顶管水下进洞施工技术在流砂地层中的应用

唐俊华，李学卫

（1.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司,上海市 200092；2.上海公路桥梁（集团）有限公司，上海市 200023）

0 引言

顶管施工技术作为一种非开挖施工技术，具有环保、占地少，能够穿越道路、河流等优点，在城市管网建设中应用广泛。随着顶管应用范围的扩大，顶管施工过程中不可避免地面临着新课题。本文就南京市洪武路污水主干管工程特定的施工工况，面临顶管进洞困难的局面，提出了水下进洞解决方案，有效地保护了周边的环境安全，使顶管顺利进洞。

1 工程概况

洪武路污水主干管工程1标位于南京市洪武路，起于鸡鹅巷，终于程阁老巷，该区域交通繁忙、人口集中、管线密集，为南京最繁华商业圈所在地。

顶管穿越土层层次多，分布不均，性状存在较大差异。工程沿线水量丰富、水位高（埋深为地面下1.4～2.6 m），场地地下水类型为潜水。含水层由人工填土层和新近沉积的软弱黏性土和砂性土组成。

工作井（接收井）采用NKSP-Ⅳ型拉森钢板桩作为挡土结构，结合1排800 mm高压旋喷桩进行止水，井内采用800 mm高压旋喷桩进行坑内土体加固，逆作法工艺施工。管道采用泥水平衡顶管法施工。

2 水下进洞施工背景

进行水下进洞的井位为W19#井，该井位于洪武路与羊皮巷十字路口北侧，据地勘资料揭示，W19#井位处工程地质自地面由上至下依次为4.3 m杂填土+3.5 m粉土+1.7 m粉质黏土夹粉土+10.5 m粉砂。粉土层富水性好、透水性强、水量丰富，极易产生流砂；粉质黏土夹粉土层富水性好、透水性强、水量丰富，易产生流砂；粉砂层富水性好、透水性强、水量丰富，易产生流砂。W19#接收井挖深11.27 m，地面标高9.83 m，管内底标高0.03 m，管道穿越粉质黏土夹粉土层和粉砂层。井壁外2 m的东西侧道路开放运行中，周边地下管线密集，商业建筑群集中，距正在施工中的苏宁广场深基坑只有15 m。

W19#井为W21-W19、W16-W19顶管共用接收井，这两段顶管管道内径均为1 800 mm。按照施工安排，W21-W19顶管首先进洞，待顶管机头在W19#井接收好后再接收W16-W19段顶管机头。由于客观原因造成了两台顶管机都接近W19#井，等待进洞。

待W21-W19顶管机头靠近W19#井南侧拉森钢板桩，准备拔桩时，洞口处钢板桩未能拔除，凿洞门砖墙上探孔后泥沙喷涌，最后决定安排W16-W19段顶管先进洞。拔除W19#井北侧拉森钢板桩过程中，北侧洞门处砖墙突然倒塌，造成洞门外侧大量流砂涌入井内。为了保证交通、管线安全，保证能够安全地接收顶管机头，立即采取回灌水措施，保持井内外水土压力平衡，控制流砂的进一步发生，减小地面沉降。

3 水下进洞施工方案

顶管水下进洞施工技术是指为防止顶管在进洞过程中地下水土从开放的洞圈中大量涌出，利用接收井内外水土压力平衡可控制渗漏的机理，主动或被动地用水将接收井回灌，而后在水土压力平衡的情况下再将顶管推进到接收井的施工工艺。

借鉴以往水下施工方法和经验，比较多种水中进洞方法的优劣，根据水文地质、现场的交通、管线等实际情况，该次水下进洞按照“回水压仓、割除板桩、顶管推进、注浆加固、吊装机头”的思路进行。

主要步骤如下：

（1）迅速将接收井回灌满水；

（2）采用抽泥法清理接收井内泥沙等垃圾；

（3）水下割除洞圈处拉森钢板桩；

（4）顶管顶进，机头水下进洞；

（5）在洞圈与管节间隙处水下填充砖块、双快水泥，预埋注浆管；

（6）水平、竖向压注双液浆（水泥浆和水玻璃）；

（7）接收井内抽水，清除泥沙，将机头与管节的连接解除，吊出机头，水中进洞完成。

4 水中进洞方案实施要点

4.1 选派专业的水下作业施工队伍

该工程水下进洞的关键步骤全部由水下作业完成，加之W21-W19顶管也急需进洞，如果W16-W19顶管水下进洞实施得不连贯，用时较长，则增加了W21-W19顶管进洞的风险，很有可能造成管道和机头“抱死”，因此W16-W19顶管水下进洞方案能否顺利实施密切关系着W21-W19顶管能否顺利进洞。选派专业的、有成熟施工经验的水下作业队伍成了水下进洞成功的关键。

4.2 顶管进洞时防止机头“磕头”

接收井底板和顶管管道底标高之间一般存在高差，由于机头重量分部不均，机头重心靠前，顶管进洞过程中如果不靠外力平衡机头的重量，则造成机头下坠，俗称“磕头”。

水下进洞过程中机头“磕头”产生的危害是巨大的，会造成与机头连接的管节碎裂，形成涌水通道，淹没机头，发生涌水涌砂事故。因此必须防止“磕头”现象的发生。一般在顶管工程中防止机头“磕头”的措施为在井内制作接收基础或托架。该工程由于接收井内有砖块、泥沙等杂物，选择了用横担在接收井上的钢板桩吊住机头的措施，根据顶进的坡度、速度，通过手拉葫芦控制机头高度，保持动态平衡，平稳地接收机头，防止下坠，如图1所示。

图1 顶管水下进洞示意图

4.3 封堵洞圈与管节间隙，双向压注双液浆加固洞圈周围土体

洞圈与管节的间隙是顶管进洞过程中的薄弱环节，是接收井相对封闭的环境与外界水土接触的唯一通道，机头进洞后应立即封堵薄弱环节。

该次水下进洞采用双快水泥砌筑砖块的方法，地面上拌合好砂浆后，送至水下，由潜水员迅速砌筑完成，在砌筑好的砖墙外侧用双快水泥抹面，防止渗水。同时在洞圈四周预留4根1 m长带球阀的注浆管，在洞圈处水平压注双液浆。考虑到接收井北侧洞圈砖墙倒塌后发生涌水涌砂现象，在接收井北侧3 m处竖向打入3根注浆管，外侧注浆管深度到管道底标高下0.5 m，中间注浆管深度到管道顶标高上0.3 m。随注随拔，直至管道顶标高上1 m。双向压注双液浆加固管道周边土体，形成有一定强度的复合加固体，包裹管道，隔绝地下水通道，同时利用深井降水降低地下水位，防止涌水涌砂事故，保证周边环境安全。双液浆的强度及凝结时间可以通过做试样掌握，该处用的水泥浆水灰比为0.8∶1，水玻璃浓度为30°Bé，水泥浆与水玻璃比为1∶0.5。压浆泵压力控制在2～2.5 MPa。

4.4 采取“拉风箱”措施防管道抱死

从10月29日W21-W19段顶管到达接收井南侧，到接收W16-W19段顶管机头，再到11月16日水下割除接收井南侧钢板桩，共用时19 d。另外W21-W19段顶管道较长，长度为220 m，如不采取措施，管道很有可能不能顶进，造成更多的工期和费用损失。为此，每隔2 h通过压浆环管向管节外壁压注一定数量的触变泥浆，采用多点对称压注使泥浆均匀填充在管节外壁和周围土体间的空隙，使所注泥浆在管道外壁形成均匀的泥浆套，来减少管节与土体间摩阻力，起到降低顶进阻力的效果。压浆时根据需要及时补浆，压浆泵输出压力控制在0.4～0.5 MPa。同时来回伸缩千斤顶，扰动管道周边土体，防止粉土及粉砂吸附在管道外侧，造成顶进困难。

4.5 抽取井内回灌水时密切观察洞圈处状况

如前所述，W19#井处管道埋置于流砂地层中，抽取井内水时，井内外水土压力差逐渐形成，有产生流砂的外因。由于水下封堵洞圈与管节间隙，潜水员看不到具体情况，只能凭下水前交底和用手摸索进行操作，有可能封堵后仍有渗水通道。在抽取井内水时，特别是水位下降到洞圈附近时，观察水位是否平稳下降、洞圈附近水质是否浑浊、是否有层流或紊流现象，如发生异常情况，及时回灌水，重新封堵，以防渗水通道越流越大，产生危害。

5 结语

结合南京洪武路污水主干管工程1标实际情况，顶管水下进洞施工技术得以应用，实践证明该技术有效地规避了高水位、流砂层中进洞时常见的工程事故，提出了一种新的进洞施工技术。特别是在水文地质条件复杂、施工环境苛刻、沉降控制要求严格的情况下，水下进洞施工技术可以作为一种有效的解决措施加以考虑。

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