搜索 123深厚富水砂层地区大直径钢顶管施工关键技术 海南师范大学学报安关峰; 王谭
【期刊名称】《《特种结构》》
【年(卷),期】2019(036)005
【总页数】6页(P114-119)
【关键词】富水砂层; 顶管; 进出洞; 工作井; 止水技术; 钢管焊接 【作 者】安关峰; 王谭
【作者单位】广州市市政集团有限公司 510060
唐宋诗词之最【正文语种】中 文
引言
随着现代化城市的快速发展，城市建设用地日趋紧张，愈来愈多的市政公共设施只能转入地下进行开发建设，顶管技术作为一种非开挖地下管道铺设的施工技术，近年来得到了快速发展[1-3]。 然而，在施工过程中，顶管段不可避免地会穿越富水深厚砂层、全风化泥岩、上软下硬等不利地层。 一方面给顶管施工带来了难度，另一方面造成顶管工作井及进出洞口涌水涌沙，导致地面塌陷，带来严重的经济损失与不良的社会影响[4-6]。
石井河上游截污渠箱工程是贯彻执行广东省政府《南粤水更清行动计划(2013 -2020 年)》，为提高广州市白云区石井河上游(均禾涌、夏茅涌)区域的污水和初雨收集率的重点项目。 工程包括夏茅涌截污管渠、均禾涌截污管渠、进厂总管和尾水排放管等4 个子项。 管渠长度合计18.2km，入流设施 18 座，截污闸 16 座。 本文将结合石井河上游截污渠箱工程中的顶管施工，针对富水砂层、上软下硬地层中顶管工程的施工关键技术进行分析，重点探讨了顶管设备选型、工作井止水、顶管进出洞止水、顶进测量纠偏以及管节焊接技术等，并提出相应的解决方案。 1 工程概况
石井河上游截污渠箱工程顶管施工分为F、H、I、J、P 线 5 个标段，约 9.2km。 图 1 中 F
线长度917m，H、I 截污管长 2050m，J 线进厂总管长2050m，P 线尾水排放管长为 2032m，J、P线两区段顶管平行分布，为双层顶管。 管材采用DN2200 钢管、DN3000 钢管以及 DN3600 钢套管内衬DN3000 钢管三种类型，工程采用泥水平衡机械顶管施工。
图1 顶管沿线平面布置Fig.1 The diagram of the pipe du ct
顶管所在场地的土层主要为素填土＜1 -0 ＞、粉质粘土 ＜1-3 ＞、粉砂 ＜1-4 ＞、中砂 ＜1-5 ＞、砾砂 ＜1 -6 ＞ 、强风化泥岩 ＜3 -2 ＞ 、中风化泥岩＜3 -3a ＞，各土层的物理力学参数见表1。 由于场地内砂层平均厚度约4m ～12m，地下含水量丰富。 顶管工作井、顶管端头止水均是施工过程中控制的要点。 本工程共设置顶管工作井35 个、接收井31 个，工作井直径10m，采用沉井法或逆作法施工。
表1 土层物理力学参数Tab.1 Physico-mechanical parameters of soil土层名称密度ρ/(g/cm3)粘聚力c/kPa内摩擦角φ/(°)弹性模量E/MPa泊松比μ厚度/m素填土 ＜1 -0 ＞ 1.81 8.0 10.0 13.5 0.35 2.1粉质粘土＜1 -3 ＞ 1.83 11.6 10.1 18.9 0.35 1.4粉砂＜1 -4 ＞ 1.85 0.0 31.9 30.0 0.30 3.3中砂 ＜1 -5 ＞ 1.9 0.0 30.0 45.0 0.30 3.18砾砂＜1 -6 ＞ 1.93 0.0 36.0 35.0 0.30 6.2强风化泥岩＜3 -2 ＞ 2.2 50.0 28.0 85.0 0.28 3.42中风化泥岩＜3 -3a ＞
2.3 55.0 32.0 150.0 0.27 13.1
2 工程施工技术难点
(1)顶管穿越地层分布有砂层、粉质粘土层、泥岩层、上软下硬复合地层，顶进施工控制要求严格，其中粉质粘土及泥岩中粘粒含量多，粘度大，非常容易造成刀盘结泥饼的情形，直接影响顶管掘进。
(2)在深厚富水砂层地区，采用水泥土搅拌桩或旋喷桩作为止水帷幕成桩效果差，跑浆漏浆严重，往往达不到设计要求，起不到有效的止水作用，严重时还会导致井内涌水涌沙，使地面大范围塌陷。
(3)在顶管进出洞时，顶管工具头与顶管关节往往会存在一定厚度的超挖空隙，一般为3cm～5cm，待工具头穿越后，地下水、砂极易从该空隙渗出，出现安全事故，制约工期。
(4)本工程属于大直径顶管工程，管节长度为6m，综合考虑场地内不利地层的情况下，工作井内施工空间有限，现场无法满足在钢管底部设置焊坑进行施焊，难以保证管节焊接质量。
3 施工关键技术
3.1 顶管设备选型
1.顶管机选型
针对本项目区间隧道的工程地质、水文地质条件、地层参数、地面和地下的环境，以及本工程粉细砂层广泛分布等地质特点，考虑采用泥水平衡式顶管掘进机施工[7]。
泥水平衡式顶管在水压很高以及土质物理力学参数变化很大的条件下都能适用； 另外，顶管设备泥浆注入系统具有自动调节功能，能有效保持泥水压力与地层水压力和土压力平衡，对排土量能进行严格控制，继而减少地面沉降。 顶进过程中保证泥浆压力控制在自然地下水压的1.1 ～1.2 倍。 从顶管机头位置注入触变泥浆，沿顶管周边将形成具有一定厚度(20mm ～30mm 左右)的润滑泥浆套，并间距10m 设一道补浆孔，施工中严格控制膨润土的浓度来达到最好的减阻效果。
2.刀盘刀具组合
广州地区典型的软硬复合地层常常会给顶管掘进施工造成相当大的困难，如顶管姿态难以控制、刀盘刀具过量或异常磨损、刀盘开裂与变形等。 这些困难与顶管机刀盘在复合地层中掘进受力状态密切相关。
根据工程地质特点，本项目量身定做了适用于软硬复合地层中的刀盘与刀具，具备硬岩掘进及软土掘进的功能。 配置高强度的刀具包括破碎硬岩的滚刀、刮刀、贝壳刀以及开挖软土的齿刀，刀盘边缘配备了超挖刀。 刀盘刀具的设计能满足方便和及时地进行刀具修理和更换的要求。
值得注意的一点是，刀具设计中使滚刀超前量略大于刮刀，这样即使在硬岩地层条件下，滚刀发生破损时仍可保护软刀工具。 另外，为避免顶管底部硬岩增加边缘刀具的磨损，在同一开挖轨迹上布置有两把边缘滚刀，并配合使用二次破碎装置，大大提高了刀具寿命。 实践证明顶管顶进非常顺利，表明刀盘刀具的设计形式是非常适应于该项目的地层情况的，这对类似地质情况下的刀盘选择有重要的参考作用。
3.结泥饼处理措施
通过增加刀盘开口率以及在泥土仓设多个高压水孔来去除刀盘结泥饼现象，其中喷射高压水能有效减少粘土在刀盘上形成泥饼的情况。 当有大块土体或块石进入顶管机泥土仓时，经刀盘转动被轧碎成小块土体，经泥水仓被泥水循环管道带走。
3.2 顶管始发井止水技术
聚乙二醇2000保证始发井不漏水一直是设计与施工中需要关心的一个重要问题[8]。 本工程现场砂层深厚，达10m 以上。 且地下水位较高，在工作井施工时(逆作法)，由于较高的水头压力作用使得砂层从未来得及施工的工作井井壁下涌出，导致井外地面塌陷严重。 基于此，施工方、设计方、业主方等相关单位针对富水深厚砂层地区工作井止水技术的难点问题进行探讨分析，决定采用一种用于富水地区的双重止水结构。
首先在拟定工作井范围内外侧施打一定数量两两相接的拉森型钢板桩。 钢板桩打入相对不透水层大于1m，完全阻断工作井与外界地下水的联系，形成第一层止水帷幕，继而在钢板桩帷幕和工作井井壁之间设有两排两两相交的旋喷桩帷幕(图2)。 这时钢板桩一定程度上防止了旋喷桩在富水深厚砂层地区出现跑浆漏浆的现象，保障旋喷桩成桩质量高，阻水效果加倍。 后续坑内开挖时可根据工程实际情况确定是否设置降水井。
钢板桩帷幕和旋喷桩帷幕都具有防止外围地下水涌入井内的功能。 两者的组合能实现良好的土层加固与止水功能，在深厚富水砂层地区具有良好的适用性。 该技术也成功应用于本工程后续工作井的施工(包括逆作法和沉井)，现场实施情况良好。
图2 工作井外侧止水帷幕Fig.2 The water-resisting curtain
因采用双重止水技术，使得钢板桩围护、旋喷桩及工作井井壁共同抵抗周边土层压力，在一定程度上可以增强工作井本身结构的强度和刚度。 根据有限元数值分析计算结果，钢板桩可分担工作井受力占到10%。
3.3 顶管进出洞技术
顶管进出洞容易造成洞口位置坍塌，引起工程事故。 特别是顶管穿越深厚富水砂层地区时，对端头加固止水要求十分严格，既要确保洞口土体具有一定的承载能力，也要保障洞口的止水效果，达到进出洞口时不出现涌水流砂现象，保证施工安全[9，10]。
现有顶管井穿洞口止水装置一般采用在洞周一定范围内施打旋喷桩、搅拌桩、袖阀管和素混凝土墙止水幕墙并加固，并在洞口位置安装可拆式止水钢圈，再在钢圈上安装止水胶圈，
达到止水效果。 但是在深厚富水砂层地区，施打搅拌桩效果往往不甚理想，止水效果差。
由于顶管工具头与顶管关节存在一定厚度的超挖空隙，一般为3cm ～5cm。 待工具头穿越后，地下水、砂极易从该空隙渗出，严重时造成地面塌陷。 因此，如何选用一种简便有效的方法开展顶管进出洞口的止水，仍属于一项关键问题。
针对现有技术的不足，为避免顶管进出洞口涌水涌沙，保障顶管顺利顶进，采取一种多重的洞口止水保障措施。
adc发泡剂所采用的第一道止水环包括预埋钢环、橡胶圈、钢压板、钢压环和螺栓。 预埋钢环固定在工作井预留洞口上，内径同预留洞口一样大小。 将止水橡胶圈安装在预埋钢环上，最后用钢压环和钢压板通过螺栓压紧(图3)。
图3 止水环构造Fig.3 The waterproof ring structure
继而在始发井预留洞口位置的一定范围内浇注混凝土后座。 预埋钢环与混凝土座接触的一面焊接有数根开叉的锚杆，并在进出洞位置砌成平口形式。 在混凝土座的预留洞孔安装第二道止水环，第二止道水构造同第一止水环。 在顶管准备出洞时，将工具头推进预留孔，
这时两道止水环中的止水橡胶圈会紧抱工具头外壳，发挥双重保障的止水作用。 另外，顶管工具头外围缠绕吸水膨胀材料(麻绳、麻丝、棉纱或者布条)，使用缠绕吸水膨胀材料的顶管工具头进行掘进。 顶管工具头进洞后所缠绕的吸水膨胀材料会遗留在洞口以堵住顶管工具头与管节之间所存在的超挖空隙，有效防止空隙内漏水漏砂，为防止顶管进出洞漏水漏砂提供第三道保障，该止水装置构造见图4。
图4 顶管进出洞止水装置Fig.4 The schematic entering and exiting tunnel
在深厚富水砂层地区该顶管进出洞止水技术具有施工方便且止水效果好的特点。 通过在工作井内现浇的混凝土座既可以增加水流的渗流路径，又能起到加固顶管井的效用，同时缠绕顶管机头的吸水膨胀材料可有效封堵顶管工具头与管节之间所存在的空隙。 较传统采用水玻璃或水泥浆封堵空隙更加简便快捷，止水性强，经济效益好。
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