海底软土地层大断面超长距离复杂线形顶管隧道掘进技术

史兵见，陈世纪，彭勇辉，顾小双

（1、中铁隧道局集团有限公司 深圳 518052；2、中山大学土木工程学院 广州 510275）

0 引言

市政工程是城市存在和发展必不可少的基础，也是城市居民生存的基本条件。市政管道在施工过程中会涉及到各类管道的铺设，传统的明挖施工方法有效率低、影响交通、影响附近居民正常生活和难以在水底进行铺设等缺点。随着城市化进程的不断加快，管道铺设的效率和效益越来越被重视，非开挖施工方法由此孕育而生。顶管法因具有施工速度快、安全性好以及管道密封性能好等优点，在新时代蓬勃发展。顶管正朝着大口径、长距离、深埋深和复杂底层条件的方向发展［1］。对于长距离海底复杂地质条件，顶管存在抛石、孤石、施工过程中渗漏、以及顶进过程中的阻力可能过大等问题，需要对上述问题展开分析研究。

针对顶进地层地质情况并考虑抛石和孤石的影响来选择顶管机和布置刀盘。根据平衡方式的不同，封闭式顶管机可分为气压平衡、泥水平衡和土压平衡顶管机。侯德国［2］以山东省黄水东调19处工程为例，根据穿越地层地质特点、长距离的顶进设计以及工程等预算，选用了破碎式岩盘泥水平衡顶管机。周学锋等人［3］针对工程全断面岩石、岩层于土层交错等复合地质条件，选用了自主创新的泥水平衡顶管机，同时对刀盘设计了二次破碎和两级纠偏系统。国内对于刀盘的研究相对较少，很多都是结合特定的工程需要进行布置。许有俊等人［4］通过对包头市经三路地下综合管廊隧道的研究，用实地测量和理论分析等方法对位置刀盘扭矩大小变化规律及其配置问题进行了研究。李健［5］使用有限元分析软件Ansys Workbench对刀盘进行静力分析模拟。通过等效应力和位移量的云图得出了刀盘最大应力和最大位移量的所在位置，由此对刀盘进行了优化，提高了刀盘的整体质量。

始发井和接收井的稳定是保证施工正常进行的关键，吴发展［6］采用基坑围护桩及止水帷幕的方式对工作井进行端头加固，保证了施工的效率。渗水问题会妨碍施工的正常进行，采取严密的防水防渗措施尤为重要。如果洞口止水不成功，可能会引起顶管机头短路，严重的可能导致工作井塌陷和管道下陷［7］。目前常用的止水措施是洞孔橡胶圈止水和工作井注浆加固。对于管节之间的防水，在大东湖污水传输支隧工程中，孙庆等人［8］采用高强度抗渗预制钢筒混凝土管节，在管节接缝处布置双道止水胶圈，并往管节间灌注氨酯密封胶嵌缝。

随着顶进距离的增长，需要克服的阻力也会变得很大。阻力主要分为顶管的迎面阻力和管壁摩阻力。针对顶进力的问题，注射合适的泥浆可以极大程度减小管壁摩阻力。刘慧明［9］通过现场的正交试验，给苏州人民路矩形顶管设计出效果较好的减阻泥浆，并提出注浆时要同步注浆和二次补浆。唐培文［10］依托苏州城北路人民路段综合管廊顶管工程，用涂蜡和注浆等方法降低了管壁的摩阻力，实测的顶进力与理论计算值相比降低了40%，取得了不错的减阻效果。

本文以珠海某跨海电缆隧道工程为背景，探究在海底复杂地质条件、大断面和长距离复杂线形情况下的顶管施工关键技术，包括工程的顶管机选型、进出洞门止水措施、管节间的防水以及减阻措施等等。

1 工程概况

1.1 工程信息

珠海某跨海电缆隧道工程贯穿珠海市横琴马骝洲水道，大致呈东北至西南走向，交通较方便。隧道采用顶管法施工，长度约619.08 m，平面顶进方向与拟建的横琴二桥平行，在横琴二桥西部60 m 外，为工程平面位置如图1所示。

图1 工程平面位置Fig.1 Project Plan Location

顶管隧道长619.08 m，外径4.14 m（内径φ3.5 m，C50、P12 混凝土、F 型接口、工厂预制成品管节），穿越深度在海平面下22～29 m 之间，穿越的土层有淤泥层、淤泥质土层、可塑粘性土等。

1.2 地质条件

根据地勘报告，本工程场地稳定。受区域构造影响，基岩节理裂隙较发育，岩体破碎比较完整。根据以上岩土层描述和地震横波反射波组形态划分为5 层。①人工填土层；②、③、④第四系海陆交互相沉积层，②淤泥，③粘土，④全强风层花岗岩；⑤中微风化层。抛石、孤石和⑤层物理特征相近，根据工作测井资料，参考相邻地区资料，穿越地层轴线纵断面如图2所示。

图2 穿越轴线纵断面Fig.2 Longitudinal Section through the Axis

2 长距离、淤泥质地层顶管机选型极其针对性

2.1 顶管机设计技术参数

粘土、淤泥、淤泥质粘土是顶管施工穿越的地层，隧道埋深19.1～27.1 m，地下水位为1.35～2.40 m，隧道部分位于地下水位以下。综合当地情况，考虑存在抛石的影响，选用的顶管设备应能满足以下地质与环境的要求：

⑴由于隧道位于江底，因此选用泥水平衡顶管机。

⑵顶管机动力性能、结构设计，应能适用于复合地层或某种单一地层顶管掘进的要求，如各种砂层、粉土，并具备抛石破岩粉碎能力；

⑶排渣泵性能一次泵送距离不小于650 m，扬程45 m，并能满足连续输送最大粒径60 mm切削岩块；

（4）配备对掘进面泥水压力调整的功能，满足泥水平衡控制的要求，降低软粘土顶进风险；

为满足上述施工要求，工程选用φ3 500 内径泥水平衡复合顶管机。在软弱土层中，该顶管机能自动平衡切削面土体压力、有效控制地面沉降、施工速度快。顶进时刀盘通过变频调速来控制其转速，根据开挖面泥水压力变化来调整其切削量的大小，开挖面泥水压力平衡得以满足，有效地控制地面沉降。顶管机主要参数如表1所示。

表1 顶管机主要参数一览Tab.1 List of Main Parameters of Pipe Jacking Machine

2.2 刀盘配置

刀盘的主要功能为开挖、稳定和破碎，刀盘布置如图3 所示，刀盘采用平刀盘形式，盘面布置滚刀，设有先行刀、副贝壳刀、圆盘刀及切削刀，增强刀盘的整体耐磨性。由于大部分地层地质软弱，开口率设置在20%～30%之间，扭矩达815 kN·m，具备抛石顶进破岩能力。由于隧道地下水丰富，容易出现塌孔现象，又加上抛石的存在，刀盘配备有一级破碎和二级破碎两种功能。一级破碎功能是将较大的抛石进行破碎。有些较大的砾石无法通过出渣孔排除，配置锥式破碎筋与刀盘大梁共同形成对块石的二级破碎功能。一次破碎功能将石块进行初步破碎，使其能进入二次破碎系统。二级破碎功能可以将石块的粒径破碎到出渣孔直径以下，方便碎石的排出。

图3 刀盘布置Fig.3 Cutter Layout

实际施工表明，顶管机的选用和刀盘的布置符合地质条件要求，掘进过程中地表较稳定，产生的地表沉降都在合理的范围内。

3 临海深基坑洞门止水设计

顶管进出洞是施工过程中的一个关键环节。顶管始发洞门止水是一门综合性、实用性很强的工程技术，对顶管施工起着至关重要的作用。为了保证工程的顺利进行，施工的洞门止水方案有以下几点：

⑴工作井、接收井使用三轴搅拌桩进行端头加固，工作井1始发端头加固、工作井2接收端头加固的尺寸为9.25 m×8.65 m×8.14 m。加固范围均为顶管隧道外边缘上下3 m区域内（10.14 m）、左右2.255 m区域内（8.65 m），加固区长度9.25 m，加固体以上部分为空桩，工作井1三轴搅拌桩端头加固平面如图4所示。

图4 工作井1三轴搅拌桩端头加固平面Fig.4 Triaxial Mixing Pile End Reinforcement Plan in Work Well 1 （mm）

⑵工作井1 基坑外侧一共设置12 口降水井（其中2口为备用观测），将外部水位降至坑底以下。降水时遵循“按需抽水”的原则，减压降水深井孔径为650 mm，井管及过滤器外径273 mm。井深60 m，过滤器长度18 m。

⑶在顶管始发洞门前进行水平探孔，共钻7个水平探孔，分别位于洞门范围内上、中、下三路位置，上路2 个孔、中路3 个孔、下路2 个孔，钻孔深度为3.0 m（不包含地连墙厚度），具体孔位布置如图5 所示。在水平探孔完成后发现有轻微渗水，为了确保顶管始发洞门时的安全，对始发洞门进行水平注浆。

图5 水平探孔孔位布置Fig.5 Horizontal Probe Hole Layout

⑷洞门钢环内侧安装两圈钢丝刷，第一圈钢丝刷距离帘布橡胶板30 cm、第二圈钢丝刷距离第一圈30 cm，钢丝刷与洞门钢环连接方式采用焊接，在顶管顶进过程中通过预埋的油脂管往两圈钢丝刷之间注入油脂；

⑸洞口内径和顶管机外壳之间的密封止水采用2 道压板、翻板加2 道帘布橡胶板，避免产生泥水流失的现象，将地表沉降控制在合理的范围内。

现场检测的始发井和接收井水位均在合理的范围内，附近地层未出现较大的变形，洞门止水取得了不错的效果。

4 长距离复杂线性顶管管道防渗漏设计

本顶管工程为海底隧道，受海水影响较大，在工程完工之后的使用阶段会承受长久的海水腐蚀。所以不仅要考虑管节的本身的强度、抗渗性和抗腐蚀等性能，也要考虑管节间的连接和防水性能。

管节选用混凝土强度等级为C50、抗渗等级为P12的预制承插口混凝土管道。标准管节长2.5 m，外径4 140 mm，内径3 500 mm，壁厚320 mm，允许用顶力为25 400 kN。

管节的插口处安装两道耐腐蚀的专用止水橡胶圈和两道钢板，密封橡胶圈的安装如图6 所示。第一道钢板宽20 mm、厚8 mm，布置于两道橡胶圈之间；另一道钢板宽25 mm、厚8 mm，布置于插口的外侧，两块钢板夹着外侧的橡胶圈。管节间注入聚硫密封膏和密封胶，将管节接口进行密封。在管节接触面布置一道松木衬垫，避免顶进过程中张角过大而发生渗水现象，管节接头防水设计如图7所示。

图6 插口的橡胶圈安装Fig.6 Rubber Ring Installation for the Socket

图7 管节接头防水设计Fig.7 Waterproof Design of Pipe Joints （mm）

管道接头按标准设计防0.1 MPa 水压。但实际施工时，80%的接头在施工完后真实水压大于0.3 MPa开始渗漏。虽未采取任何堵漏措施，但在施工完后半年内大部分渗漏点自动停止渗漏，初步分析是上覆的淤泥质地层将其渗水缝隙填满所致。

5 长距离复杂线性顶管减阻

本工程顶管隧道长度619.08 m，为长距离顶管，顶进的摩擦力较大。考虑到抛石的影响，管道的摩擦系数很大。因此，在顶进的过程中选用高性能泥浆和相应措施减少阻力尤为重要。

5.1 长距离泥浆减阻技术方案

本工程触变泥浆原料主要包括水、膨胀土、纯碱和羧甲基纤维素（CMC）。优质触变泥浆配比原材料（质量比）膨胀土：羧甲基纤维素（CMC）∶纯碱∶水=400∶100∶10∶10。触变泥浆的性能指标如下：比重为1.01～1.06 g∕cm3，粘度为30～50 s，pH 值为8～10，静置24 h 无离析。采用泥浆搅拌系统触变泥浆的备置。

5.2 中继间

随着顶进距离的增长，管壁的摩阻力会慢慢变大，当距离过大时会出现千斤顶力不足的情况。此时在适当的位置安装中继间，可以将每一段的顶力控制在千斤顶的容许顶进力之内。通过设置中继间分段减少管壁与土体之间的摩擦力，可以实现顶管的长距离顶进。

中继间的设置根据顶力的计算得出，第一个中继间一般应安装在顶管机后20～40 m［11］。第一段除了克服侧壁摩擦力之外，还要克服刀盘顶进的反作用力，因此将第一套中继间布置在30 m位置。经计算，第二套、第三套和第四套中继间分别布置在200 m、370 m 和540 m的位置，且顶力均满足顶进要求。

在实际的施工过程中实时监测每一节管道顶进时的顶力，根据顶力的大小实时调整中继间的位置。由于施工的大多时期实测顶力都比设计值要小，千斤顶的容许顶进力尚充足，所以延长了每道中继间的距离。最终施工设置了3道中继间，分别在第27节管道（顶进67.5 m）、第78 节管道（顶进195 m）和133 节管道（332.5 m）处设置。3 道中继间将施工分为4 个阶段，经实测记录4 个阶段从前往后顶力平均值分别为5 376.3 kN、9 693.8 kN、9 268.0 kN 和11 289.7 kN。四段实测平均顶力均小于设计值，造成这个现象初步分析原因如下：

⑴顶进穿过的地层物理性质较为软弱，实际产生的顶进反力和侧壁摩阻力可能比计算值小。

⑵受海水影响，管道受到较大的浮力，使得管道与土体的正压力有所减少，最终导致侧壁摩阻力减小。

⑶ 合适的触变泥浆起到了很好的润滑减阻效果，使得侧壁摩阻力得到了降低。

6 结语

⑴本工程选用泥水平衡顶管机，满足海底淤泥质软弱底层的要求；同时配备有一级破碎和二级破碎功能，对大小不一的石块都起到切削效果，起到了较好的开挖、稳定和破碎效果。

⑵采用工作井和接收井端头加固、设置降水井、洞口水平探孔、洞门钢环内安装钢丝刷和进行密封止水等措施，使临海深基坑的洞门地下水丰富影响工程施工的问题得到了解决。

⑶双层橡胶圈防水、布置两道钢板，并在管节间注入聚硫密封膏和密封胶并在接触面布置松木衬垫，管节刚性连接满足防水要求，也允许一定的张角的柔性问题。

⑷实际施工中采用高性能的触变泥浆，设置三道中继间，有效减少了阻力，顶进过程较顺利。