粉土地层顶管下穿高速施工关键技术研究

赵伟娟

（河北省交通规划设计研究院有限公司，石家庄 050000）

1 引言

随着经济建设的发展，长距离地下管线对地下空间的需求也随之增长。而地下管线在铺设时不可避免地会遇到穿越已有公路、铁路桥梁等基础设施的情况。为了降低工程对交通的影响以及减小施工时对已有设施的影响，顶管法被大量用来实现这些目的。

目前，顶管施工过程中引起的地面沉降是目前学者们最为关注的问题。由于地面沉降对地面交通和行人安全会产生直接影响，特别是在一些周边环境复杂的区域，为了确保周边环境的影响最小化，施工中应采取的措施以及顶管引起的地表沉降规律是学者们研究的重点[1-3]。此外，顶管施工过程中采用的新技术、新方法也是研究者们所关心的[4-8]；而关于顶管施工方法的理论研究主要围绕顶管泥浆材料、背土效应、管周压力和土体形变及破坏理论展开[9-13]。另外，顶管施工过程中掌子面稳定性以及顶管施工地层稳定性也是近几年的研究热点[14-16]。从目前针对顶管的相关研究可以看出，顶管产生的周边环境影响以及顶管施工过程稳定性和相关变形理论是学者们目前研究最为广泛的内容，本文主要对施工过程中的关键技术和方法进行研究。以河北某千伏线路采用顶管方法下穿高速公路为研究背景，结合现场施工工况和技术内容，分析研究该管线穿越高速公路所采用的顶管方法中的关键技术和方法。

2 工程概况

如图1 所示，工程线路采用顶管施工下穿高速公路，下穿段路径长221 m，交叉角度83°，穿越方式为2×φ3 500mm 顶进钢筋混凝土圆管。高速路面最小覆土厚度为12.46 m，高速公路边沟最小覆土厚度为6.92 m，从高速北侧做始发井，南侧做接收井，始发井距高速公路边坡底的水平距离为133.5 m、接收井距高速公路边坡底的水平距离为48.1 m，高速公路顶进施工采用泥水平衡机械顶进施工工艺。

图1 施工场地平面布置（单位：m）

3 水文工程地质

拟建场地周边环境复杂，邻近水池施工（见图2）。线路沿线40.00 m 深度范围内地层岩性主要为填土、黄土类土、粉土、黏性土及砂类土等。

图2 场地周边环境

拟建电缆隧道沿线地下水主要为赋存于第四系松散堆积物孔隙中的潜水，地层中③1 层粉砂、③2 层粉土透水性强，下伏的③3 层粉质黏土及④1 层粉质黏土透水性弱，上部粉土、粉砂中会在雨季在一定的上层滞水，水量不大。可以考虑明沟排水的方式。

4 施工工况

顶管所在地层为粉土，为了保护顶管掌子面稳定性，采用泥水平衡式顶管方法，工艺流程如下：（1）调查管线；（2）选定工作坑位置；（3）施工场地内管线防护、改移；（4）工作坑开挖、支护、基底处理、施工壁板和底板；（5）预制混凝土顶管顶进段/导轨纵梁加横梁进行线路加固；（6）顶进管道/顶进切土，出土运输/ 监测，纠偏；（7）顶进循环施工/ 公路沉降检测及维护；（8）根据检测情况，公路沉降处理；（9）施工顶板、回填基坑等收尾工程/ 道路工程检查；（10）竣工。

5 顶管施工关键技术

5.1 掌子面稳定及施工过程沉降控制

工点地质以粉质黏土、粉土、粉细砂为主，地下水埋深较深，为防止管道顶进过程中掌子面土体坍塌引起的管壁四周与土体形成较大的空隙，顶管采用泥水平衡顶管机顶进施工。顶管施工过程中严格控制进排泥水量，必须在泥水仓压力平衡状态下进行顶管顶进，防止出现较大的超挖、正面土体失稳、坍塌。

管道顶进时需同时采用触变泥浆在管外形成泥浆套。管节四周外壁涂蜡、烘烤，以减小管壁与土体的摩擦系数，从而有效减小顶进过程的摩擦阻力；为防止掌子面土体坍塌引起的管壁四周与土体形成较大的空隙，在顶管前端设置注浆孔，必要时进行注浆加固处理，避免出现工后沉降。注浆压力为0.3～0.5 MPa，稳压5～10 min，并由此确定注浆量。顶进时路面最大沉降量为11 mm，在允许值20 mm 范围之内。

5.2 顶管掘进施工参数设计

内径3.5 m，壁厚320 mm 的顶管允许顶力估算为34 692 kN。而顶管顶进所需顶力估算为67 275 kN，大于顶管允许顶力，需设中继间。

经计算，需设置3 个中继间，第一道中继间宜布置在顶管机后方37 m 的位置，应能保证克服前方管道的外壁摩阻力和顶管的迎面阻力之和；第二道、第三道中继间宜分别放置在距离第一道中继间66 m、距离第二道中继间66 m 位置，应能克服两个中继间之间的管道外壁摩阻力；中继间位置可根据现场地质情况进行调整。顶管顶进时注意控制顶进速度并随时注意顶进方向。此外，在接受井处设置旋喷桩加固区域（见图3）来保证施工安全和上覆高速公路设施正常运营。

图3 接受井加固（单位：mm）

5.3 工后沉降处理及空洞检测

对公路路界内顶管进行超声波或地质雷达检测。确定不密实或空隙部位。根据顶管管节预留注浆孔分布情况，合理布置注浆孔。在注浆过程中加强检测，当发生路面隆起等异常情况时，可降低注浆压力或采用间歇注浆，直到停止注浆，掺加量根据现场试验确定。

6 结语

粉土地层中线缆穿越已有运行高速公路时采用顶管法施工。为确保已有基础设施的正常运行和交通出行安全，对顶管施工过程中采用的一系列保障施工安全和降低对周边环境的影响的措施展开研究，得出以下结论。

1）工点地质以粉质黏土、粉土、粉细砂为主，地下水埋深较深，为防止管道顶进过程中掌子面土体坍塌，顶管采用泥水平衡顶管机顶进施工。管道顶进时同时采用触变泥浆在管外形成泥浆套，减小管壁与土体摩擦。

2）顶管施工过程中，设置3 个中继间，中继间位置可根据现场地质情况进行调整。顶管顶进时应时刻注意控制顶进速度并随时注意顶进方向，以确保施工顶管的正常运行。

3）工后对公路路界内顶管进行超声波或地质雷达检测来确定不密实或空隙部位。注浆过程检测路面状况，发生异常情况时，可降低注浆压力或采用间歇注浆，直到停止注浆。