复杂地质条件下长距离大口径顶管施工技术

梁其东，马 阔

（1.日照市水务集团有限公司，山东 日照 276800；2.山东省水利工程局，山东 济南 250014）

日照市沭水东调钢筋混凝土管道顶进工程共有4个顶程，共计长2395m。管材为钢承口式钢筋混凝土管，采用“F“型钢承口式钢筋混凝土管，钢套环接口，楔型+半圆型两道橡胶圈密封。项目主要工程内容如表1。

表1 顶管主要工程内容

1 顶管设备的选择

根据工程地质条件确定顶管设备的类型和施工工法，同时，设备的选择也是工程施工成功的关键。

1.1 工程顶管穿越主要土层特性

Ⅵ-③层：黏土（Q4alp），灰褐、黄褐色，可塑，切面较光滑，夹砂粒、小砾石。该层分布广泛，层厚一般 1.50～4.30m，层底高程 103.40～116.65m。

Ⅵ-④层：含砂黏土（Q3alp），黄色、褐黄色杂黑斑、白斑，可塑-硬可塑。该层分布于设计桩号1+100～3+300段，该层局部未揭穿，层厚一般3.10～14.90m，层底高程 97.20～103.30m。

Ⅳ-⑤层：砺质粗砂（Q3alp），黄色、浅黄色，稍密，饱和。该层分布于设计桩号0+000～2+480段，该层未揭穿，控制最大层厚一般9.10m，最大控制层底高程94.50m。

Ⅳ-⑥层：碎石土（Q3alp），褐色、黄褐色，上部夹大量风化岩碎屑（呈粗砂颗粒状，少量碎块状），中下部夹大量碎石和风化岩碎块。该层分布于设计桩号3+000～4+000段，最大揭露厚度21.90m，最大控制底高程94.75m。

1.2 选择顶管掘进机

本工程采取两台大刀盘泥水平衡顶管法施工，一台型号为TNPD3500泥水平衡顶管机，另一台为NPD3500泥水平衡（卵石）顶管机。

泥水平衡顶管掘进机是通过胸板前密封舱内护壁泥浆平衡正面土压，以泥水平衡自动控制土压力。与其它类型顶管设备相比，泥水平衡顶管掘进机具有平衡效果好，施工速度快、对土质适应性强、土体沉降控制好等特点，施工过程中地表最大沉降量可控制在20mm以内，每天顶进速度可达20m以上。它采用地面遥控操作，操作人员不必进入管道。

2 注浆减摩技术

2.1 浆液配置技术

本顶管上游临近老河床出洞时的300m范围内为砂性土，含水量高、渗透性强，因此要求该段的浆液黏度要高、失水量要小，对土层能起一定的支承作用，在顶管出洞后，使管节周围能迅速形成泥浆环套。当顶程在200～600m时，顶管掘进机处于全断面黏土层中顶进，不仅土层渗透性小，且压浆环套较易形成，此时要求浆液以起润滑作用为主。在顶进4-6号井时，此段处于破碎岩石地质，采用易固结性浆液。

2.2 注浆系统

顶管注浆系统分为机头同步注浆和管道补浆。机头同步注浆由地面液压注浆泵通过Φ50管路压送到机头处储箱内，再由螺杆泵定量压入机头壳体外，在机头处应安装隔膜式压力表，以检验浆液是否到达指定位置，在所有注浆孔内要设置单向阀和球阀，软管和接头的耐压力5MPa，支管通径为Φ25。在整个管道中每间隔4节管子设1处补浆断面共6个注浆孔，补浆由总管（Φ50）压送至各补浆断面上的注浆孔。补浆应按顺序依次进行，每班不少于2次循环，定量压注。

2.3 减摩注浆技术

减阻泥浆的拌浆要严格按操作规程进行，催化剂，化学添加剂等要搅拌均匀，膨润土加入后要充分搅拌，使其充分水化。泥浆拌好后，放置一定的时间才能使用。压浆是通过储蓄池处的压浆泵将泥浆压至管道内的压浆总管，然后经由压浆孔压至管壁外，施工中，在压浆泵，工具管尾部等处装有压力表，便于观察，控制和调整压浆压力。在压浆支管处的浆液压力一般应控制略高于土体静止土压力。

顶进施工中，减阻泥浆的用量主要取决于管道周围空隙的大小及周围土层的特征，一般按管壁空隙的3cm计算理论压浆量，由于泥浆的流失及地下水的作用，泥浆的实际用量要比理论用量大得多，一般可达理论值的3～5倍，但在施工中根据土质情况、顶进情况而定。

3 顶管施工技术

3.1 总推力估算及中继间设置

本标段顶管施工中顶管管径为Ф3500，管材允许顶力15000kN，2#顶管工作井后靠背的设计允许顶力为30000kN，4#工作井后靠背的设计允许顶力为45000kN。具体计算值详见表2。

根据设计图纸顶管管节所能承受的最大顶力为15000kN，因此需设置中继间，中继间所承受顶力不大于设计规定允许值的F0=15000kN，也不得大于工作井允许承受的顶力。中缝间布置数量见表3。

表2 顶力计算表

表3 中继间布置汇总表

N=（F-F0）/F0

N为中继间个数（取整数）；F为总顶力。

3.2 初始顶进

顶管机初始顶进是顶管施工的关键环节之一，其主要内容包括：出洞口前地层降水和土体加固、设置顶管机始发基座、顶管机组装就位调试、安装密封胀圈、顶管机试运转，拆除洞临时墙、顶管机机贯入作业面加压和顶进等。

1）试顶。顶管机在出洞后顶进的前20m作为顶进试验段。通过试验段顶进熟练掌握顶管机在本工程地层中的操作方法、顶管机推进各项参数的调节控制方法：熟练掌握触变泥浆注浆工艺：测试地表隆陷、地中位移等，并据此及时详细分析在不同地层中各种推进参数条件下的地层位移规律和结构受力状况，以及施工对地面环境的影响，并及时反馈调整施工参数，确保全段顶管安全顺利施工。

2）顶进主要参数。在顶管机顶进中，泥浆的压力、浓度对保持挖掘面的稳定性起着关键作用。泥浆浓度根据土质变化及时调整。泥水舱泥浆压力取决与地下水、土压力，施工过程及时测得数据，确定泥水压力，使泥水舱压力始终大于水压力。

泥水初定参数：顶进速度：20mm/min；泥水密度：1.15t/m3；泥水舱压力：p=0.1～0.2MPa（根据实际地质情况动态优化控制）。

顶进速度：机头顶进速度设定20mm/min。如要加大顶进速度，在保证泥水舱泥压的条件下，要先加大泥浆流量，再计算顶进速度，否则排泥管会堵塞。

3）顶管机偏差控制。顶管机向前顶进的反力，由工作井后靠背提供。刀盘切削土体的扭矩要是由顶管机壳与土层之间的摩擦力矩来平衡。当摩擦力矩无法平衡刀盘切削土体产生的扭矩时顶管机将形成滚动偏差。过大的滚动会影响测量板、纠偏油缸、螺旋出土机偏离正常位置，造成测量、纠偏及出土困难，对顶管轴线偏斜也有一定影响。引起方向偏差的原因，并及时对顶管机的偏差进行监测。

4）顶管机偏差调整。①滚动纠偏。由于刀盘正反向均可以出土，因此通过反转顶管机刀盘，就可以纠正滚动偏差。允许滚动偏差小于等于1.50时顶管机自动控制系统会报警，提示操作者切换刀盘旋转方向，进行反转纠偏。②竖直方向纠偏。控制顶进方向的主要方法时改变单侧纠偏油缸行程。但它与顶管机偏差变化量间的关系没有固定规律，需要靠人的经验灵活掌握。当顶管机出现下俯时，可加大下侧纠偏油缸行程，当顶管机出现上仰时，可加大纠偏油缸行程，来进行纠偏。③水平方向纠偏。与竖直方向纠偏的原理一样，左偏时加大左侧纠偏油缸行程，右偏时则加大右侧纠偏油缸行程。

4 其它技术措施

工作井洞口止水装置应确保良好的止水效果。根据设计，我们安装两道工作井洞口止水装置。该装置必须与导轨上的管道保持同心，误差应小于2mm。在橡胶止水法兰之前应预埋注浆管，以便压注膨润土泥浆。顶管出洞口采用高压旋喷桩地基加固法，顶管进出洞口高压旋喷桩加固措施是施工成败的关键。

[1] 徐前卫.盾构施工参数的地层适应性模型试验及其理论研究[D].上海:同济大学硕士学位论文,2006.