高水压砂土地层矩形顶管关键施工技术

高水压砂土地层矩形顶管关键施工技术

张亮

上海隧道工程有限公司 200232

摘要：在高水压砂土地层中进行矩形顶管施工，面临着刀盘被砂层裹住抱死、顶力剧增、螺旋机喷涌、姿态失控、路面塌陷等技术挑战，且缺乏成熟的工程经验可供参考。为克服以上难点，本文以杭州地铁某车站出入口通道为研究背景，针对性研究适用于高水压砂土地层的顶管机及关键施工技术，主要为：适合高水压砂层的顶管机构造及参数、开挖面砂土改良技术、工作井洞口止水装置及土中顶管接收技术。通过这些措施，顺利完成了此通道施工，完善了矩形顶管施工技术，为类似地层施工积累了经验。

关键词：矩形顶管；砂性土层；高水压；地层改良；洞口止水；土中顶管接收

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0.引言

土压平衡矩形顶管施工技术与地层特性密切相关，随着矩形顶管应用领域扩大，大埋深、高水压砂土地层是矩形顶管工法所面临的新挑战，国内施工案例少，且尚无成熟的施工经验可供借鉴。如沿用粘性土层中顶管施工思路及技术措施难以奏效，甚至会导致工程失败。高水压下砂土地层矩形顶管难点主要有以下方面：砂土为无粘性土，在没有采取合理的改良措施下无法形成塑性流动状态，导致螺旋机无法出土；由于土仓内砂土逐渐压密板结导致刀盘阻力、扭矩剧增，直至刀盘抱死，电机停机而无法顶进；高水压的情况下，砂土渗透性强，洞门易发生流沙、涌水事故；螺旋机发生喷涌等。因此，在高水压砂层中矩形顶管，解决难题的关键点是选用适应此地层的矩形顶管机、适宜的开挖面砂土改良技术、以及进出洞可靠的止水措施、可靠的土中接收技术。下面以杭州地铁某车站出入口通道为例进行详细介绍。

1.工程概况

管节外径截面尺寸为6.9m*4.2m，管壁厚度500mm，下穿河流。顶管上覆土厚度约10m，河道下方顶进段上覆土厚度约6m，河水深度约2.2m。

图1-1 工程剖面图

根据勘察资料，土层从上至下分别为①2素填土层、③1砂质粉土层、③2砂质粉土层、③4砂质粉土层、③5砂质粉土层等。顶管穿越土层为③4砂质粉土、③5砂质粉土层，其物理力学性质指标如下表：

表1.1 物理力学性质指标统计成果表

本次勘察测得稳定水位埋深为地面下约1.5m。隧道顶部地下水头约8.5m，底部水头约12.7m。

2.高水压砂层矩形顶管选型

针对本工程高水压砂性土地层所研制的土压平衡式矩形顶管机具有以下特点：

（1）高切削率：采用1只大刀盘与4只小刀盘相结合，刀盘采用辐条式结构，既能有效控制机头扭转，又能保证有效的切削面积达到90%以上，减小盲区面积。

（2）大扭矩：采用大刀盘直径为4200mm，额定扭矩为1800kN •m；小刀盘直径为2040mm，额定扭矩为287kN •m。切割系数分别为23.8和33.7，能承受砂层大的切割阻力。

（3）机头正面刀盘及面板,以及胸版上均设置注浆改良孔，施工过程中可注入土体改良剂。机头前端顶部设置防背土孔，顶进过程中同步注浆，减小摩阻力（图3-1、图3-2）。

（4）在螺旋机口增设一道应急闸门预防螺旋机喷涌。

3. 刀盘防抱死开挖面砂土改良技术

3.1 刀盘被砂层抱死原因分析

相比粘性土层，砂土层的特点是内摩擦角大，粘性颗粒少，塑性流动性差；渗透系数大，易于失水。土压平衡顶管施工的原理是在主顶油缸的推力下，保持土仓中水土压力维持在静止土压附近，刀盘切削土体并搅拌形成塑性流动状态泥土，通过螺旋机排出，维持排出土体体积与推进速度相匹配的动态平衡而实现通道正常顶进。对于开挖面前砂土，刀盘切割下的砂土进入土仓搅拌，因砂土颗粒缺乏粘粒润滑包裹，难以成塑性状态，砂颗粒之间的水分也在胸板的挤压、搅拌棒摩擦生热的烘烤下挥发、流失，变得紧密干燥，摩擦角进一步加大，甚至板结，导致刀盘搅拌及切削阻力急剧增加。当大于刀盘的驱动扭矩时，刀盘就会被砂粒紧紧包裹，导致电机无法启动，即所谓的刀盘“抱死”。如没有采用合适的措施，此类现象在砂土地层很容易发生。

3.2砂土改良技术措施

为了达到土仓内的砂土如粘土一样有较为稳定的塑性状态，顺利由螺旋机排出，则需要采用合适的改良材料、配比及掺量，以及改良剂注入及搅拌工艺。

（1）改良材料

此工程采用泡沫剂及膨润土两种改良材料进行试验，结果表明泡沫注入需采用压缩空气，压力难以控制，且容易从地面溢出，因此需要进一步探索。相比而言，采用膨润土为改良剂则更容易控制和操作，采用粘度比较大的浆液，不容易窜浆，对环境无危害，因此本工程采用膨润土为改良剂。

采用纳基膨润土，考虑施工便利性，开挖面土体改良浆液与减阻泥浆采用同一配比，一套搅拌及管路系统。

膨润土泥浆配比如表3.1：

表3.1膨润土改良剂配比表

根据注入浆液的体积进行试验，以确定合适的浆液注入比（注入浆液的体积与被改良土体的体积比），其效果及比例见表3.2：

表3.2改良浆液注入效果

根据现场不同注浆比例，对于此类土体，比较稳定可靠的浆液体积：土体积=1：1。以上掺入比例适合本工程土质，此比例与砂层的粒径、粘粒含量、密实度等相关，需要进一步研究。

（2）改良工艺

大刀盘上设置2个高压注浆孔；胸板上设置5个高压注浆孔，盲区位置设置4个被动搅拌棒。均用于砂性土层中土体改良。

图3-1 刀盘上土体改良孔位置示意图

图3-2 胸板上土体改良孔位置示意图

根据试验大致确定注浆体积比例后，顶进过程中由于地层的不均性，需要根据实际情况微调注浆量。注浆控制以注浆量为主，注浆压力为辅。

施工过程中，须严格控制刀盘电流，当刀盘电流接近额定电流约70%，必须停止顶进，加强土体改良。搅拌时间需足够，直到刀盘电流降低到正常值后，才能出土顶进。

改良浆液主要注入在刀盘正面位置，约占体积的80%，其余注在胸板位置。

（3）改良效果

改良后，土体基本呈现流塑状态，出土连续。

图3-3 土体改良之后的效果图

4.工作井洞口止水技术措施

通道顶覆土厚度大于10m，砂性土层中水头压力较大，约为0.1～0.13MPa，顶管出洞时，向始发井内涌水涌砂风险很大。洞口止水装置的可靠性是顶管顺利施工的关键环节。

在黏性土层顶管施工时，工作井洞口止水装置一般采用一道帘布橡胶板。在高水压砂性土层中施工时，宜采用外挂箱体式双道帘布橡胶板止水装置，在中间止水钢板上预留注浆孔，以备压注堵漏剂。实践表明，此装置安全可靠，能经受住砂性土层中10m水头的考验。

图4-1 洞口止水装置安装剖面示意图

5.顶管土中接收技术措施

接收井区域顶管穿越的土层为③4砂质粉土层、③5砂质粉土层，砂性土层中富水量较大、渗透性较好，且水压高极易出现流沙涌水事故。因此，为保证顶管顺利接收，顶管接收采用土中进洞方式。

5.1 接收井基座布置

顶管机进入接收加固区约1.5m，刀盘鼻尖距地连墙约3.5m时暂停顶进，开始设置接收井混凝土基座和引轨。根据机头的姿态模拟出接收引轨的标高，安装在接收洞口预埋钢环上，并把引轨延伸至接收基座位置。引轨比机头底5mm，接收基座比引轨底5mm。

图5-1 接收井基座及引轨布置示意图

5.2 接收前准备工作

1）首节管节采用背覆钢板

为便于接收井回填土清理时，及时用钢板将洞门与管节间空隙进行焊接封堵，首节管节前端外弧面设置背覆钢板，钢板厚度1cm。

2）接收洞口打设水平探孔

凿除洞门前在接收洞口打设9个观测孔（米字型），探孔直径为80mm，钻孔深度为2.0m，确保打穿地连墙，钻至加固土体，以便检测洞门外加固土体情况。

图5-2 洞口水平探孔布置示意图

3）洞口应急降水

由于通道处于砂性土层中，接收洞门凿除前，应设置应急降水井。洞门凿除过程中，根据需要及时开启。

4）洞门凿除

待接收机架及引轨安装完毕，水平探孔检测无渗漏后，进行洞门凿除。

5.3 土方回填

洞门渣土清理完成后，立即对接收井进行土方回填，回填土采用素土，回填土的高度为洞门顶部以上约5.0m。

图5-3 接收井土方回填剖面示意图

5.4 顶管机接收

顶管机接收是在回填土中顶进，需要时刻注意顶力的大小、顶进的速度及里程。首节管节的里程定位于凸出接收井内衬墙25cm。

顶进到位后，前5节管节用槽钢进行纵向拉接。

图5-4 顶管机进入接收井剖面示意图

5.5 接收井洞门注浆

利用管节预埋的注浆管，对前第1～2及第5～6节管节注入双液浆，第3～4节管节注入惰性浆液，注浆压力控制在0.15~0.2MPa，保证注入量充满管节四周空隙。每节封堵按照先下后上的顺序依次进行封堵。

图5-5 接收区环箍注浆范围示意图

5.6 清理回填土、封堵洞门

分层清理接收井内的回填土，每层清理高度不超过2m。清理到顶管断面时，应派专人观察洞圈是否有渗漏情况，及渗漏量的大小。根据判断来确定是否进行开挖还是重新回填。若洞圈安全无渗漏，则遵循“随挖随封”原则，及时快速的采用预备钢板把暴露出的管节和预埋洞环之间的空隙进行焊接封堵。待全部焊接封堵完成后，就基本消除了接收井处的洞门流沙漏水风险。

图5-6 接收井回填土清理剖面示意图

5.7 顶管机与管节脱离

洞口封堵完成后，利用脱管油缸将顶管机与管节分离。最后从接收井内吊出顶管机，完成顶管接收。

图5-7 顶管机与管节脱离剖面示意图

6.结论

高水压砂性土地层中，通过刀盘注入膨润土改良剂，提高砂土的流塑性，避免了砂土板结无法顶进及出土不畅的难题。另外顶管接收风险特别大，本工程采用土中接收措施能有效避免洞圈渗漏风险。本工程的成功实施，为同类工程提供有效借鉴。

参考文献：

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