大口径泥水平衡钢顶管新型进出洞门施工技术

严国仙 陈 强 韩举宇

上海市政建设有限公司 上海 200438

顶管施工工法是一种敷设地下管线时的非开挖施工技术，它无需进行大面积的地面开挖，只需在管线路径上设置几口工作井即可进行施工且可穿越公路、桥梁、铁路、地面构筑物等多种障碍，现已大量运用在给水、排污、输油、输天然气等各种市政管线工程之中，取得了良好的应用效果。顶管工程预留洞门常采用钢筋混凝土墙，进出洞时为方便施工一般采用人工凿除，采用顶管机直接破碎磨除的案例较少，也缺乏类似工程经验。

黄浦江上游水源地连通管工程某顶管段施工过程中，一方面，因工期紧，需要提前完成顶管出洞以期尽快开始顶进施工，然而洞口加固土体强度龄期较短，尚未达设计强度要求，导致预留洞口只破除了1/3不到，便发生局部坍塌，出洞困难。另一方面，本顶管段需穿越黄浦江支流河道，河道防汛墙桩基与管顶距离小，防汛墙保护要求高；穿越过程中应控制好对防汛墙的扰动，避免产生大的变形。

针对这些问题，技术人员提出了在刀盘上加焊特质钨钢刀头以增大刀盘切削混凝土的能力，直接利用顶管机磨除预留洞门进出洞口，安全可靠；在穿越河道时，通过合理控制顶进施工中的各种技术参数、加强监测等措施，保证了河道防汛墙的安全，最终确保了顶管施工的顺利完成。

1 工程概述

1.1 工程概况

本工程为黄浦江上游水源地连通管某标段，管线采用顶管法施工。其中JD04—JD03顶管段管径DN3 600 mm，长度380.42 m，管顶覆土15.81～16.62 m，需下穿河道黄浦江支流紫石泾，穿越范围约为112 m，河道区域覆土10.5 m。紫石泾河面宽约100 m，水深约3.3 m，淤泥厚度0.5～0.7 m，河道防汛墙基础采用钢筋混凝土预制板桩。本段顶管采用泥水平衡面板式顶管机[1-2]。

1.2 工程地质

本工程土层揭露从上到下依次为①1填土、②1粉质黏土、③1淤泥质粉质黏土、③1t黏质粉土、④淤泥质黏土、④1t粉砂、⑤1a黏土、⑥粉质黏土、⑦1砂质粉土、⑦2-1粉砂。

本段顶管主要穿越第④灰色淤泥质黏土层，极少零星的顶管穿越第④t层灰色粉砂层，上覆第③1层灰色淤泥质粉质黏土层。

其中④灰色淤泥质黏土层呈流塑状态，含云母及有机质，偶夹薄层粉土；④t灰色粉砂层主要分布于④层底部，含云母，夹少量黏性土，呈稍密～中密状态，该层土易产生坍塌、流砂、管涌现象；③1灰色淤泥质粉质黏土层为流塑状，含云母及有机质，土质均匀，局部夹砂较多，局部为粉质黏土。

对本工程影响较大的地下水主要为第四纪地层中的潜水、承（微）承压水。潜水赋存于浅部地层中，埋深0.4～3.0 m。微承压水赋存于全新统地层中的粉性土或砂土中，呈不连续分布，局部与承压水连通，其水位低于潜水位，呈周期性变化，水位埋深3～11 m。承压水赋存于上更新统地层中的粉性土或砂土中，其水位低于潜水位，呈周期性变化，水位埋深3～12 m。

2 出洞技术

2.1 出洞背景

2.1.1 工作井概况

工作井JD04井采用沉井施工方式，排水下沉，井深22.50 m，预留洞口直径DN4 200 mm，标高－15.10 m，洞口处土体为④层灰色淤泥质黏土；刃脚标高－21.55 m，刃脚处土体为⑥层粉质黏土，距离承压水层⑦1草黄色砂质粉土0.9 m。

下沉过程中，因降水井遭到破坏而未有效将承压水位降至设计标高，导致该井发生突涌，不得不临时采用回灌措施，最终沉井采用了水下封底，大大延误了工期。沉井底板施工完成具有一定强度后，随即进行本段顶管出洞口高压旋喷桩加固施工。

2.1.2 工期要求

建设单位要求于12月15日实现全线管道给水联调，故加快顶管施工进度已迫在眉睫。为此现场拟尝试提前出洞，顶管机安放到位后，采取沿预留洞口上半圆周钻取探孔的方法逐步破除预留洞门。采取钻孔的方法可最直观地观察土体加固情况，若洞口发生坍塌，流土可利用顶管机予以阻挡，避免出现安全事故[3-4]。

在破除洞门的过程中，一方面因为洞口加固区域土体未完全达到设计强度，另一方面高压旋喷桩加固施工扩大了土体扰动范围，最终导致土压力过大以致将上半圆周预留混凝土洞门推到，土体涌入井内，现场通过千斤顶推进顶管机以阻止土体大规模涌入井内（图1）。

图1 洞口坍塌

2.2 技术措施

2.2.1 方案选择

方案选择必须考虑两方面因素：

一方面，洞口已发生坍塌，加固土体已涌入井内，原加固区受到破坏，故利用余下的加固土体达到设计强度后再进行出洞施工已无可能；若重新加固洞口，必将耽搁、延长工期，且洞口与井内相通，重新加固时井外土体将进一步涌入井内。

另一方面，洞口处仍留有余下的一半混凝土墙，若要出洞必须将其破碎；采用人工凿除必将再次引起土体坍塌。

综合考虑，唯有在顶管机刀盘上采取措施，通过在现有面板式顶管机刀盘上焊接特制钨钢刀头以增大顶管机切削混凝土的能力，利用顶管机磨除洞口混凝土进而完成出洞施工。

2.2.2 顶管机改进

采用在顶管机刀盘上焊接能够切削钢筋混凝土的特制钨钢刀头（滚刀）的改进措施，使顶管机能快速完成对钢筋混凝土预留洞门的切削，顺利进出洞。

待涌入井内的加固土达到一定强度时，将顶管机调出井内进行改进。改进时将泥水平衡顶管机刀盘拆除，放置在平整地面上，在原刀盘面板上加焊18把硬质钨钢先行刀，呈3根条幅式对称、间隔120°分布（图2）。滚刀与刀盘采用气焊黄铜钎焊（图3）。

图2 滚刀焊接位置示意

图3 滚刀焊接

2.2.3 复核验算

预留洞口混凝土墙的磨除过程中，墙体将对顶管机刀盘产生反作用力，此反作用力将对刀盘、顶管机主轴产生较大扭矩，因此必须对刀盘、主轴的扭矩承载力进行复核验算[5-6]。

顶管机磨除洞口主要通过新增刀头切削混凝土，故扭矩均是通过新增刀头传递给顶管机面板及主轴的。且在磨除过程中，必须对顶管机施加一顶力，以保证顶管机刀盘能与预留混凝土墙保持紧密接触，实现有效切割磨除；但此顶力又不能过大，若顶力越大，在反作用力的作用下，刀盘承受的扭矩将越大，极有可能导致顶管机驱动电机超负荷工作，出现损坏。

为保证顶管机驱动电机的正常工作，同时确保顶管可以正常进行，必须将顶力控制在合理范围内，既不能太小，又不能过大，也即磨除洞口时顶力应有一个控制上限Pmax。本段顶管机设计最大扭矩Tmax为507.043 kN·m，以此作为依据来进行顶管机磨除洞口顶力控制上限Pmax的计算，即通过Tmax反算出Pmax。

经计算，Pmax=1 690 kN，因此在切削钢筋混凝土洞门阶段，必须将顶力控制在1 690 kN以内。

2.2.4 出洞止水措施

本段顶管管径较大，且顶进距离较长，工作井JD04井深度较大，下沉过程中产生突涌导致承压水涌入井内。在出洞施工阶段，承压水亦可能从洞口流入井内，传统的橡胶“抹套”不能满足要求，本工程决定采用钢法兰盘根止水装置。

工作井内部结构施工时预留穿墙钢套管，钢套管伸出井壁200 mm，法兰宽度200 mm（图4）。

图4 法兰示意

由于机头直径大于钢管（扩大部分为泥浆套），止水法兰不能一次安装到位，因此必须按传统方法安装橡胶“抹套”。

待机头进入洞口后拆除抹套的钢压板，安装止水法兰（图5）。

图5 止水法兰组装示意

2.3 出洞施工

顶管机安装完成后，逐步向洞口推进，且不断清除井内涌入的土体。在顶进至封堵墙时放慢顶进速度，顶进速度控制在2 cm/h左右，减少对顶管机内部设备的损坏；正常顶进时刀盘转速为2.146 r/min，在切削钢筋混凝土封堵墙时将刀盘转速控制在1 r/min，减小顶管机电机和主轴的发热。

进出洞口施工阶段，其核心是合理控制顶力，必须将最大顶力Pmax控制在1 690 kN以下。磨除洞口时，严禁为加快进出洞速度而加大顶力，且磨除洞口过程中应根据刀盘扭矩的实时情况，随时调整顶力，避免因顶力过大而造成扭矩过大，从而引起刀盘轴承超负荷运转，损坏设备（图6）。

磨封堵墙施工时，切削的混凝土和钢筋进入排泥管，小部分碎块和碎钢筋可以被排出，但大量的混凝土碎块和碎钢筋还是聚集在出泥管内，此时，主要通过将出水管拆除利用人工进行清除。

2.4 进出洞效果

焊接硬质钨钢刀头后的顶管机，其切削破碎磨除混凝土的能力得到大大加强，预留洞门处厚30 cm的钢筋混凝土墙能很快地被切削完（图7），且顶管机进洞后依然保持完好。采用顶管机切削洞门的施工方式，大大加快了施工进度，降低了常规的人工凿除预留洞门的风险，保障了本段顶管的顺利贯通。

图6 顶管机出洞

图7 顶管机切削进洞封堵墙

3 穿越河道（Ⅳ级）技术

本段顶管斜穿紫石泾，紫石泾河面宽约100 m，穿越范围约为112 m，水深约3.3 m，淤泥厚度0.5～0.7 m，河底高程－2.79 m，管顶覆土约为10.5 m（图8）。上覆土层主要为③1灰色淤泥质粉质黏土和④灰色淤泥质黏土，均呈流塑状态，具流变触变特性，极易发生扰动，工程性质较差。

3.1 难点

紫石泾河岸东西两侧均存在防汛墙，保护要求等级高。防汛墙采用预制板桩基础，桩底距离设计管道轴线顶标高约为1.0 m，现防汛墙处于稳定状态。顶管穿越河道防汛墙期间，必须控制好各项顶进施工参数，保持开挖面的稳定，减小对上覆土层的扰动，并加强对防汛墙的保护，避免防汛墙产生过大变形。

图8 顶管下穿紫石泾河道剖面

3.2 顶进控制措施

3.2.1 合理控制掘进、压浆参数

穿越河道防汛墙期间，一方面，顶速应控制在20～30 mm/min，防止顶速过快导致偏差过大，增大土体扰动。另一方面，泥水平衡顶管机主要是通过泥水仓的泥水压力平衡顶管开挖面的水土压力，为严格控制防汛墙沉降，必须设置并控制好泥水仓泥水压力，以确保开挖面的稳定。实际计算中，采用朗肯土压力理论计算顶管机刀盘正面土压力。

一般情况下，泥水仓泥水压力的设定必须控制在主动与被动土压力之间。理论上讲，若能将泥水压力控制为与静止土压力强度相近，则地层受到的扰动最小，开挖面也最稳定。实际施工时，我们将泥水仓压力设置为比静止土压力强度高20 kPa左右，静止土压力强度为123 kPa，故将泥水压力设置为143 kPa。实际施工过程中，应根据顶管埋深的不同以及地层条件的变化，结合泥水仓压力表读数不断修正，以防止压力过大而导致地表过度隆起，或过小而使掘进面失稳，引起地表过大沉降。

本段顶管顶管机刀盘切削直径为3 668 mm，通过在顶管机上焊接φ10 mm的钢筋以增大管道周围的空隙，顶进过程中还需及时做好同步注浆及沿线补浆，以控制沉降[7-8]。

3.2.2 顶管姿态控制

顶管施工进入河道范围时，每顶进50 cm进行一次顶管姿态测量，做到勤推、勤测、勤纠。避免因为轴线出现过大偏差而进行强制纠偏，顶管的纠偏操作应根据顶管姿态变化曲线图，经过分析以后确定，从而将对管外土体的扰动减到最小。

3.2.3 监测控制

加强对防汛墙的保护性监测、信息化施工。由监测单位对防汛墙进行变形监测，穿越河道防汛墙前30 m，进行初始值监测，进入防汛墙后测量频率提高至2 h一次，机头越过后恢复为2次/d。一旦发现变形超过报警值（30 mm），就应立即采取保护性跟踪注浆措施。

监测结果显示：穿越紫石泾时，紫石泾防汛墙变形控制在6 mm以内，随着区间的贯通后，监测数据逐渐趋于收敛。

4 结语

通过在所选用的面板式泥水平衡顶管机刀盘上焊接特质钨钢刀头增大刀盘的切削能力，顶管机利用自身刀盘在较短的时间内便顺利破碎切削了进出洞口的预留钢筋混凝土墙，从而降低了人工凿除洞门的风险，安全顺利地完成了顶管的进出洞施工。

同时本段顶管的顺利实施，为顶管进出洞门提供了一种新的施工技术，也为复杂工况下微扰动施工穿越技术提供了技术保障。