程至中风化泥岩中，采用泥水平衡式机械掘进的工艺。

4 机械顶管遇地质突变

由于前期设计已将该段过河管道全部下降至岩层中，所以在机头选型上选用了岩层专用的机头。机械顶管掘进段长度为68m，管径为D=2000mm，坡度0.3‰，w−1为始发井，w2−2为接收井。

4.1 机械顶管遇黏土夹层

2018年9月6日，机械顶管开始正常顶进，在机头入土5m左右，从泥水分离器分离的土体中发现原有地勘未勘测到的黏土夹层，切削下来的黏土在二次破碎仓中将刀片糊住，从而导致泥水平衡式岩石顶进机械无法正常施工，顶进工程一度陷入停滞的状态。

处理方式：后经项目部与相关专业分包队伍多次商讨，决定对泥水平衡式岩石顶进机械进行局部改造，改造方式就是在机头主轴上加一个万向头，该万向头从机头主轴内伸出进入泥水仓（二次破碎仓），万向头内连接高压水管，在主轴转动的同时喷射高压水流冲击刀片上的黏土，进而使顶进机械正常作业。

4.2 机械顶管遇到砂卵石层

2018年9月15机械顶管重新开始正常顶进，在机头进去9m左右地质情况就发生了变化，其地质情况变为砂砾石层，卵石粒径在5cm~30cm之间，且含量在70%左右，这与原有地勘报告不符。由于其机头刀盘设计是岩层专用，不符合卵石层的施工，因而造成卵石堵仓、刀盘卡停。

处理方式：针对目前的情况，项目部及时对接了五方责任主体，并与专业分包队伍进行了协商，现场不具备大开挖更换机头的条件，只能着手对机头进行改造。改造方式就是专业技术人员在机头开仓清理，并对刀盘进料口的位置增加分隔网，孔径控制在10cm以内，严把进仓卵石大小，杜绝大粒径漂石直接入仓卡死刀盘。

5 机械顶管遇到软土层

2018年10月2日机械顶管又开始正常顶进，累计顶至19m时，发现注入进掌子面的膨润土泥浆循环出来的量突然减少，泥仓压力下降比较快，大量卵石涌进泥仓导致刀盘第三次卡停。

10月5~8日连续2次制作不同浓度的膨润土泥浆启动都没有成功，注入近200m³泥浆没有循环出来。分析原因可能是由于距离河流太近，地质松软并伴随流沙，且原有河流位置地层扰动比较大，地下空洞较多引起。

处理方式：根据当时现场情况来看刀盘已被卡死，且已经无法重新启动，需重新派专人进仓进行清仓处理。但由于距离河道太近且地下水非常丰富，无法直接下人开仓。经研究决定先采用阻水帷幕封闭机头位置，然后在开仓清理。

5.1 高压旋喷桩施工

针对该卡钻位置处理方式是在机头前方U字型打孔进行高压旋喷注浆形成阻水帷幕，以稳固机头前方的软弱土体，加固范围长度为3.5m，宽度为2.5m，两侧阻水帷幕桩中心距离机身间距为0.5m，机头端部距离阻水帷幕桩的距离为1m，机头端部沿轴线方向0.5m位置增加5根旋喷桩，目的是增加前端旋喷桩的侧向抗压能力，以保证操作人员的安全。该处高压旋喷桩约为31根，深度约为11m。

5.2 技术准备

采用单管喷射高压注浆进行阻水帷幕施工，施工要点如下。

（1）单重管法是使用单通道的注浆管。把注浆管放至设计的土层深度后，通过在管底侧面的一个同轴喷嘴，喷射出高压浆液介质的喷射流冲击破坏土体。即以高压泥浆泵等高压发生装置喷射出20MPa以上压力的浆液，从喷嘴中高速喷出。喷嘴一面喷射一面旋转和提升，最后在土中形成圆柱状固结体。水泥浆采用P.O42.5普通硅酸盐水泥配置，可根据需要加入适量的外加剂和掺和料。外加剂和掺合料的用量应通过试验确定，水泥浆的水灰比1∶1。（2）潜孔钻机。钻孔孔径为110mm，垂直度偏差应±1%，阻水帷幕桩体深度应达到底部岩层至少入岩20cm，加固旋喷桩应达到管底高程，顶部都控制在填土以下。（3）注浆流量应大于30L/min，提升速度宜为0.1m/min~0.2m/min，由于该地层为砂砾石层，为保证注浆质量提升速度一般控制在0.1m/min。（4）浆体应经过搅拌桩充分搅拌均匀，并在注浆过程中不停缓慢搅拌，泵送前应经过筛网过滤。低温注浆应防止浆液冻结，高温注浆应防止浆液凝固。（5）施工中采用每排孔跳打法分两序施工，即隔1孔喷1孔，相邻桩孔喷灌间隔时间不宜小于12h。

5.3 施工方法

5.3.1 场地平整

先进行场地平整，清除桩位处地上、地下的一切障碍物，场地低洼处用黏性土料回填夯实，并做好排浆沟。

5.3.2 测量定位

首先采用GPS根据里程桩号放出桩位，然后使用钢卷尺和麻线根据桩距传递放出注浆孔桩位位置，用小竹签做好标记，并撒白灰标识，确保桩机准确就位，桩位施放误差为±50mm。

5.3.3 机具就位

人力缓慢移动至指定桩位，由专人指挥，用水平尺和定位测锤校准桩机，使桩机水平，导向架和钻杆应与地面垂直，倾斜率小于1%。对不符合垂直度要求的钻杆进行调整，直到钻杆的垂直度达到要求。将钻头对准孔位中心，同时整平钻机，放置平稳、水平，钻杆的垂直度偏差±1%。为了保证桩位准确，必须使用定位卡，桩位对中误差不大于50mm。就位后，首先进行低压（0.5MPa）射水试验，用以检查喷嘴是否畅通，压力是否正常。

5.3.4 钻孔、下管

钻孔：为了保证钻孔的垂直度，保证钻孔孔壁的稳定，拟采100型工程钻机进行预先成孔，孔径为110mm，钻孔后放置110pvc管支护孔身，防止坍孔，对于砾砂层以及强分化岩层也必须进行预先钻孔。阻水帷幕桩体深度应达到底部岩层至少入岩20cm，加固旋喷桩应达到管底高程，顶部都控制在填土以下。Φ500mm旋喷桩，钻孔间距为0.35m，中间搭接0.15m，加固的旋喷桩中到中间距为0.6m。

下管：下注浆管时应对喷头加以保护，防止风嘴、浆嘴堵塞。当遇有喷管下不到位或下不去现象时（软土层），应视不同的情况采取不同方法处理，只要不是发生较严重的塌孔事故，喷管都不难下到位。一般可采用以下方法：①泵送水泥浆边摆动喷管边下管；②同时送风、送浆边摆动边下管。

关键在于掌握介质的压力及流量，一般都不宜过大。如果都不成功，则只有用钻机下钻杆处理，必须确保喷杆下至预计深度，方可正式喷射注浆。

5.4 浆液配置（加液体速凝剂）

桩机移位时，即开始按设计确定的配合比拌制水泥浆。高压喷射注浆的浆液，采用普通硅酸盐水泥，水泥浆液配制严格按设计要求控制为水灰比1∶1，水泥浆比重1.5。搅拌水泥浆时，首先将水加入桶中，再将水泥倒入，开动搅拌机搅拌10min~20min，浆液在灰浆拌和机中要不断搅拌，直到喷浆前。速凝剂添加为液体速凝剂，添加量为水泥重量3%，在喷浆

前30s前倒入搅拌桶，搅拌30s后即可开始注浆。搅拌30s后水泥浆的凝结时间为50min。

5.5 喷射注浆

根据现场情况我们选择的方式为旋喷法，注浆管下到预定位置后，开始送浆在孔底定喷数秒，调整泵压至设计值并孔口返浆正常后开始边旋转边提升。施工过程中，按要求随时检验并记录提升速度、喷浆压力与流量、进浆和回浆比重等；每孔需作制浆与耗浆（水泥量）统计和记录。

喷浆管下沉到达设计深度后，停止钻进，旋转不停，喷射时，高压泥浆泵压力增到施工设计值（20MPa以上），坐底喷浆30s后，边喷浆，边旋转，水泥浆与桩端土充分搅拌后，再边喷浆边反向匀速旋转提升注浆管，提升速度为0.1m/min~0.2m/min，Φ500mm止水帷幕注浆范围向下范围为钻至不透水岩层，向上平均有效桩长约为11m。

5.6 冲洗

喷射施工完成后，应把注浆管等机具设备采用清水冲洗干净，防止凝固堵塞。管内、机内不得残存水泥浆。

5.7 补浆

高压喷灌结束后，在孔内水泥浆液固结过程中因体积收缩，同时孔内浆液仍向孔壁四周范围有一定渗漏，孔内浆液将出现一段时间的沉面下降，应不间断地将浆液回灌到已喷孔内，并保持压浆作用，直至孔内浆液面不再下沉为止。注浆完成以后需要间隔4h，等水泥浆全部终凝后才能开始下一步施工。

5.8 泄压

高压旋喷桩终凝过后，开始泄压，泄压的管线为机顶下部原有的注浆管道，打开注浆管道开关后开始泄压并观察压力表上的读数并记录，每10min记录一次，由于机头前端范围已密闭，泄压时间应该会很短，如果1h后压力一直未变化且无法查明原因时则需要关闭泄压管道，请设计、地勘、监理、甲方等现场商议解决办法（泄压过程中管道内部不能有人）。

5.8.1 刀盘重新启动流程

开仓清理刀盘完成后，需重新对刀盘内部的管线连接进行复检，复检合格后随即重新启动刀盘，流程如下：确认闸阀、蝶阀打开——开启泥水分离器——打开22kW进水泵将进水泵转速调至最小——再启动55kW排泥泵（全速）开始内循环——内循环出水正常后，开启后供水——直通阀进行后仓循环——后仓循环至不出渣且泥仓压力保持在0.07MPa~0.1MPa之间——开启前供水保持泥合压力在0.08MPa~0.1MPa之间——启动刀盘——电流稳定正常后——开始顶进。

5.8.2 泥浆压力控制

增加一台大功率注浆泵注入更高浓度膨润土泥浆，以减少地下水及流沙对泥浆浓度的影响，也可以保持泥仓的压力。并在机头进水口处增加蝶阀，在排水口处增加闸阀进一步保持泥仓压力。增加并联一台22kW进水泵，以加大供水量快速提高泥仓压力，并加快流速防止堵仓、堵管。在顶进过程中泥仓压力要略大于地下水与土压之和，本次地下水压力为0.05MPa，所以泥仓压力要控制在0.08MPa~0.1MPa之间，可以通过调节泥浆量来控制。对于不同的地层，泥浆浓度也不同，对与沙层，泥浆浓度控制在1∶1.2，卵石层泥浆浓度要达到1∶1.4。

5.8.3 顶进速度控制

顶进速度控制取决于两个参数，顶力和刀盘电流，顶力控制在管材和后靠背承受力的80%以内，本次机头的刀盘电流应控制在180A以内（因为在砂卵石层）。不同的地质情况刀盘电流控制也不同，在沙层中刀盘电流在120A~140A之间，卵石层在140A~180A之间，可从仪表盘上观察，通过控制顶进速度调整，小了加速，大了减速。

5.8.4 换管速度控制

换管速度快慢也是决定机械顶管成功与否的关键因素，在砂砾石层中换管时间过长，会直接导致泥浆压力在掌子面前端流失，从而导致堵管、卡钻。施工时需提前备管、并增加换管的人员，提高换管的速度，减少换管停止的时间，换管时间应控制在60min以内。

6 结束语

采用泥水平衡机械顶管施工技术在城区进行污水管网铺设，从目前来讲是大趋势，面对复杂多变的施工条件，前期地勘报告的准确性是直接决定该工艺成败的关键因素之一。其次，在施工前需提前预判施工过程中会遇到的各种风险，在风险不可控的情况下，可提前对机头进行改造，在机械顶管施工过程中持续对泥浆浓度、泥仓压力、刀盘电流、钻进速度等参数的监控与调整，保证施工过程的安全性、经济性、连续性，通过加强各施工环节管控，继而使工程施工质量得到保证。