超大直径顶管穿越河道浅覆土时的施工技术研究*

朱新华 毛海明 黄金明 赵国强

1. 上海市城市排水有限公司 上海 200233；2. 上海城建市政工程（集团）有限公司 上海 200065

1 工程概况

上海市污水治理白龙港片区南线输送干线完善工程（东段输送干管）SST2.4标采用2Φ4 000 mm钢筋混凝土顶管施工。工程位于浦东新区川沙地区，主要沿迎宾大道南侧和北侧绿化带敷设，线路为迎宾7#井（含）～远东3#井（含），总长8 708.8 m。其中远东1#～远东2#顶管区间中远东1a#～远东2#长度为892.9 m，管间中心距为 9.6 m。远东1a#井和远东2#井管中心标高均为－8.37 mm，平水直线顶进。当顶进到约288.8～485.4 m段时，顶管下穿沙泥河，河底最深标高约为－1.18 m；当顶进到约410～440.3 m段时，顶管下穿浦东新区永安制塑厂外的驳岸方桩，方桩尺寸为200 mm×200 mm，桩长5 m，桩底标高约－1.30 m；当顶进到约846.2～862.8 m段时，顶管下穿中横港，河底标高约为－0.03 m；顶管出洞口处无管线，进洞口处有给水、电力等管线（图1）。

图1 工程概况

本工程顶管覆土厚度约为6～12 m，覆土浅薄处皆为穿越河浜及沟渠处。顶管所穿越的土层主要为④层淤泥质黏土和⑤1灰色黏土，该土层分布稳定，厚度较厚，但土质较差，呈流塑状，施工易受扰动，容易导致开挖面失稳。由于混凝土管节及工具管质量较大，土体较软，顶管进出洞和轴线控制难度相应增大，易发生各种失稳问题。场地地下水埋藏较浅，地下水对顶管施工影响很大。浅层潜水由于顶管开挖出土产生水头差而渗流，导致粉性土产生流砂，对顶管施工不利。

2 工程难点、风险点及相应对策

本工程是目前世界管径最大的平行顶管项目，且在过程中穿越河流，河道段的覆土厚度小于5 m，为浅覆土顶管施工。本工程的施工难点、风险点及相应对策如表1所示。

表1 工程施工难点、风险点及相应对策

3 顶管设备选型

3.1 顶管机介绍

本工程采用全新研制的大刀盘泥水平衡式顶管机施工，对面板上的刀头、刀座和布置形式，进泥口的大小，机内泥水管路的布置都进行了改进。

本顶管机采用泥水自动平衡系统，实现遥控操作并集合数据采集和数字监控系统，同时后续可进行顶管机盾构化改造。

3.2 顶管机特点

（a）使用设置在中控室的触摸屏控制台进行远程控制操作。

（b）顶管掘进机采用变频电机，频率设定范围为10～50 Hz，同时可选择刀盘旋转方向，符合实际施工工况的需要。

（c）采用变频调速技术的进排泥水泵装置，通过调节进泥量和排泥量使泥水仓压力与开挖面水土压力达到平衡。

（d）顶管机机尾设置远程控制同步注浆装置，并设置压力表及流量计，确保顶进过程中建筑空隙及时填充，对减小沉降及顶力控制有积极作用。

4 开挖面稳定控制技术

泥水平衡顶管施工时，开挖面的稳定机理是以泥水压力来抵抗开挖面的土压力和水压力，同时主要以泥水压力控制开挖面变形和地层变形。

当泥水压力大于地下水压时，泥水会渗透进入土中，在土壤的孔隙之中形成一定比例的悬浮液，由于土与泥水之间的作用力，悬浮液中的悬浮颗粒会凝聚在泥水与土体的接触表面，进而形成一道渗透性很小的泥膜[1]。只有形成泥膜，泥水仓的泥水压力才能有效地作用在开挖面后的土体上，从而防止开挖面的变形及坍塌，确保施工过程中的开挖面稳定性。

4.1 泥水仓压力控制技术

通常，密封仓泥水压力的调节主要靠调整顶管机的推进速度、泥浆性质和排泥管以及进泥管的泥水流量来控制，其设定流程见图2。

图2 泥水压力设定流程

4.1.1 进泥和排泥速度

当其他施工因素不变时，在泥水循环中，通过进出浆量的平衡使得泥水仓中的泥水维持在一定压力下，通过改变进浆量和出浆量可以控制开挖面的支撑压力值。当排泥速度过大而泥浆进入泥水仓速度过小，则开挖面处在欠支护状态，泥水仓压力下降；而当排泥速度过小而泥浆进入泥水仓速度过大，则开挖面处在超支护状态，泥水仓压力上升[2]。

4.1.2 顶管推进速度

顶管推进速度的增加意味着单位时间开挖土体体积的增大，若其他因素保持不变，则更多的土体成为泥浆而滞留在泥水仓中，因此泥水仓受挤压压力会增高。反之，推进速度的减小使泥水仓泥水压力减小。

4.1.3 泥浆性质

根据泥水仓泥水压力与其主要影响因素的关系，在正常施工过程中的泥水仓压力控制方法如下所述：

（a）开挖面完全与顶管机内隔绝，要在泥水仓内布置压力传感器（需在顶管机中上部布置），通过传感器随时测量顶进过程中的泥水压力；

（b）由于泥浆重力影响，对黏聚力较小的地层，往往会在开挖面顶部形成一定体积的空腔，当空腔较小时对地面沉降影响较小，当空腔较大时开挖面就会产生较大沉降。为了保持泥水压力支护的有效性，须控制泥水仓泥浆充满；

（c）操作人员通过地面操作室内的显示屏观察顶进泥水压力和设计泥水压力的偏差值以及现场地表监测数据，调节顶进速度，控制地表变形；

（d）若实际泥水压力与设定值之间差值很大，则应查明原因并采取对应措施，同时加强对周围环境影响的检查；

（e）压力调控范围的确定。在泥水控制过程中，须控制泥水压力不超过主动控制线和被动控制线界定的范围。

4.2 不同情况的泥水仓压力控制措施[3-5]

4.2.1 顶管进、出洞时泥水仓压力控制

顶管进、出洞口段通常为加固区域，顶管要在进出洞口段建立泥水平衡，必须要具备较好的洞口止水条件，既能防止大量泥水浸入井内，又能保证泥水仓的泥水压力平衡与稳定，这时可以考虑止水装置。

4.2.2 掘进速度与泥水仓压力控制

开始推进和结束顶进之前的速度不宜过快，与泥水压力相匹配，保证开挖面的稳定和相对地层的干扰。一环掘进的过程中，掘进速度应尽量保持恒定，减少波动，以保证泥水压力稳定和进、排泥管的畅通。

4.2.3 顶管停机时泥水仓压力控制

顶管停机时，开挖面泥水压力往往会有所下降，开挖面的稳定性会受到影响，因此在顶管停机之前减少排泥量，通过挤压提高仓内液体浓度以提高停机时泥水仓内的泥水压力。

4.2.4 穿越河道时的泥水仓压力控制

穿越河道时，为防止由于泥水仓压力过大，导致河底穿孔造成浆液上串和河水下渗，故需严格控制泥水仓压力。穿越河道顶进施工过程中泥水仓压力比正常顶进过程中小0.1～0.2 MPa，同时保持压力的稳定。

5 注浆减阻技术

5.1 注浆工艺

注浆为三条线：一是机尾同步注浆，二是沿线的管道补浆，三是洞口处的注浆。

5.1.1 机尾同步注浆

触变泥浆由地面液压注浆泵通过D50管路压送到1#注浆泵站，再由1#注浆泵站向机尾压浆。机头后的同步注浆的浆套应该随着机头的顶进不断向前延伸。在机头处安装隔膜式压力表，以检验浆液是否到达指定位置。同步注浆的压力应与静止土压力平衡，对于本工程的黏土，注浆量为建筑空隙的2 倍左右。

5.1.2 沿线的管道补浆

沿线的管道补浆按顺序依次进行，每班不少于2 次循环，定量压注。补浆量根据892.9 m的顶进长度基本确定为同步注浆量2 倍。

5.1.3 洞口处的注浆

在工作井洞口止水装置前的建筑空隙处设置3～4 个注浆孔，当管道外壁进入洞内，未与土体磨擦之前就先浸满浆液。触变泥浆随管外壁向土体渗入，这样可以避免管外壁入土后产生背土的现象。

5.1.4 穿越河道浅覆土注浆

在顶管穿越河道浅覆土进行压浆时，严禁对管道顶部和顶部注浆孔进行注浆，防止由于注浆压力造成河底穿孔及管道上浮等现象。穿越河道浅覆土注浆应在管道两侧注浆孔进行压注，并且严格控制注浆压力和注浆量。

5.2 触变泥浆的配方和性能指标

本工程采用触变泥浆的配方和性能指标如表2所示。

表2 触变泥浆的配方和性能指标

5.3 顶力控制效果

通过以上注浆工艺，顶管的顶力得到了较好的控制，穿越河道段通过各施工参数的调整优化顶力也无明显变化。

5.4 减摩效果

本段顶管只在顶进初始阶段f值接近5 kPa，在其后顶进中f值基本保持在1 kPa左右，减摩效果十分明显。

6 顶管顶进控制技术

6.1 顶进速度控制

在穿越河道前顶进速度保持在50～60 mm/min，穿越河道浅覆土施工过程中控制在35～45 mm/min，防止由于顶进速度过快导致偏差过大和管道纠偏产生分力，引起管道上浮等不利情况出现。在顶进时应对顶进速度作不断调整，找出顶进速度、泥水仓压力、泥浆性质的最佳匹配值，以保证顶管的顶进质量。

6.2 顶进姿态控制

（a）施工过程中，应该贯彻勤测量、勤纠偏、微纠偏的原则；

（b）应该确定顶管姿态的报警值，当顶管姿态达到报警值时，现场施工人员必须遵循逐级汇报制度；

（e）顶管的纠偏操作应根据顶管姿态变化曲线图经过分析以后作出纠偏的方案；

（f）0.5°以上的大动作纠偏须尽量避免并慎重讨论，不得已时也应争取在非重要地段进行并加强观测；

（g）纠偏操作应参考顶进过程中的机头姿态变化曲线图，贯彻勤纠、微纠的原则。

采用以上技术方法，顶管轴线一直处于受控状态，顶管机的偏差控制在设计规定范围之内。

7 结语

在本工程超大直径顶管浅覆土顶进施工过程中，首先要严格控制泥水仓压力、顶进速度和出泥量3 个关键参数相适应，还要严格控制顶进方向，尽量避免因工具管纠偏引起的地层损失。同时，采用了触变泥浆压浆控制技术、信息化施工控制技术，最终在穿越沙泥河、驳岸方桩及中横港后，顶管隧道顺利贯通。通过文中所述措施的采用，可以有效提高浅覆土顶管施工的成功率。