劉 偉

科技創(chuàng)新

復(fù)雜地質(zhì)條件下超長距離大口徑 泥水平衡巖石頂管施工技術(shù)綜合研究

劉 偉

以青島市黃水東調(diào)承接工程為例，分析介紹復(fù)雜地質(zhì)條件下，超長距離大口徑泥水平衡巖石頂管施工難點(diǎn)、施工工藝，為類似工程建設(shè)提供借鑒。

地質(zhì)條件；施工難點(diǎn)；處理措施

頂管法施工是一種管道需要穿越鐵路、公路、河流或建筑物等時(shí)的一種施工方法。采用該技術(shù)施工，能節(jié)約征地拆遷費(fèi)用，減少環(huán)境污染和道路堵塞，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益，因此目前得到廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)結(jié)合青島市黃水東調(diào)穿越大沽河段施工案例，介紹分析復(fù)雜地質(zhì)條件下，超長距離大口徑泥水平衡巖石頂管施工工藝。

1.工程概述

項(xiàng)目青島市黃水東調(diào)承接工程施工（膠州段）5標(biāo)段位于青島市膠州市境內(nèi)，全線長1170m（樁號8+850—10+020），其中穿越大沽河頂管施工1115m，設(shè)計(jì)頂管為DN2800鋼筋混凝土管，內(nèi)套DN2200涂塑復(fù)合鋼管，頂管兩端設(shè)工作井1座，接收井1座，穿河槽段套管埋深3m～10m。根據(jù)地勘資料，該段地層主要為沖洪積壤土、黏性土、砂性土、砂巖及泥質(zhì)粉砂巖，管道穿越施工部位地層以強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖及弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖為主，局部部位存在砂性土、泥巖夾層。河道常年有水，水深約7m，河道中心部位覆蓋層為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和淤泥，厚度較薄，透水性較強(qiáng)。

2.設(shè)備選型

此項(xiàng)目由于頂管口徑大于1.5m并且頂管長度大于300m屬于超長距離大口徑頂管施工。根據(jù)《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》頂管機(jī)的選型要求，頂管機(jī)的選擇應(yīng)根據(jù)管道穿越地層的物理力學(xué)特性、有無地下水、是否存在有毒氣體、地下障礙情況和需要保護(hù)的構(gòu)筑物等因素進(jìn)行比選，采用泥水平衡巖石頂管機(jī)。此類機(jī)型適用于強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化沉積巖，小于一定強(qiáng)度的Ⅳ類圍巖。巖石頂管機(jī)具有刀盤易保養(yǎng)，耐磨性較強(qiáng)，頂進(jìn)速度快，但由于其刀盤開口較大，對軟弱地層適應(yīng)性較差。

3.施工難點(diǎn)分析

3.1 地下水水壓大，出入洞口止水困難

頂管機(jī)出入洞位置均需設(shè)置穿墻套管用于洞口止水，洞口止水貫穿頂管的整個(gè)過程，特別是在高水壓、大滲透性的土層中，洞口止水是整個(gè)頂管成功與否的關(guān)鍵因素，輕者引起頂管頂力增加、管道在頂管井井口沉降、錯(cuò)位，嚴(yán)重時(shí)漏水控制不住，淹沒頂管井，引起頂管失敗。

此工程地下水豐富，水壓大，且局部管頂上方無硬覆蓋層，處于砂與強(qiáng)風(fēng)化巖層交界處，管壁外側(cè)水受大沽河水位影響大，造成止水困難。

3.2 穿越含礫粗砂層，易液化形成流砂

項(xiàng)目存在穿越砂層地段，其為含礫粗砂。由于巖石頂管機(jī)刀盤開口率較大，在頂進(jìn)施工過程中，砂層在刀盤的擾動下，易液化，形成流砂，出料增多，容易形成空腔，地層下沉，導(dǎo)致地面沉降；且砂容易堆積在管外壁，隨著管道頂進(jìn)導(dǎo)致管外壁摩擦力增大，最終抱死，形成砂抱現(xiàn)象，造成頂進(jìn)失敗。

表1 參數(shù)優(yōu)化對比表

3.3 穿越泥巖層，易粘結(jié)刀盤等推進(jìn)難度大

由于巖石頂管機(jī)刀盤開口率較大，擾動較大，在穿越泥巖層時(shí)，該類地層黏土含量大，在后部頂力的作用下可流入料倉，但其粘結(jié)性、吸附性強(qiáng)，采用清水沖刷無法全部排出，容易造成粘結(jié)刀盤、粘結(jié)料倉、頂力驟增等現(xiàn)象，對持續(xù)頂進(jìn)具有一定程度的影響。

3.4 局部管頂覆蓋層較薄，易出現(xiàn)頂管上升甚至冒頂

根據(jù)《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》（CECS-246-2008）中要求的“穿越江河水底時(shí)，覆蓋層最小厚度不宜小于外徑的1.5倍，且不宜小于2.5m”。

工程頂進(jìn)混凝土管外徑3.3m，按技術(shù)規(guī)程要求，管頂覆蓋層厚度不宜小于4.95m。根據(jù)地質(zhì)地勘報(bào)告，K9+230-K9+370段和K9+570-K9+680段強(qiáng)風(fēng)化巖石覆蓋層厚度約2m，將淤泥質(zhì)土層厚度計(jì)算在內(nèi)才接近技術(shù)規(guī)程要求。

頂管在頂進(jìn)過程中由于覆蓋層薄、壓力小，頂管機(jī)頭容易出現(xiàn)上升現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)冒頂。

4.施工處理措施

4.1 洞口止水

洞口止水在通常情況下，穿墻管止水裝置主要有2種型式：盤根止水穿墻管構(gòu)造和單層橡膠板止水穿墻管。本項(xiàng)目根據(jù)工程實(shí)際情況，結(jié)合上述2種止水方式優(yōu)缺點(diǎn)，創(chuàng)新采取雙層橡膠止水加壓板的組合進(jìn)行洞口止水。采用22mm鋼板制作雙層壓板及套筒，間距20cm，洞口位置設(shè)雙道2cm厚橡膠止水帶，同時(shí)井壁預(yù)留注漿管，在進(jìn)洞和頂進(jìn)過程中注入觸變泥漿，填充頂管管節(jié)和套筒之間的空隙，減少井外水力梯度的影響。頂管井洞口止水俯視圖見圖1。

圖1 頂管井洞口止水俯視圖

4.2 砂層加固

項(xiàng)目施工在頂進(jìn)200m處，遭遇砂層，繼續(xù)頂進(jìn)2.5m后仍為砂層，且地面出現(xiàn)沉降。經(jīng)停工后詳勘，砂層段長110m，厚度約9m，粒徑較粗，透水性強(qiáng)，持續(xù)頂進(jìn)易造成地面大范圍沉降、塌陷，極易形成砂抱，引起頂力驟增，由于剩余管線距離較長，繼續(xù)頂進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)較大，影響頂管成功貫通。

經(jīng)論證分析在砂層段采用高壓旋噴樁進(jìn)行固化加固，加固范圍為軸線兩側(cè)4.55m(頂進(jìn)套管半徑1.65m),其中軸線至外側(cè)3.15m處，設(shè)計(jì)樁徑1.2m，樁間距0.85m，軸線外側(cè)3.15m～4.55m范圍設(shè)計(jì)樁徑0.8m，樁間距0.6m。高壓旋噴樁梅花形布置分序跳孔施工。

同時(shí)為避免高壓旋噴對頂管造成影響，機(jī)頭及機(jī)頭后方砂層區(qū)域內(nèi)高壓旋噴樁底高程距離混凝土套管頂部1.3m，兩側(cè)距混凝土管1.5m。

4.3 泥巖層技術(shù)處理

項(xiàng)目在頂進(jìn)施工過程中穿越泥巖層時(shí)，現(xiàn)場出料為灰白色，呈黏泥狀，且每米進(jìn)尺出料量小于正常頂進(jìn)時(shí)的出料量，頂進(jìn)速度驟減，頂進(jìn)壓力增大，無法繼續(xù)頂進(jìn)。開倉檢查后發(fā)現(xiàn)料倉已被堵滿，循環(huán)泥漿無法將其全部排出。

最初采用人工清理的方式將泥料清除后繼續(xù)頂進(jìn)，但這種清理方式費(fèi)工費(fèi)時(shí)，影響施工速度，后通過研究分析，采取了以下幾種技術(shù)措施，避免黏泥對料倉、刀盤的影響，無需重復(fù)清理，加快速度，提高頂進(jìn)效率，最終順利穿越。

一是刀盤增設(shè)硬合金研磨刀片，對固結(jié)泥塊進(jìn)行破碎；二是料倉增加高壓注漿管（1～1.5MPa），高壓噴水沖洗料倉，減少泥巖粘結(jié)；三是分級沉淀。此項(xiàng)目出料采用泥水分離裝置進(jìn)行料、水分離。在頂進(jìn)泥巖過程中分離后泥漿池水含泥量較大，潤滑性高不利于帶出泥料，且無法直接循環(huán)使用。因此采取增加兩個(gè)泥漿池，進(jìn)行分級沉淀凈化，提高重復(fù)利用率；四是調(diào)整頂進(jìn)參數(shù)。刀盤轉(zhuǎn)速控制在1.4～1.8r/min，頂進(jìn)速度控制在0.8～1cm/min，注漿量控制在10～20m3/m。

4.4 穿越薄覆蓋層參數(shù)優(yōu)化

4.4.1觸變泥漿

觸變泥漿采用膨潤土泥漿，在混凝土管節(jié)上預(yù)留4～5個(gè)注漿孔，注漿孔均勻地分布于管道周圍，注漿孔內(nèi)部設(shè)置龍頭控制閥門，防止?jié){液反流，外部設(shè)置單向閥。地表攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌后將攪拌好的所述觸變泥漿放入儲漿桶，漿液靜置12～24h，儲漿桶連接到注漿泵，注漿泵的另一端連接主管，主管與各個(gè)支管連接，支管與各注漿孔的龍頭控制閥門連接后，進(jìn)行注漿。

穿越薄覆蓋層時(shí)，對觸變泥漿液配合比進(jìn)行調(diào)整，提升其潤滑度，增大泥漿濃度，使其更快形成泥漿套。將觸變泥漿液比重控制在1.15～1.3之間為宜。

4.4.2其他參數(shù)優(yōu)化控制

穿越薄覆蓋層時(shí)在觸變泥漿配比優(yōu)化同時(shí)要在頂進(jìn)過程中對各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化控制，主要為減少刀盤轉(zhuǎn)速，降低頂進(jìn)速度，增大注漿量，減少穿越薄覆蓋層段的頂進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)。參數(shù)優(yōu)化對比表見表1。

5.結(jié)語

頂管技術(shù)在我國已得到大量的實(shí)際工程應(yīng)用，且保持高速增長態(tài)勢，無論在技術(shù)上、頂管設(shè)備上還是施工工藝上均取得很大成就，但在復(fù)雜地質(zhì)條件下，超長距離大口徑頂管施工，采用泥水平衡巖石頂管施工的研究較少，項(xiàng)目通過探索洞口止水、砂層加固、泥巖技術(shù)處理、薄覆蓋層參數(shù)優(yōu)化等措施，為以后同類工程建設(shè)提供了參考。

2022-03-28

劉 偉，男，漢族，河北省水利工程局集團(tuán)有限公司，高級工程師。