穿越海底粘土和孤石复合地层的顶管技术

摘 要：穿越海底粘土和孤石复合地层的顶管在国内的施工经验较少，对施工过程中的各项关键技术要求比较高。本文所述为过海段顶管工程。在海上处理沿线孤石存在极大的风险，该工程经过对关键技术的优化应用解决了海上处理孤石的风险。

关键词：顶管；海底；复合地层文章编号：2095-4085（2024）02-0105-03

1 工程概况

厦门翔安新机场片区地下综合管廊PPP工程过海段顶管工程全长708m，断面为外径3.6m的钢筋混凝土管，分市政舱和电力舱双线，管位处于海底20m深，从大嶝侧按0.3%纵坡向翔安东路侧顶进，主要地质为全风化层、残积砂质粘性土层及粉质粘土层。

2 地质勘察

采取CT探测技术［1］对海底地质进行勘察，弥补了地质钻孔在探测精度及范围的不足；通过三维重建，可以取得地下构筑物精准定位。根据探测出的地质特性，可提前优化施工方案，选定施工机型设备，减少排障对周围构筑物的影响。本工程顶管探测出顶管轴线上共计48处孤石，其中市政舱30处，电力舱18处。

3 顶管机选型与优化

结合CT探测技术测得的地堪资料，对顶管机进行优化设计。

（1）刀盘刀具布置采用高强破岩滚刀、破岩撕裂刀、顶土刮刀交替设置，有效应对黏土和孤石复合地层。

（2）增大刀盘开口率，本项目刀盘开孔率为25%。

（3）针对此地层局部岩石硬度较高，动力系统设计为大转速比，增强扭矩，增加机头稳定性。

（4）刀盘采用整板开洞，顶管机分二次破碎，刀盘滚刀第一次破碎，喇叭口二次破碎；格栅开孔为45×65，以应对土层时排泥阻力大的缺陷。

（5）在泥仓增设2根2寸水路冲水，防止刀盘结泥，增大扭矩。

4 泥浆管排障器设计

顶管在顶进过程中遇到破碎后的孤石，经常在泥浆泵巨大抽吸力的作用下会把比较大的碎石抽进泵管内部，而导致泵壳损坏和堵管的情况，本工程在顶管顶进过程中出现过几次类似的情况。经过多次的研究和实践，在机头管和泵管之间设置一个缓冲器，可以有效的解决堵管和泵壳损坏的现象。

缓冲器采用钢板焊接的正方体，尺寸大小根据现场实际设置，正方体钢板的前面和后面开孔连接机头管和泵管；在机头管和泵管中间连接一个钢丝软管，钢丝软管的作用为降低巨大的碎石冲击力；在钢板箱每水平设置一道钢筋过滤网，把碎石过滤在钢筋网上，防止碎石进入泵管内；在钢箱的顶部开一个淘渣孔，在钢箱堆积比较多碎石时停机淘渣（见图1）。

5 机头管设计

顶管顶进的反力主要由千斤顶提供，刀盘在切削土体的扭矩主要由顶管机壳体与周围土体摩擦力形成的摩擦力距来平衡。在顶进切削土体的过程中，如果周围土质稳定性比较好，那么摩擦力距可以平衡刀盘切削土体所带来的扭矩；当土体稳定性不好时摩擦力距无法平衡刀盘切削土体所带来的扭矩，容易使机头产生自转，带动管节转动，造成轴线的偏位。本工程在管节制作时预先在管节相应位置预埋15cm×15cm钢板作为机头管，然后采用圆钢进行管节跟机头设备之间的铰接，形成一个整体，增大摩擦力矩（见图2）。

6 触变泥浆配合比设计

本项目是过海顶管，必须对海水进行化学成分分析，确定触变泥浆的配合比。对海水样本分析测试结果为：海水盐度1.87%；湿筛余量（+75um）2.87%；漏斗粘度30.2s；滤失量20.5ml；pH值9.8；胶体率100%。根据海水样本分析结果，对膨润土（高粘性）进行配比设计：（1）纯海水配浆：膨润土与海水比例为10∶100，抗盐添加剂一方水加2.0kg。（2）自来水配浆：膨润土与水比例为8∶100，抗盐添加剂一方水添加200～400g，可以保证膨润土浆在海水环境下保持性能。

通过对比分析，本项目采用第二种配比，可降低对注浆设备的腐蚀程度，同时节约材料的用量，提高经济效益。

7 中继间布置间距设计［2］

为了防止遇到土质突然变化和其他的不测，基坑主顶实际推力达到最大设计值的50%时，安装第一个中继间，顶管机后的第1个中继间应提前安放，须留有较大的余地。当基坑主顶的实际推力达到最大设计值的60%时，需启用第一个中继间。第二台以后的中继间安放的时机是：每当基坑主顶实际推力达到最大设计值的70%时，须安放一个中继间。每当基坑主顶的实际推力达到最大设计值的80%时，须启用该中继间。

所以第一个中继间安放位置为：

0.5F=μπDL1+F0

F0=π4D2γsHsKp

Kp=tan245°+φ2

γs取18.5（取土层中最大的残积土容重）；φ取28°（取土层中最大的残积土内摩擦角）；μ取25kPa（取土层中最大的残积土单位摩阻力），在使用触变泥浆后实际取得的摩阻力为3.95kPa。

由上式可得：在未使用触变泥浆时L1=21.02m；在使用触变泥浆时L1=133.04m。综合考虑后，本项目的第一个中继间在63m处安放。

最后一个中继间安放的位置为：

Lz=FμπD=17 0003.95×3.14×3.6=380.73m；

中间中继间安放的位置为：

L=0.7FμπD=0.7×17 0003.95×3.14×3.6=266.51m；

那么，708m的顶管所需的中继间为：

n=（708-21.02-380.73）÷266.51+1=2.95。

根据以上综合验算，708m顶管所需中继间个数为3个，本项目根据项目地质实际考虑确保顶进顺利，第一个中继间安放的位置为63m处，第二个中继间在278m处，第三个中继间在493m处。

8 轴线监测

本项目长距离顶管［3］前300m采用激光测量监测顶管轴线及高程的偏差，在工作井内安装激光经纬仪，按照管线设计的坡度和方向调整好激光经纬仪，同时在机头内装接收靶，如果顶进管道与设计坡度一致，那么激光点直射靶心，如果偏离靶心就需纠偏（见图3）。

本项目顶进300m后采用激光定向和管内建立相对坐标来监测顶管的顶进轴线，此方法必须在停止顶进时监测。

运用架设于工作井内的激光经纬仪，在有效的激光发射范围内管底投放量点分别为A、B及管口第一节管C点，两点的距离为L1，两点的距离不少于100m，管口C点的高程可以根据工作井内标准点高程测出，然后运用水准仪以C点为已知点测出A、B两点的实际高程Ha、Hb（如图4）。

管道内B点上架设全站仪，A点上架设棱镜，首先用全站仪测量出A、B两点间的距离L1，建立相对坐标，设定A为原点，顶管轴线方向为X轴，垂直于轴线方向为Y轴，则如图5所示A点坐标为（0，0，Ha），B点的坐标为（L1、0，Hb），在管内B点测站点架设全站仪，A点为后视点架设棱镜，同时用钢卷尺量出全站仪和棱镜高度，在全站仪测量模式下对应输入A、B两点的坐标及相应的仪器和棱镜高，测量定向后，在机头靶心的位置放置棱镜，并量出棱镜的相对高度，测量采集出D点的坐标（L2、y、Hc）（如图5）。

根据A、B、D点的坐标值和各点间的距离结合轴线设计坡度就可以计算出顶管轴线的偏差值，根据偏差值进行顶管轴线的纠偏（见图6）。

9 结语

本工法应用通过对地质探测技术、顶管机选型优化、顶进施工过程的方案优化设计，降低了顶管机在长距离海底黏土和孤石复合地层顶进施工风险。

顶管施工是一项技术要求高，施工难度大的工程。在顶管施工前期需要做充分的方案研究与论证，对顶管施工过程中可能遇到的风险进行分析研究，提前排障，以确保工程的顺利进行。

参考文献：

［1］钟宇，陈健，闵弘，等.跨孔声波CT技术在花岗岩球状风化体探测中的应用［J］.岩土力学与工程学报，2017，36（S1）：3440-3447.

［2］葛春辉.顶管工程设计与施工［M］.中国建筑工业出版社，2011.9.

［3］李晓磊.土压平衡法在大管径、长距离顶管中技术控制［J］.《城市建设理论研究（电子版）》，2015（29）：1735.

作者简介：钟焕富（1986—），男，汉族，福建厦门人，大学，工程师。研究方向：工程施工。