砂砾石地层中顶管施工遇到的问题及处理方案

□李志宏 □王建辉 □陈维杰 □黄聪乐 （平顶山市水利勘测设计院；平顶山市水利工程质量监督站；洛阳市前坪水库建设处；中建电力建设有限公司）

1 问题的提出

项目属于河南省南水北调中线受水区平顶山段供水配套工程，负责向鲁山县城供水，起点南水北调总干渠分水口门末端，输水管线由张村泵站加压输水，终点为鲁山县白果树水厂。中间穿越鲁（山）平（顶山）大道砂砾石地段采用泥水平衡法顶管施工，顶管两端起止桩号为B6+020.999～B6+218.174，总顶管长度197.18m，设计套管内径DN1400mm（涂塑复合钢管外套钢筋混凝土管）、内穿输水钢管直径DN800mm，套管顶部距地面9.50m，设计顶管施工工艺流程为：施工准备→沉井施工（下沉）→沉井封底→顶管设备安装、调试、试运行→顶进→掘进机接受→设备拆除→功能性试验。

2015年1月22日完成设备安装、调试、试运行工作；23日10时开始正式顶进施工，当日进尺3.50m（机头顶进）；24日进尺2m，总进尺达到5.50m，下午顶管进口处上方地面（沉井井壁）出现塌陷，塌坑直径2m、坑深1.50m，随采用壤土回填，装载机压实；25日进尺6m，总进尺达到11.50m，沉井井壁外侧靠进口处再次出现塌陷，仍采用壤土回填；26日进尺12m；27日进尺4m（顶力由340t骤升至400t）；28日进尺2m，总进尺达到29.50m，下午5：30在距离顶进端26m处出现地面塌陷，造成地表电线杆下沉，输电线路断电而停工；29日沉井内积水深度达到3m以上，井下电机、机头及设备线路全部遭淹。

2 成因分析

2.1 顶管机机头选型不当

在沉井施工时即发现该处为砂砾卵石地层（成分以石英岩、石英砂岩为主），最大砾石直径达15cm以上，所以承包方许昌水利建筑工程有限公司在制订的顶管施工方案中提出选用TPN改进型泥水平衡二次破碎顶管机头，这种机头的最大特点是通过一次破碎将超径砾石破碎成二破能够接受的程度，然后由二次破碎将其进一步粉碎成能被管道输送的粒径而送出井外。但遗憾的是，顶进作业队在施工时调换为NSPD1400型顶管机，这种普通型泥水平衡顶管掘进机没有配置二次破碎装置，遇到大粒径砾石时无法粉碎外排，只能向前平推挤压，这也可能是造成推力逐日加大、进尺逐日减缓的主要原因之一。

2.2 注浆量不够

《顶管施工规范》（DG/TJ08-2049-2008）第6.5.3.1规定：注浆孔的布置宜按照管道直径的大小确定，每个断面可设置3～5个，并具备排气功能。而承包人制定的施工方案则为每2节管设置一组注浆孔，每组为2个，明显不足且不符合规范要求。注浆量不足的直接危害是难以保障泥浆润滑液均匀地完全覆盖整个管道表面，从而起不到设计的减小摩阻力作用，这也是导致推力日益增大、进尺日益减缓的主要原因之一。

2.3 洞口止水圈损坏

洞口止水圈的作用是封堵套装与洞壁之间的泥、水外溢，确保泥浆传输系统正常运行。然而从顶进施工的第二天起，洞口止水圈就出现破损漏水现象，此处漏水不仅带出了刚从注浆孔灌入的触变泥浆，进而破坏应有的减摩功效，而且大量漏水还极易冲带流砂，进一步扩大掏空套管外壁与洞壁之间的空间，从而为诱发塌陷埋下极大的安全隐患，这或许也是1月24、25、28日连续3次出现沿线塌陷的主要原因。

3 解决方案

针对上述存在问题，对症下药的处理措施无非是更换机头、优化注浆孔布局及浆液设计、修复加固洞口止水圈设施，其中的难点是更换机头，因为现有机头明显不适合砂砾卵石地层中的继续掘进施工，但所处位置位于地面以下9.50m、距工作井26m处，处理方案有三：一是在该处重新开挖工作井，更换新机头后沿设计管线继续顶进；二是在现有接收井中安装新机头，实施反顶作业；三是重新选线，另起“炉灶”施工。这其中所涉及的除了技术问题以外，还要看经济上的合理性，需要由设计单位进行具体的对比论证，在此不多赘述，仅就更换具有二次破碎功能的新机头及嗣后的施工技术要点提如下建议。

3.1 机头选型应充分考虑掘进层的地质岩性特点

掘进层处于砂砾卵石层中，观感砂砾卵石含量约70%～80%，个别最大粒径达15cm以上，通层胶结性、成拱性差，整体呈单粒状结构，且含水量大、易塌落，水位发生变化时可能诱发管涌、流砂现象。这就要求选配的机头首先必须具备破石功能，同时泥浆注入系统具有自动调节功能，以保持对排土量的严格控制，防止造成地面沉降。顶管机机头通常由刀具、刀盘、刀盘驱动装置及推进装置构成。刀盘根据不同的形式分为面板式和辐条式两种，一般认为面板式挡土作用较好，有利于开挖面前方的土体稳定，而辐条式虽然扭矩较小，但对开挖面稳定不利，故建议选用面板式刀盘。刀具的选择首要考虑耐磨性，最好选择硬度较高的合金钢材质，同时装置二次破碎设施（如滚刀），以保证遇到大粒径块石时能够先由刀盘上的滚刀将其一次破碎到能够接受的程度，然后再由破碎机（圆锥形）将其剪碎而后排出。

3.2 顶进过程中要时刻关注地层岩性的变化，以维持泥水压力与地层水、土压力之间的平衡

通过井外仪表随时观察刀盘电机的电流量大小，始终掌握机头刀盘切削扭矩的变化。扭矩变大，说明刀盘遇到硬物了，应及时通过注浆系统补充水或泥浆；如果扭矩变小，说明遇到的是土或沙，如果障碍物太软（如遇到泥沙），则可把第1至第3节顶进管道及工具头联成一个整体，以增强它们的刚性，从而避免机头突然沉陷。

3.3 改进洞口止水圈安装形式

《顶管施工技术及验收规范》（2006，试行）提出，埋深超过10m的洞口应设置2道橡胶止水圈，该顶洞虽然埋深为9.50m，但地处富含水层，一旦止水失事，易于产生管涌和流沙，因此设置2道止水圈及相应设置2道压板是必要的，建议对施工方案进行修订完善，确保止水效果。

4 结语

在复杂地质条件下进行顶管施工，机头选型及科学操作是关键工序之一。既要考虑解决大粒径、硬骨料的破碎问题，又要兼顾克服大水量、软地基、易塌陷难题，当然还有经济可行问题，这一切都需要从实际出发，根据地质条件的不同，制定出有针对的施工方案，切不可盲目照搬异地的做法。