砂姜黏土地层双排顶管施工关键技术研究

廖云，李灿，陈军，周江，陈晨

（1.中铁四局集团市政工程有限公司，安徽 合肥 230022；2.安徽建筑大学建筑结构与地下工程安徽省重点实验室，安徽 合肥 230601）

0 前言

顶管施工作为一种非开挖技术已在我国城市地下管道建设中得到广泛应用[1]，但砂姜黏土地层双排顶管研究与应用还很有限。顶管施工具有以下优点：将施工工作面移至地下，可以避免施工对地面交通的干扰以及对城市周围环境的污染和破坏，同时避免了地下管道埋深限制，这可以使管道从密集的建筑物底部穿过。然而，在近距双排顶管施工过程中相互影响大，造成周围土体的原始应力状态发生变化，从而导致复杂的力学行为，因此，必须对砂姜黏土地区双排顶管进行关键技术研究。

目前对于双排顶管施工的关键技术已做了一些研究[2-4]，但砂姜黏土层具有黏性大，强度高，摩阻系数较大等特点，传统的顶管施工技术，刀盘粘结堵塞及扭矩和迎面阻力太大，管道外壁与土体间的摩阻力太大，顶管施工时双排管道相互间影响较大。

本文基于徐州市骆马湖水源地及第二地面水厂工程对双排顶管穿越砂姜黏土地层进行了现场试验，发明了砂姜黏土地层双排近距泥水平衡顶管施工专用切削刀盘，研发了适用于砂姜黏土地层双排近距顶管施工的新型润滑减阻浆液，形成了双管错位交替顶进的工艺及控制参数的确定。

1 工程概况

徐州市地面水厂工程06标段项目的取水规模和送水管线输送规模均为80万m3/d，设计采用双排D2020钢管。其中穿越徐洪河段全长592m，管道埋深4m～17m，顶管外径D1=2.02m。管道位于含砂姜黏土层，含砂姜黏土层主要成分为黏土，由于其中含有姜石使其具备黏性大，强度高，摩阻系数较大等特点。开挖埋管难以施工，应采用非开挖施工。

第三层：粉土夹粉砂；第四层：黏土；第五层：含砂姜黏土。本工程顶管所处地层为第五层含砂姜黏土层，详见图1。

根据地勘资料及现场勘测，顶管施工深度范围内地下水较丰富，地下水均属于潜水。依据徐洪河段地勘资料，依据地下水位及土质情况可将穿徐洪河顶管管道所处地质情况分为如下几段。具体见表1。

穿越徐洪河顶管段地质划分表 表1

图1 地质剖面图

2 关键技术研究

2.1 刀盘的优化设计

针对砂姜黏土层黏性大、塑性高等特点，研发专用的刀盘及刀具，提高对砂姜的破碎效果，避免刀盘粘结堵塞，降低刀盘扭矩和迎面阻力，减小对土体的扰动，以解决砂姜黏土层顶管的施工难题。

正式顶进前做了一个试验段来检查顶管机的各项指标（如：顶力、刀盘扭矩、出渣量、泥水仓压力等）是否符合施工要求，如果不符合，则将机头拖出，分析原因，并提出进一步改进措施，对刀盘进行改进设计后，再入土顶进，确保各项指标达到要求后才能正式顶进。本项目在穿徐洪河顶进时，前后共入土调试3次，对机头改进2次后才满足正式顶进的要求。优化设计前后刀盘如图2。

刀盘及刀具的研发创新主要体现在以下两个方面：增加进泥孔数量；扩大进泥孔面积。将初次进场的刀盘进泥口口径由50mm×50mm扩大至60mm×70mm，并适当增加了进泥口数量，使刀盘的开口率由原来的8.4%增加至11.1%；在刀盘面板上设置不同大小的切削刀头，强化刀盘的切削能力，大尺寸刀头将整块坚硬土体破碎成小块，再由小尺寸刀头将小块土体进一步破碎，从而使切削下来的土体顺利进入泥水仓。

图2 优化设计前后刀盘

图3 顶力变化曲线

2.2 注浆减阻工艺

在近距双排顶管施工过程中，注浆减阻能够减小管道外壁与土体间的摩阻力，从而减小对周边土体的扰动，减小相邻管道间的相互影响。因此，选择对地层适应性强的浆液及注浆系统乃是研究重点。

2.2.1 注浆配比的确定

常规情况下触变泥浆仅采用钠基膨润土加水搅拌进行配置，而本项目为了适应该种特殊地质，通过现场试验调配，最终使用的泥浆配比为钠基膨润土：水：烧碱：CMC=125：1000：3：0.25，该浆液性能稳定，有良好的触变性和一定的稠度，对土层能起到一定的支撑作用，适合粉质黏土，高地下水地质，经过多次现场试验取得良好效果。

2.2.2 注浆系统的研究

为确保在含砂姜黏土地质条件下管外壁泥浆套能够顺利成环，起到减阻及支承作用，借鉴盾构注浆原理采用双液注浆系统：即在机头前设置同步注浆系统，随顶随注浆，及时填充管外壁空隙；在后续管节上设置跟进补浆系统，不断补充浆液，填充因浆液流失而出现的空隙。

2.2.3 顶力变化曲线

施工过程中严格按照配方进行浆液调配并加强过程中的注浆管理，确保浆套成形，根据现场实际记录顶力，绘制出如下顶力变化曲线图3。

由图3可以看出，管道实际顶力较理论计算顶力小很多，通过分析，主要是由于注浆效果良好，管外壁形成了完整的泥浆套环，对管外壁土体起到了有效支撑和减阻作用；另外，通过图3可以看出，双排管道错距同步顶进时顶力变化基本不受相邻管道影响，达到了预期目标，证明措施有效。

2.3 减小双排顶管相互影响的措施

2.3.1 双排管道横向间距论证

国内相关研究者魏纲等经过理论分析得到适用于控制双排平行管道横向间距参数的相关定论，两管道中心线的水平距离与管顶扰动宽度之间的关系对顶管施工的安全性至关重要。两管道中心线的水平距离大于或等于机头扰动宽度时是安全的[5-6]，如图4所示。

图4 双排管道横向间距计算简化模型

式中，Be为管顶土体扰动宽度（m）；D0为顶管机的外径（m），取2.06m；为土的内摩擦角（°）。

黏土内摩擦角φ=0°～30°，这里取φ=24°，经计算 Be=3.8m,满足要求。

2.3.2 错位纵距的控制参数确定

合理确定两管前后错位纵距，对于减少两管相互干扰和影响及管间土体的扰动至关重要[7-8]。施工前采用力学简化模式来估算前后纵距L，双排管道纵向间距计算简化模型如图5。

图5 双排管道纵向间距计算简化模型

双排顶管最小纵向间距：

式中，H为前方顶管机长，如果顶管机后与管节做刚性联结，则H应为顶管机管长与后联结钢管长度之和（m），取4.5+6=10.5m；土质性质决定的系数γ=1.5～2.0，这里取 γ=2.0。

在顶管施工中，其正面对土体的施力状况是按（45°+φ/2） 向前方 360°扩散，其纵向影响距离推算如下：

式中，P0为静止土压力，P0=135kPa；Pp为被动土压力，Pp=150kPa；D为顶管机外径（m），取2.06m。

将 P0=135kPa，Pp=150kPa 代入式（6）、（7），得：

3 结论

本文基于徐州市地面水厂工程顶管穿越徐洪河段砂姜黏土地层工程实践，分析了砂姜黏土地层双排近距泥水平衡顶管施工关键技术，得出以下结论：

①针对地质复杂、含水量大、覆土较深、顶距较长的情况下顶进工程特点，分析了选用泥水平衡顶管机考虑因素，提出了将初次进场的刀盘进泥口口径设置为60mm×70mm，并适当增加了进泥口数量，使刀盘的开口率增加至11.1%，大幅减少了切削刀具及刀盘的主体磨损，提高了施工效率。

②基于大量的不同材料类型的触变泥浆室内配比试验和性能测定，并通过现场顶力测试，确定了泥浆配比为钠基膨润土：水：烧碱：CMC=125：1000：3：0.25，大幅降低了顶管顶力及其变化幅度；双液注浆系统有利于管外壁泥浆套能够顺利成环，起到减阻及支承作用。

③通过双排管道横向间距论证及错位纵距的控制参数研究，建立双排管道横向纵向间距计算简化模型，研究表明，本工程双排管道横向轴线距离6.0m，纵距的最小值21.6m，大幅度减少了两管相互干扰及管间土体的扰动。