海域复杂地层超长距离小口径钢顶管施工技术研究

王 涛

(上海市基础工程集团有限公司,上海 200433)

0 引言

随着顶管施工技术发展愈加成熟，在海域进行顶管工程越来越频繁，相应的顶进距离也越来越长。海域顶管需要面临的距离长、土层复杂等难题也是工程建设中需要攻克的关键问题。北海市铁山港区污水处理厂尾水排海管工程(海域段)最长一段顶进距离达到2 180 m，为国内顶进距离最长的单次顶管工程，通过技术研究，在施工过程中采取合理的顶管机具形式、顶管进出洞以及轴线控制等关键性施工技术，保证了工程项目的顺利实施，同时也为今后类似工程的施工提供经验参考，对行业的进步起推动作用。

1 工程概况

北海市铁山港区污水处理厂尾水排海管工程(海域段)位于北海市铁山港工业区(见图1)，负责输送铁山港工业区重点区域的生活服务区、中小型工业企业中的A类企业污水，经污水处理厂处理后的尾水，做深海排放。

工程分为两个区间单线顶管工程，顶管总长为3 600 m，钢管外径2 000 mm，壁厚22 mm，管道中心标高-21.5 m。其中1号～2号井区间顶管长度2 180 m，2号～B3排污口区间顶管长度1 420 m，管顶以上覆土深度在14 m～23 m不等，水压力约为2.5 kg/cm2。

2 地质条件

3 顶管机具选型

3.1 泥水加压循环系统

采用送泥泵，将泥水通过管道送往开挖面，然后用排泥泵将掘削下来的废弃土以流体形式通过6 in管道输送到地面，因距离较长，故在隧道内设置了若干台中间接力泵。在管路中设置了流量计、密度计。在实际顶进过程中，一旦出现堵塞情况，系统中设置“逆洗”方式，即：排泥管作为送泥管，送泥管作为排泥管来循环泥水，采用倒排泥水的方法将堵塞在管道中的堵塞物排入到土仓中。为了保证设备因维修而较长时间的停机，泥水溢漏而引起的开挖面泥水压力的下降，从而开挖面失稳，在系统中设置了“旁路”方式，即将旁路状态时的管道打开，通过送泥泵、旁路管道及排泥泵循环泥水，此时有一部分泥水向开挖面及土仓中输入，补足溢漏的泥水，从而保持泥水压力，保持开挖面的稳定。

3.2 泥水分离处理系统

泥水分离处理系统通过一次处理分离设备(振动筛、旋流器、沉淀槽等)将颗粒直径大于0.074 mm以上土砂及沙砾分离。直径小于0.074 mm的微细颗粒(粉砂土、粘土、胶体)由于呈电化学结合，自然沉淀缓慢，需要采用添加凝集剂，使其形成团粒，然后采用二次处理分离设备(压滤器、脱水槽等)分离。本工程的泥水处理将分离的泥水回送到调整槽内，经调整到适合的泥水浓度和质量。

3.3 泥水仓泥水压力控制系统

泥水系统的设计充分考虑了采用国外和国内的使用经验，采用了送排泥泵调节泥水仓泥水压力的控制方法，对泥水输送系统的调节，可以对泥水仓的压力以及泥水的进、排流速进行调节。

3.4 工具管使用特殊工作模式

为了更好的在顶进过程中有效控制沉降的同时提高顶管效率，本工程顶管工具头有三种特殊工作模式：

1)旁路模式。

该模式是待机模式，用于顶管不进行开挖时执行其他功能，即从一种功能切换到另一种功能时会采用。

2)逆洗模式。

当排泥口发生堵塞时可采用该模式进行逆洗：将泥水从排泥口送入泥水仓，而将原先的上部泥水送往地面泥水处理系统。

3)冲洗模式1。

通过送泥泵对胸板中间泥水仓、环形舱、送泥口进行冲洗，防止刀盘及泥水仓的堵塞。

4)冲洗模式2。

通过送泥泵、刀盘中心条幅切削面进行高压冲洗：防止刀盘中心及切削面堵塞。

4 进出洞施工技术

顶管机进出洞口需具备最基本的工程条件：洞门外土体强度好，地下水控制情况良好(不出现涌水、涌砂等现象)，故需采取针对性的地基加固处理措施，加固范围为头向外6 m，宽度为10 m，高度10 m，加固强度不小于1 MPa。

4.1 土体加固

顶管工具头的出洞是顶管施工的关键节点，应确保顶管机正常地从非泥水平衡工况向泥水平衡工况过渡，并杜绝机头产生“磕头”现象，从而达到控制人工岛地面沉降，保证人工岛的结构安全。两座顶管井洞口及后靠背处均采用高压旋喷桩对土体进行改良。本工程顶管机总长约为9 m，在工具管重心顶出外围围护前须保证顶管机处于一个稳定、均匀且有足够强度的水泥土范围内，使得顶管能够平顺的顶出，并为顶管前期的走向提供一个良好的开局。加固范围及参数如下：

1)加固范围。

加固宽度：宽度10 m，管道周侧两侧各5 m；

加固长度：沉井外壁沿轴线向外延伸6 m范围；

加固深度：高度10 m，管道中心上下5 m范围。

2)加固参数。

桩身：φ600双重管高压旋喷桩；

桩间距：400 mm，搭接长度不小于150 mm；

水泥掺量：使用42.5级普通硅酸盐水泥，水泥掺量为150 kg/m。

4.2 洞口止水措施

工程出洞口穿墙止水措施将采用两套止水措施：止水措施为橡胶挡圈+牛油盘根。

4.3 出洞防“磕头”措施

1)工具头就位后，将机头垫高5 mm，保持出洞时工具头有一向上的趋势。纠偏油缸等记录归零位。

2)在洞中外侧进行加固措施，进一步防止磕头现象的产生。

3)调整后座主推千斤顶的合力中心。

4)在工具管管内采用压铁配重，以及在管顶用顶铁进行配重。考虑后座主顶千斤顶的合力中心应略向下，以平衡这两节混凝土管自重形成的力矩。本工程中，将合力中心设置为管中心以下17 cm。

5 轴线控制施工技术

在顶进过程中，由于复杂土层的工况，再加上长距离顶管的缘故，施工中出现了偏离轴线的工程难题。当1号管顶进至977 m时，出现向下磕头现象；在顶进至986.8 m时，工具管偏差为偏右1.3 cm、偏下26 cm；然后顶管机迅速向左下方偏斜，在推进至997.6 m时，工具管偏差为偏左97 cm、偏下44 cm(见图2)。

偏斜原因分析：根据管道左右两侧开孔观察，发现左侧土体呈软塑状，而右侧土体非常坚硬。局部区段管道左侧为砂混粘土承载力低，右侧为粉质粘土承载力高(见图3)。

为了控制轴线偏斜的斜率，以及进行轴线纠偏，对987 m～1 010 m区域管道右侧的土体进行破坏，主要方式为高压旋喷引孔。管道轴线斜率由9.1%减小至6.5%，再从6.5%减小至目前的5.5%的斜率，部分区段向右位移约25 cm(见图4)。

施行管内放泥注浆措施，在左侧由于土层较硬，因此开孔注入泥浆，润滑土层，降低土层的摩阻力。在管内右侧填充粉煤灰，通过粉煤灰本身粗糙的表面积增加摩阻力，同时利用其吸水性将右侧较软的土层吸收水分，间接增加土的硬度，这样达到平衡左右两侧土体的硬度，即协调相互的摩阻力，减少顶管顶进时左右侧的不平衡。

同时设置双作用油缸：在1号环、2号环、3号环设置双作用油缸，在双作用油缸和中继环共同作用下，来回对拉管道，使管道实现侧向位移。由于顶管施工的特殊性，长时间停滞会导致顶管摩阻力恢复，只能边处理，边缓慢顶进。

为确保后续管道能通过拐点(里程986.9 m)，用MJS设备，对里程950 m～1 000 m区间，按照曲率半径R=1 260 m圆弧，破坏管道的左侧土体。对里程1 000 m～1 050 m区间，破坏管道右侧土体。

根据管道转弯曲率半径的需要，经计算，在顶管推进至1 050 m时，开始向右进行纠偏，为避免管道再次出现拐点，只进行小角度纠偏。根据现场施工经验，管道曲率半径达到1 000 m以上时，管道变形在弹性范围以内，因而向右纠偏圆弧曲率半径控制在1 500 m左右。最终管道以曲率半径R=1 570 m圆弧线，在里程1 125 m位置与设计轴线平行，最大偏差5.8 m。

管线纠偏后线路图见图5。

6 结语

从本工程的实践可见，超长距离复杂地层顶管施工的关键在于顶管机具的选型、进出洞施工以及轴线控制施工等技术措施。同时对于顶管掘进机顶进过程中不同工况下应具有相应的施工模式，从而达到有的放矢的目的。对于超长距离顶管施工过程中难免遇到的轴线偏离状况，探究土层的原因，选择合理的、系统的纠偏手段进行轴线控制。本工程由于顶管工具选型得当，技术措施合理，使国内单次顶进距离最长的顶管工程圆满完成。取得了良好的社会效益和经济效益，也为相类似工程积累了经验，有利于行业的进步。

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