何志蘭

(中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004)

1 工程概述

化龍凈水廠(汽車小鎮(zhèn)至廠區(qū)段)DN1800進水主干管工程，共新建污水主干管1120 m，管徑DN1800，主干管施工工藝采用頂管施工。主干管埋深為9.0～13.0 m。WS5～WS6為新建主干管中的其中一段，全長110 m，覆土厚度在9.5～10 m左右。

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)工程地質(zhì)測繪和勘探揭示，場地勘探范圍內(nèi)的地層主要由素填土、雜填土、粉細砂、粉質(zhì)黏土、強風化泥質(zhì)粉砂巖、淤泥、中風化泥質(zhì)粉砂巖、中風化花崗巖組成，本項目WS5～WS6頂管穿越地層順序如下。

(1)粉質(zhì)黏土：黃褐色～紅褐色，可塑～硬塑狀態(tài)，主要由粘性土及砂礫組成，粘性一般，干強度中等，韌性中等，局部含少量砂礫，約含10%～15%。層厚1.00～4.60 m，平均2.59 m，位于該頂管范圍橫剖面內(nèi)的中部位置[1]。

(2)強風化泥質(zhì)粉砂巖：褐紅色，裂隙極發(fā)育，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，層狀構(gòu)造，巖芯呈堅硬土狀、半巖半土狀，底部呈碎塊狀，敲擊聲啞，手扳可斷，局部強度偏中風化狀態(tài)，巖石堅硬程度整體屬極軟巖[2]。層厚0.40～10.30 m，該位置頂管范圍內(nèi)平均0.5～0.6 m，位于該頂管范圍橫剖面內(nèi)的前段下部位置，見補勘圖。

(3)粉細砂：灰黑～灰色，松散～稍密，飽和，砂質(zhì)不純凈，主要礦物成分為石英、長石，含少量淤泥，局部淤泥含量超30%，夾貝殼碎屑。層厚3.10～4.80 m，主要集中在洞口位置。

(4)淤泥：灰黑色，流塑狀態(tài)。含少量有機質(zhì)及腐殖質(zhì)，手捏粘滑，具腥臭味，含貝殼，局部夾薄層粉細砂[3]。

本次勘察期間測得鉆孔初見水位埋深0.38～2.06 m，標高4.84～6.70 m；穩(wěn)定水位埋深0.21～1.85 m，標高5.01～6.85 m(圖1)。

圖1 WS5～WS6地勘縱剖面

3 設(shè)備選型

根據(jù)設(shè)計圖紙及地質(zhì)勘探報告，結(jié)合本標段工程頂管穿越地質(zhì)情況，為保證頂管施工的安全及進度，因此，本工程選用泥水平衡施工工藝。由于本段大部分穿越地層為粉質(zhì)黏土及淤泥地層，采用泥水平衡頂管掘進機(平板機)是最適合的，但由于本段落前段約30 m內(nèi)管底局部有基巖出露，采用泥水平衡平板機不適用，所以采用泥水平衡巖石頂管掘進機，巖石頂管掘進機對各種地層具有良好的適應(yīng)性，采用滾刀和刮刀配置的方案，既能有效處理各種粉質(zhì)黏土、軟土層等[4]，又能適應(yīng)各種強風化、以及中微風化巖破碎的需要(表1)。

表1 頂管機型對比

選用的頂管機型號為HRC-1800B型，外徑2180 mm，驅(qū)動功率為30 kW×4，總長5250 mm，刀盤最大轉(zhuǎn)速為3.3 r/min，重量為34.1 t。配備了復合刀盤，共配備了14把滾刀(12寸)，其中4把中心單刃滾刀(12寸)，6把雙刃邊滾刀(12寸)，4把雙刃中心滾刀(12寸)，6把邊刮刀及12把中心刮刀。

4 施工過程中的頂進控制

頂管施工根據(jù)開挖斷面和開挖延伸方向上地層的組合的不同情況，分為幾種情況：一種是在垂直方向上不同地層的組合；一種是在水平方向上地層的不同組合；另一種是上述兩者兼而有之[5]。本項目WS5～WS6段符合垂直及水平方向兩者兼而有之的情況，屬于復合地層中的頂管施工，以下按照垂直地層斷面方向上進行分層，水平方向上進行分段進行頂管的頂進控制分析[5]。

4.1 洞口位置，粉細砂及粉質(zhì)黏土組合中的頂進控制

粉細砂地層屬第四系全新統(tǒng)沖積層，特點是在河床及河漫灘內(nèi)十分發(fā)育，滲透系數(shù)大，顆粒一般都是呈現(xiàn)粒狀，由于粉細砂中含有較少的細粒，且實際的砂土顆粒并不是類似于圓形，都是由大小不一的顆粒混雜，導致粉細砂出現(xiàn)一些較差的工程特性；而粉質(zhì)黏土為砂巖風化殘積而成，土質(zhì)均勻性較好，地基承載力較高，可作為管道基礎(chǔ)基礎(chǔ)持力層[6]。所以在頂管進出洞口時，很容易出現(xiàn)流砂、涌泥等現(xiàn)象(圖2)。

圖2 地質(zhì)縱剖面

針對這種情況可以采用一些有效措施來防止流砂、涌泥現(xiàn)象。

(1)管井降水法。在工作井出洞口一側(cè)，沿井壁打設(shè)降水井，將地下水降至洞口以下2～3 m，降水井深一般為洞口底深的2～3倍，由于本項目離建筑物較近，有地基沉降限制的要求，本項目不建議使用。

(2)土體預(yù)加固措施。本項目采用深層水泥攪拌樁將洞口處土體預(yù)先固結(jié)，具體參數(shù)為：樁徑Ф800@600水泥攪拌樁，水泥滲入量要求≥18%且水泥用量不小于155 kg/m，；采用強度等級42.5R普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.5～0.6，采用四攪兩噴工藝。打設(shè)的深度為管中心以上及以下各2 m范圍，寬度為軸線左右各2 m范圍，設(shè)置2排。為保證注漿質(zhì)量，實際注漿量一般都大于理論計算量[7]；另外，本項目水泥用量按155 kg/m控制，也可以增加水泥用量，加快周圍土體的固結(jié)。

(3)采用雙層橡膠止水密封圈。由于粉質(zhì)黏土有一定的可塑性，針對均一的粉質(zhì)黏土層，可采用單層環(huán)形橡膠止水圈加鋼質(zhì)壓板即可有效防止地下水和注漿漿液外流[8]。對于地下水位高，且粉質(zhì)黏土和粉細砂的組合地層，采用常規(guī)做法是不夠的。

(4)頂進參數(shù)。頂管機剛出洞時，頂進速度宜緩慢，由于頂管初出洞處于加固區(qū)域，為控制頂管頂進的軸線，頂進速率不宜過快，基本控制在10 mm/min。頂進過程中，同步向管外壁注入減阻泥漿，根據(jù)泥漿損失補充注漿。

4.2 粉質(zhì)黏土與強風化泥質(zhì)粉砂巖組合中的頂進控制

復合地層在垂直方向上的變化。最典型的就是所謂“上軟下硬”地層，即垂直斷面上部是軟土，下部是風化系數(shù)在0.4以上的巖石地層(圖3)。

圖3 地質(zhì)縱剖面

粉質(zhì)黏土與強風化泥質(zhì)砂巖組合地層的頂管施工容易存在以下問題：①由于底部為硬巖，刀具貫入巖面較困難，而上部為粉質(zhì)黏土，屬軟土范圍，刀具切削土層較容易，頂管機掘進時機頭的垂直姿態(tài)容易上抬；②刀盤在轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)速控制不當時，在軟硬交界的地方容易磕碰巖面，造成刀圈合金齒崩壞；③掘進速度減慢，極易造成超挖，地面沉降嚴重。

針對以上情況，可采取的措施如下。

4.2.1 “補勘”

補勘根據(jù)實際情況分為如下兩種。

(1)在設(shè)計勘察階段，通過調(diào)整頂管線路，避開這樣的“上軟下硬”地層。根據(jù)頂管技術(shù)規(guī)程規(guī)定，頂管勘察勘探孔間距根據(jù)場地類別來確定的，確定的勘探孔間距為一個范圍，一般的做法都是按該類場地最大間距來控制。而對于一些復雜地層來說(除一些特別說明的重要地段外)，該間距不能滿足要求，必須進行加密鉆孔。特別是巖層變化較大的部位，必須加密，這樣才能詳細的了解地層情況，便于制定合理的線路方案(表2)。

表2 頂管勘察勘探孔間距 m

(2)在工作井或者接收井施工階段，通過調(diào)整設(shè)備型號或者頂進方案，避免在頂進過程中出現(xiàn)問題。首先根據(jù)詳勘圖紙及現(xiàn)場沉井施做時頂管高程內(nèi)的巖層實際情況進行對比分析，如果與詳勘圖紙確實存在較大差異，如原來詳勘圖紙標識的為粉質(zhì)黏土層，而實際沉井施工的時候出露為強風化或者中風化巖層，就需對頂管沿線上可能出現(xiàn)的局部隆起或者整體基巖段進行加密補充勘察，詳細了解地層情況(圖4、5)。

圖4 補勘圖示意

圖5 BK02鉆孔芯樣

4.2.2 “處理”

對于這種“上軟下硬”地層處理的方法很多，有沖孔處理、新建豎井、爆破等，具體根據(jù)現(xiàn)場實際情況確定，本項目WS5～WS6段基巖出露的范圍較大，將近30 m范圍，且周邊有新建住宅區(qū)，采用新建豎井和爆破方案不可行。由于屬于局部基巖凸起，采用沖擊鉆成孔具備可行性，將處于巖石段的管段基礎(chǔ)處理完成后，就可采用普通泥水平衡機進行頂進[9]。雖然沖孔樁處理效果較好，處理后采用普通泥水平衡機對頂管施工基本無影響，但是處理效率較低且費用較高，本項目由于工期較緊，僅將該方案作為備選方案。

具體參數(shù)：雙排深12 m(管底超深1 m)灌注樁沿頂管線路對稱放置，樁徑1.5 m，橫排樁間距1.2 m，咬合30 cm，豎排樁間距1.4 m，咬合10 cm(圖6、7)。

圖6 布樁平面示意

4.2.3 頂管機的選擇及參數(shù)控制

正是由于本段落有局部基巖凸起的狀況，本項目選用了巖石頂管掘進機，巖石頂管掘進機對地層具有良好的適應(yīng)性，采用滾刀和刮刀合理配置的方案，既能有效處理各種粉質(zhì)黏土、軟土層等[10]，又能適應(yīng)各種強風化以及中、微風化巖破碎的需要。

為防止頂進速度過快而造成扭矩增大加快刀具磨損，或?qū)Φ貙釉斐奢^大的擾動，實際施工時采用低速度掘進。該頂管機在本項目WS2～WS1段同類型全斷面巖層中的正常頂進速度為8～10 mm/min，所以在本段上軟下硬段基本控制在5～7 mm/min的頂進速度。

圖7 樁位橫剖示意

在粉質(zhì)黏土與強風化泥質(zhì)粉砂巖組合地層中頂進時，粉質(zhì)黏土部分只需對掌子面進行切削即可破壞土層，而在下部強風化泥質(zhì)粉砂巖中，雖然整體巖石硬度不是很高，但是局部硬巖對刀盤的損傷還是較大。另外刀盤在轉(zhuǎn)動時，如轉(zhuǎn)速控制不當時，在軟硬交界的地方容易磕碰巖面，造成刀圈合金齒崩壞，所以在邊刀刀具選擇上，可選擇不帶合金齒的普通刀圈或者重型刀圈(二者區(qū)別在于重型刀圈相比普通刀圈，耐磨性提高約20%，但韌性稍差，可根據(jù)巖層情況選擇)，一方面可避免不均勻受力，導致刀圈合金齒崩壞；另一方面也可減少成本。在頂進過程中還應(yīng)適當降低刀盤轉(zhuǎn)速，刀盤轉(zhuǎn)速控制在0.8～1.0 r/min。

為避免頂管機頭在頂進的過程中機頭上抬，在進入該組合地層之前，通過控制頂進方向，刻意將機頭趨勢微調(diào)整為“低頭”趨勢。

另外由于掘進速度減慢，極易造成超挖，地面沉降嚴重，為了減少和防止地表沉降，在頂管機掘進過程中，要盡快在頂管機后管道外同步注入足量的漿液材料充填環(huán)形空隙并嚴格控制出土量。

注漿壓力是控制的重點，注漿壓力和注漿量是成正比關(guān)系，根據(jù)頂進速度計算漿液的注入方量，在理論方量滿足的情況下，嚴格控制壓力，注入壓力略高與刀盤前泥倉壓力。也就是說觸變泥漿的消耗量略大于地層損失的量，經(jīng)計算：

單節(jié)管節(jié)理論注漿量為：

V=2.5×3.14×(1.1×1.1-1.08×1.08)

=0.34 m3

本段頂管主要位于粉質(zhì)黏土層和強風化泥質(zhì)粉砂巖層，漿液實際壓注量一般為理論注漿量1.5～3倍，因此每頂進一節(jié)(2.5 m)壓漿量為：

V=0.34×(1.5～3)=0.51～1.02 m3

4.3 頂管機在粉質(zhì)黏土層與淤泥層中的頂進控制

粉質(zhì)黏土為砂巖風化殘積而成，具有遇水易軟化等特性，底部局部地段可能因地下水長期浸水而成可塑狀，土質(zhì)均勻性較好，地基承載力較高，可作為管道基礎(chǔ)基礎(chǔ)持力層。單一粉質(zhì)黏土地層頂進速率基本控制在10～15 mm/min。

而淤泥呈流塑狀，揭露厚度差異較大，且厚薄不一，分布不穩(wěn)定，特點主要表現(xiàn)為地基承載力低，含水量高，孔隙比大等特殊性能。受到震動時，土層結(jié)構(gòu)易受破壞。

巖石頂管機在淤泥層頂進過程中容易存在的問題：①巖石頂管機相對于平板頂管機的機頭重，在頂進過程中機頭容易“下栽”，導致糾偏困難；②淤泥地層會產(chǎn)生硫化氫(H2S)、甲烷(CH4)、一氧化碳(CO)等有毒有害氣體，有限空間作業(yè)增加了頂管施工時的風險系數(shù)，必須采取一定措施，保證施工安全。

針對以上情況，可采取以下措施。

4.3.1 增加機頭連接管

將機頭與管節(jié)接口處進行硬連接，連接點位一般為3、9、12點鐘3個部位連接。并將前3節(jié)管與管之間進行相同方式連接。使機頭與前段管節(jié)形成一個整體，減小機頭叩頭擺動幅度，并可以有效的控制機頭的仰俯角和旋轉(zhuǎn)角度。

4.3.2 控制頂進速率

因為淤泥地層呈流塑狀，揭露厚度差異較大，且厚薄不一，分布不穩(wěn)定，地基承載力低，頂進速率過慢，會導致機頭“下栽”趨勢明顯且不易糾偏；頂進速率過快，會造成刀盤貫入度太大，刀盤被“糊”住，導致頂力增大，刀盤電流激增。一般頂進速率基本控制在20～30 mm/min。

4.3.3 加強有限空間作業(yè)管理

(1)24 h專人不間斷多點監(jiān)測控制。由于頂管掘進機本身不防爆且頂管施工本身屬于有限空間作業(yè)，即使少量氣體進入管道，其濃度也會上升到爆炸范圍。對于重點部位，如機倉內(nèi)，采用固定式氣體監(jiān)測系統(tǒng)進行實時監(jiān)測。管道內(nèi)及井口位置可采用便攜式氣體檢測儀進行監(jiān)測。

(2)應(yīng)急物資配備完好。有限空間作業(yè)必須配備的空氣呼吸器、便攜式氣體檢測儀、有毒有害氣體防護面罩、安全帶、安全繩，防護服、防水防爆照明燈具、應(yīng)急消防器材等配備到位，并確保能夠正常使用。

(3)加強通風及明火管制。控制可燃氣體濃度是防止可燃氣體爆燃的主要措施之一，便攜式氣體檢測儀有毒有害氣體一般正常設(shè)置的低報值為20%LEL，而甲烷的LEL值為5%(LEL指爆炸下限)，即只要把洞內(nèi)甲烷濃度控制在1%以下，使其在安全的范圍之內(nèi)。采用2臺7.5 kW的軸流風機(1用1備)，下井作業(yè)前，必須保證通風1 h以上；為加強井下明火管制措施，嚴禁井下吸煙和使用火柴、打火機、電氣焊等點火物品與作業(yè)。

(4)頂進過程中的開倉作業(yè)。①作業(yè)前，關(guān)閉機頭電源，機頭停電冷卻后，方可下井開倉；②下井前，通風、氣體檢測合格，保證頂管內(nèi)的氧氣濃度不低于20.9%，CO、NO2、SO2等有毒氣體濃度不超規(guī)范值；③下井前，通訊、監(jiān)控設(shè)備齊全，進入作業(yè)場所前，作業(yè)人員與監(jiān)護人員應(yīng)事先規(guī)定明確的聯(lián)絡(luò)信號，當發(fā)生異常情況時，必須立即停止作業(yè)，迅速離開作業(yè)現(xiàn)場；④有限空間作業(yè)還應(yīng)履行申報審批手續(xù)，填寫“有限空間作業(yè)(作業(yè)票)安全審批表”經(jīng)相關(guān)人員批準后，方可進入作業(yè)。

5 結(jié)語

(1)頂管施工地勘的詳細情況直接影響到整個頂管工程的施工順利與否，所以必須盡量在設(shè)計勘察階段就能詳細的了解地層情況，以至于在線路規(guī)劃時，避開一些不利地層；同樣，詳細的地勘對設(shè)備的精確選型提供了條件。

(2)針對這種復雜地層組合中采用泥水平衡法施工，不同地層或者地層組合應(yīng)采用不同的頂進參數(shù)，保證頂進的效果。

(3)針對水平方向上長距離巖石頂管與淤泥質(zhì)、粉細黏土組合地層施工時，必須引起足夠重視。一方面，由于巖石頂管機的開孔率相對于普通泥水平衡機會小很多，頂管機由硬到軟的地層時，頂管機姿態(tài)的調(diào)整及頂進的控制就變得尤為重要；另一方面，由于淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土與粉細砂地層中含有大量貝殼、植物等有機物，存在可燃氣體的可能，增加了頂管施工時的風險系數(shù)，必須采取一定措施，保證施工安全。

基于此，本文對復合地層頂管穿越粉細砂、粉質(zhì)黏土地層組合以及上軟下硬地層等復雜地層施工技術(shù)與控制措施作出的一系列分析，對頂管施工具有一定的參考意義。