软土地层深埋大直径泥水平衡顶管始发出洞安全技术

汤 武

上海建工（浙江）水利水电建设有限公司 上海 200082

国内顶管技术经过多年发展，技术工艺已越来越成熟，机头工具管的设计与制造技术、钢砼顶管接头密封技术、自动测量技术、泥浆减摩技术、顶管操作井施工技术得到大幅度的改进与提高，许多高难度的顶管工程得以成功实施，如双曲线顶管，最小半径可达到50倍管道外径；一次性顶进2km多的超长距离顶管；最大直径达到DN4000mm的顶管，顶管深度越来越深。但在顶管的进出洞环节上，付出过许多惨痛的代价，积累了丰富的经验与教训，至今仍有在进出洞施工中出安全问题的案例。

与盾构进出洞相比，顶管洞口要小一些，但两者在密封机理上还是有区别的。盾构进出洞安全仅限始发井与接收井两端，洞口安全主要采用扩大加固体范围与洞门外降水，保证土体稳定，不发生流砂，虽然也安装帘布橡胶板，是为了一旦洞外土体坍塌起挡泥作业，要完全依靠帘布橡胶板防止地下水渗漏，难度很大，成本很高。

而顶管进出洞安全，特别是始发出洞安全，是顶进全过程的，管道在移动就必须要密封住洞口、控制住沉降、维护住管外减摩泥浆套，虽然也有用洞门降水降低地下水位，但降水时间长，会产生一定的土体沉降，另外管外减摩浆后窜，还是要依靠洞口密封装置封住[1-3]。

在软土地层对土体位移非常敏感的地区，大埋深、大直径管道顶进的始发出洞安全，须作为关键环节进行研究攻关。

1 工程背景

某输水管线工程采用DN3600双管供水，供水距离约为27km，管中心间距7.2m，钢管壁厚34mm，设计最大流速2.68m/s，水力坡降1.39%，供水规模为440万m3/日。

工程范围内J46—J53号顶管井间的DN3600双管采用顶管施工，顶管长度918m×2根，管道下穿地铁7号线南侧出入口围护桩，J47号井DN3600mm管底深度达到17.6m。

顶管施工主要涉及第③、④层和⑤1-1层大部分，J46—J47号井区间顶管穿越④层淤泥质粘土和⑤1-1粘土层交界处，因该区间⑤1-1粘土层分布较薄，顶管隧道底贴近其下分布的⑤2-1a层砂质粉土，该层土渗透系数较大，富含地下水，具微承压性，须充分考虑对该区间顶管施工进出洞、机头及中继间密封的不利影响。

J47号井位于高科西路与南侧汽车修理厂之间，北侧高科西路下分布有地铁7号线双管隧道，市政管线及强弱电管线密布，还有南侧汽车修理厂，离井位基坑距离较近，离南侧地铁隧道边线净距只有5m，井位东侧有6层居民楼、地铁7号线锦绣路站，对施工沉降要求高。

DN3600双管顶管与地铁七号线隧道相对位置断面：J46—J47号井区间DN3600双管顶管，与地铁7号线隧道轴线平行，最小净距7.0m，沿线下穿锦绣路车站南侧出入口围护桩、大直径电力隧道、南干线污水管道等，顶管管内底在地铁隧道底以下3.4m。

2 顶管方案选择

J46—J47号井区间DN3600双管顶管，长度918m，与地铁7号线隧道平行，净距7.0m，为降低顶管施工对地铁隧道的不利影响，采用泥水平衡顶管机顶进。

原设计方案J46号井为始发工作井，位于高科西路博华路口，周围环境敏感程度较之J47号井要低一些，管道埋深也要浅2m，是相邻标段C11标的施工范围。为便于施工进度安排，将始发工作井调整为J47号井，从下游往上游顶进。

3 始发洞口密封技术

盾构隧道也存在洞口密封问题，隧道直径较顶管管道直径大得多，但两者对洞口密封的要求也有区别，盾构隧道重点考虑的是始发出洞时盾构机的密封，隧道管片的密封可采用在管内注浆进行封堵，同时将洞口始发段土体加固得长一些，一般比盾构机长度长2m左右，以降低对洞口密封的要求，同时辅以洞口降水，在无水的状态下出洞；而顶管始发密封则要考虑顶管全程的洞口密封安全。

泥水平衡顶管由于泥水压力的作用，较之土压平衡顶管对洞口密封的要求高。土压平衡机头始发出洞时，机头直接切削加固体土体，土仓无泥水压力，洞口密封底部承受地下水压力水头H。

3.1 泥水平衡顶管机洞口密封压力计算

泥水平衡机头穿过洞口密封装置，在切削洞口加固体前，须打开送泥泵供水，以便能切削破碎加固体，若不考虑送泥泵加压的影响，洞口密封底部承受泥浆箱液面高度泥水压力(以清水为主)，即地下水压力水头H加液面高度Hw；

洞口密封耐压P计算：按J47号井始发洞口管道埋深17.6m，泥浆箱液面高出地面1.8m，安全系数取1.1，则P=1.1×(17.6+1.8)×10=213.4 kPa。

管道底部⑤2-1a层砂质粉土微承压水头最高水位在地面下3.0m，对洞口密封耐压要求较上式计算值低。

针对47号井顶管管道大深度，坑外土层分布，周边环境对土体位移沉降的敏感程度，作为始发工作井，顶管机出洞安全与顶管全程的洞口密封是一个非常重要的环节，可以说关系到这一节长距离顶管施工的成败，我公司调动集中技术力量进行重点攻关。

3.2 洞口密封构造的选择

洞口密封止水装置须满足如下3个条件：

①能适应机头外径与钢管外径变化的要求；

②能适应顶管全程钢管外径加工精度变化的要求；

③密封件的磨损与更换能满足长距离顶管的需要。

根据市场调研与分析，有如下二种构造，各有优缺点，分析如下：

3.2.1 双道帘布橡胶止水装置

优点：一次性安装，同时满足顶管机外径与钢管外径密封要求，对管外径制作精度适应性强，外层帘布橡胶板更换方便；

缺点：对帘布橡胶板平整度及材料性能如强度、延伸率要求高。

3.2.2 盘根止水装置

优点：耐压高，油盘根耐磨性好，对发现的渗漏点，可快速通过钢卡马的张拉压紧油盘根，实现径向封堵；

缺点：机头外径密封与管道外径密封须分二次安装，油盘根径向密封间隙有限，磨损后更换困难。

经分析比较，决定采用双道帘布橡胶加双道压注浓浆的止水装置，流塑状的浓浆一方面起润滑作用，能有效降低帘布橡胶与管道之间的摩擦力，另一方面能及时地填充渗流间隙，加强密封效果，增大密封压力。

3.2.3 帘布橡胶板的设计与安装

对于高密封性的帘布橡胶板制作，须根据现场内衬钢套筒端面板的尺寸及固定螺栓分布配制，工厂整体成形，不允许现场粘结接头。

帘布橡胶板内圈直径的确定：理论上内圈直径越小，管道通过后橡胶板内圈的拉伸量越大，密封压力越高，但同时会大幅度增加橡胶板与管道的摩阻力，会产生橡胶板弯角处的应力集中，造成橡胶板开裂与帘布条断裂，如图1示。

图1 顶管洞口密封断面图

施工实践经验表明，对于大直径顶管，橡胶板内圈伸长量要控制得小一些[4]，一般控制在10%～15%；

帘布橡胶板材料性能要求：厚度20mm主要成分是氯丁胶和天然橡胶，径向尼龙线横向棉纱线成网状结构，重要的应用场合须做材料性能试验，要求伸长率在300%以上，抗拉强度在10MPa以上。

帘布橡胶板的安装：现场搭设脚手架，整体提升安装，压板与螺栓拧紧后，目测检查整圈橡胶板密贴无空隙，无褶皱，底钢板与固定螺栓无松动；复核安装后帘布橡胶板内圈中心与顶管中心的偏差值，控制在20mm以内。

3.2.4 浓浆压注

洞口预埋的压注管径为3英寸管，圆周布置6个压注口，如图2示：

图2 浓浆注入口分布

浓浆配置：以优质粘土和膨润土为主，流塑状，坍落度18cm～20cm；

注浆泵：采用柱塞泵，进浆口螺杆输送供浆。

压注方法：先下后上，左右对称，以压浆量为主，控制注浆压力，以免帘布橡胶板的过大变形。

4 洞口始发段土体加固技术

J47号井围护墙采用1000mm地墙，始发洞门外土体采用搅拌桩加固，设计方案如图3示。

图3 洞口始发段土体加固范围设计图

4.1 洞口土体加固范围调整

J47号井调整为始发工作井后，为始发出洞安全，查阅同类工程加固体稳定计算资料，洞门外加固体范围调整如下：

洞口加固体管道轴线方向总厚度调整为5000mm，为保证加固体整体均匀性，全部采用三轴搅拌桩，水泥掺量20%，加固深度在管中心以下4800mm，桩顶标高-7.2m，桩底标高-16.8m。

4.2 地墙与加固体结合部防渗处理

大深度大直径顶管机始发出洞，在1000mm地墙凿除后，处于最危险状态，它的安全保障与二个因素有关，一是土体强度问题，二是渗漏问题，解决好这两个问题，洞门安全才有保障[5]。

洞口加固体强度：加固体厚度调整为5m，加固范围在管道上下左右各3m，与地铁盾构始发洞口加固体比较，虽然加固厚度小了一半，但顶管洞口直径较小（4000mm），还有圆形井洞外加固体成圆弧状，有土拱效应，按同类工程施工经验，水泥掺量提高到20%的三轴搅拌桩加固体，能满足强度要求；

洞口渗漏：与加固体整体性均匀性有关，三轴搅拌桩每幅之间采用套钻法施工；与加固体与地墙结合严密性有关，工程实践中，洞口渗漏往往与这一环节处理不到位有关；地墙与加固体之间有空挡，而采用旋喷桩弥补空挡又无法做到位，造成渗漏或事故的重重隐患。

4.2.1 地墙与加固体结合处理

首先在施工工序上彻底解决渗漏隐患，先施工洞口加固体，再施工地墙，在地墙内侧增加一排850mm三轴搅拌桩，使成槽抓斗对称挖土，不发生偏斜，如图4示：

图4 地墙与洞口加固施工平面

4.2.2 质量控制重点

质量控制重点如下：

①按折线精确放样每幅地墙平面位置，两侧搅拌桩净间距略大于地墙宽度20mm～30mm；

②三轴搅拌桩垂直度控制在1/500；

③地墙施工采用重型抓斗挖槽，按1/500控制垂直度。

5 周围环境保护与监测

J47号井处于对土体位移高敏感环境中，北侧地铁7号线隧道须重点保护。

为掌握与控制顶管施工对地铁7号线隧道的影响程度，除地铁申通运营公司在隧道内安装水平尺监控外，作为施工监测，在J47号井与地铁7号线隧道间设置测斜孔和跟踪注浆孔。

6 效果监测

5月15日下午顶管机头调试完成，一周后洞口地墙凿除，双道帘布橡胶板止水装置短钢套安装到位，洞门内干燥无渗漏水，5月22日始发出洞。

在顶管机头穿过第二道帘布橡胶板密封圈后，切削加固体前，送浆管直放清水，不开启送浆泵，洞口下部有少量渗水，下部二个压浆口压注浓浆，先内后外，洞口无渗水。

测斜孔监测数据整理后如图5示。

图5 测斜孔观测数据图

至晚上八点半机头全部进入洞内，测得最大水位移3.2mm，远低于隧道周围允许的土体位移20mm的要求，如图6示。

图6 测斜孔位移数据汇总图

7 结论

本文针对大埋深、大直径泥水平衡顶管始发出洞安全问题，提出了改进与优化措施，在上海浦东软土地层，紧邻高科西路地铁七号线锦绣路站即将运营的隧道南侧，对土体位移有较高敏感地区，在不实施洞门降水的情况下，成功实施泥水平衡顶管始发出洞，将隧道位移控制在最小范围内，总结如下：

(1) 采用“夹心饼干式”地墙施工方法是解决地墙与洞门外加固体无缝连接的有效办法，重点是控制好三轴搅拌桩垂直度，采用重型抓斗成槽；

(2) 针对大深度、大直径顶管始发洞门外的土体加固方法，全部采用三轴搅拌桩施工工艺，能保证加固体的强度与防渗性能；

(3) 采用双道帘布橡胶板加上压注浓浆的洞口密封止水装置，能满足泥水平衡顶管始发出洞高泥水压力的密封要求，须重点控制好帘布橡胶板的材料检验、制作安装精度、浓浆压注的施工质量。