史兵見(jiàn)，陳世紀(jì)，彭勇輝，顧小雙

（1、中鐵隧道局集團(tuán)有限公司 深圳 518052；2、中山大學(xué)土木工程學(xué)院 廣州 510275）

0 引言

市政工程是城市存在和發(fā)展必不可少的基礎(chǔ)，也是城市居民生存的基本條件。市政管道在施工過(guò)程中會(huì)涉及到各類管道的鋪設(shè)，傳統(tǒng)的明挖施工方法有效率低、影響交通、影響附近居民正常生活和難以在水底進(jìn)行鋪設(shè)等缺點(diǎn)。隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，管道鋪設(shè)的效率和效益越來(lái)越被重視，非開(kāi)挖施工方法由此孕育而生。頂管法因具有施工速度快、安全性好以及管道密封性能好等優(yōu)點(diǎn)，在新時(shí)代蓬勃發(fā)展。頂管正朝著大口徑、長(zhǎng)距離、深埋深和復(fù)雜底層條件的方向發(fā)展［1］。對(duì)于長(zhǎng)距離海底復(fù)雜地質(zhì)條件，頂管存在拋石、孤石、施工過(guò)程中滲漏、以及頂進(jìn)過(guò)程中的阻力可能過(guò)大等問(wèn)題，需要對(duì)上述問(wèn)題展開(kāi)分析研究。

針對(duì)頂進(jìn)地層地質(zhì)情況并考慮拋石和孤石的影響來(lái)選擇頂管機(jī)和布置刀盤。根據(jù)平衡方式的不同，封閉式頂管機(jī)可分為氣壓平衡、泥水平衡和土壓平衡頂管機(jī)。侯德國(guó)［2］以山東省黃水東調(diào)19處工程為例，根據(jù)穿越地層地質(zhì)特點(diǎn)、長(zhǎng)距離的頂進(jìn)設(shè)計(jì)以及工程等預(yù)算，選用了破碎式巖盤泥水平衡頂管機(jī)。周學(xué)鋒等人［3］針對(duì)工程全斷面巖石、巖層于土層交錯(cuò)等復(fù)合地質(zhì)條件，選用了自主創(chuàng)新的泥水平衡頂管機(jī)，同時(shí)對(duì)刀盤設(shè)計(jì)了二次破碎和兩級(jí)糾偏系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)對(duì)于刀盤的研究相對(duì)較少，很多都是結(jié)合特定的工程需要進(jìn)行布置。許有俊等人［4］通過(guò)對(duì)包頭市經(jīng)三路地下綜合管廊隧道的研究，用實(shí)地測(cè)量和理論分析等方法對(duì)位置刀盤扭矩大小變化規(guī)律及其配置問(wèn)題進(jìn)行了研究。李?。?］使用有限元分析軟件Ansys Workbench對(duì)刀盤進(jìn)行靜力分析模擬。通過(guò)等效應(yīng)力和位移量的云圖得出了刀盤最大應(yīng)力和最大位移量的所在位置，由此對(duì)刀盤進(jìn)行了優(yōu)化，提高了刀盤的整體質(zhì)量。

始發(fā)井和接收井的穩(wěn)定是保證施工正常進(jìn)行的關(guān)鍵，吳發(fā)展［6］采用基坑圍護(hù)樁及止水帷幕的方式對(duì)工作井進(jìn)行端頭加固，保證了施工的效率。滲水問(wèn)題會(huì)妨礙施工的正常進(jìn)行，采取嚴(yán)密的防水防滲措施尤為重要。如果洞口止水不成功，可能會(huì)引起頂管機(jī)頭短路，嚴(yán)重的可能導(dǎo)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膠圈止水和工作井注漿加固。對(duì)于管節(jié)之間的防水，在大東湖污水傳輸支隧工程中，孫慶等人［8］采用高強(qiáng)度抗?jié)B預(yù)制鋼筒混凝土管節(jié)，在管節(jié)接縫處布置雙道止水膠圈，并往管節(jié)間灌注氨酯密封膠嵌縫。

隨著頂進(jìn)距離的增長(zhǎng)，需要克服的阻力也會(huì)變得很大。阻力主要分為頂管的迎面阻力和管壁摩阻力。針對(duì)頂進(jìn)力的問(wèn)題，注射合適的泥漿可以極大程度減小管壁摩阻力。劉慧明［9］通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的正交試驗(yàn)，給蘇州人民路矩形頂管設(shè)計(jì)出效果較好的減阻泥漿，并提出注漿時(shí)要同步注漿和二次補(bǔ)漿。唐培文［10］依托蘇州城北路人民路段綜合管廊頂管工程，用涂蠟和注漿等方法降低了管壁的摩阻力，實(shí)測(cè)的頂進(jìn)力與理論計(jì)算值相比降低了40%，取得了不錯(cuò)的減阻效果。

本文以珠海某跨海電纜隧道工程為背景，探究在海底復(fù)雜地質(zhì)條件、大斷面和長(zhǎng)距離復(fù)雜線形情況下的頂管施工關(guān)鍵技術(shù)，包括工程的頂管機(jī)選型、進(jìn)出洞門止水措施、管節(jié)間的防水以及減阻措施等等。

1 工程概況

1.1 工程信息

珠海某跨海電纜隧道工程貫穿珠海市橫琴馬騮洲水道，大致呈東北至西南走向，交通較方便。隧道采用頂管法施工，長(zhǎng)度約619.08 m，平面頂進(jìn)方向與擬建的橫琴二橋平行，在橫琴二橋西部60 m 外，為工程平面位置如圖1所示。

圖1 工程平面位置Fig.1 Project Plan Location

頂管隧道長(zhǎng)619.08 m，外徑4.14 m（內(nèi)徑φ3.5 m，C50、P12 混凝土、F 型接口、工廠預(yù)制成品管節(jié)），穿越深度在海平面下22～29 m 之間，穿越的土層有淤泥層、淤泥質(zhì)土層、可塑粘性土等。

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)地勘報(bào)告，本工程場(chǎng)地穩(wěn)定。受區(qū)域構(gòu)造影響，基巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體破碎比較完整。根據(jù)以上巖土層描述和地震橫波反射波組形態(tài)劃分為5 層。①人工填土層；②、③、④第四系海陸交互相沉積層，②淤泥，③粘土，④全強(qiáng)風(fēng)層花崗巖；⑤中微風(fēng)化層。拋石、孤石和⑤層物理特征相近，根據(jù)工作測(cè)井資料，參考相鄰地區(qū)資料，穿越地層軸線縱斷面如圖2所示。

圖2 穿越軸線縱斷面Fig.2 Longitudinal Section through the Axis

2 長(zhǎng)距離、淤泥質(zhì)地層頂管機(jī)選型極其針對(duì)性

2.1 頂管機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)

粘土、淤泥、淤泥質(zhì)粘土是頂管施工穿越的地層，隧道埋深19.1～27.1 m，地下水位為1.35～2.40 m，隧道部分位于地下水位以下。綜合當(dāng)?shù)厍闆r，考慮存在拋石的影響，選用的頂管設(shè)備應(yīng)能滿足以下地質(zhì)與環(huán)境的要求：

⑴由于隧道位于江底，因此選用泥水平衡頂管機(jī)。

⑵頂管機(jī)動(dòng)力性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)能適用于復(fù)合地層或某種單一地層頂管掘進(jìn)的要求，如各種砂層、粉土，并具備拋石破巖粉碎能力；

⑶排渣泵性能一次泵送距離不小于650 m，揚(yáng)程45 m，并能滿足連續(xù)輸送最大粒徑60 mm切削巖塊；

（4）配備對(duì)掘進(jìn)面泥水壓力調(diào)整的功能，滿足泥水平衡控制的要求，降低軟粘土頂進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)；

為滿足上述施工要求，工程選用φ3 500 內(nèi)徑泥水平衡復(fù)合頂管機(jī)。在軟弱土層中，該頂管機(jī)能自動(dòng)平衡切削面土體壓力、有效控制地面沉降、施工速度快。頂進(jìn)時(shí)刀盤通過(guò)變頻調(diào)速來(lái)控制其轉(zhuǎn)速，根據(jù)開(kāi)挖面泥水壓力變化來(lái)調(diào)整其切削量的大小，開(kāi)挖面泥水壓力平衡得以滿足，有效地控制地面沉降。頂管機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

表1 頂管機(jī)主要參數(shù)一覽Tab.1 List of Main Parameters of Pipe Jacking Machine

2.2 刀盤配置

刀盤的主要功能為開(kāi)挖、穩(wěn)定和破碎，刀盤布置如圖3 所示，刀盤采用平刀盤形式，盤面布置滾刀，設(shè)有先行刀、副貝殼刀、圓盤刀及切削刀，增強(qiáng)刀盤的整體耐磨性。由于大部分地層地質(zhì)軟弱，開(kāi)口率設(shè)置在20%～30%之間，扭矩達(dá)815 kN·m，具備拋石頂進(jìn)破巖能力。由于隧道地下水豐富，容易出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，又加上拋石的存在，刀盤配備有一級(jí)破碎和二級(jí)破碎兩種功能。一級(jí)破碎功能是將較大的拋石進(jìn)行破碎。有些較大的礫石無(wú)法通過(guò)出渣孔排除，配置錐式破碎筋與刀盤大梁共同形成對(duì)塊石的二級(jí)破碎功能。一次破碎功能將石塊進(jìn)行初步破碎，使其能進(jìn)入二次破碎系統(tǒng)。二級(jí)破碎功能可以將石塊的粒徑破碎到出渣孔直徑以下，方便碎石的排出。

圖3 刀盤布置Fig.3 Cutter Layout

實(shí)際施工表明，頂管機(jī)的選用和刀盤的布置符合地質(zhì)條件要求，掘進(jìn)過(guò)程中地表較穩(wěn)定，產(chǎn)生的地表沉降都在合理的范圍內(nèi)。

3 臨海深基坑洞門止水設(shè)計(jì)

頂管進(jìn)出洞是施工過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。頂管始發(fā)洞門止水是一門綜合性、實(shí)用性很強(qiáng)的工程技術(shù)，對(duì)頂管施工起著至關(guān)重要的作用。為了保證工程的順利進(jìn)行，施工的洞門止水方案有以下幾點(diǎn)：

⑴工作井、接收井使用三軸攪拌樁進(jìn)行端頭加固，工作井1始發(fā)端頭加固、工作井2接收端頭加固的尺寸為9.25 m×8.65 m×8.14 m。加固范圍均為頂管隧道外邊緣上下3 m區(qū)域內(nèi)（10.14 m）、左右2.255 m區(qū)域內(nèi)（8.65 m），加固區(qū)長(zhǎng)度9.25 m，加固體以上部分為空樁，工作井1三軸攪拌樁端頭加固平面如圖4所示。

圖4 工作井1三軸攪拌樁端頭加固平面Fig.4 Triaxial Mixing Pile End Reinforcement Plan in Work Well 1 （mm）

⑵工作井1 基坑外側(cè)一共設(shè)置12 口降水井（其中2口為備用觀測(cè)），將外部水位降至坑底以下。降水時(shí)遵循“按需抽水”的原則，減壓降水深井孔徑為650 mm，井管及過(guò)濾器外徑273 mm。井深60 m，過(guò)濾器長(zhǎng)度18 m。

⑶在頂管始發(fā)洞門前進(jìn)行水平探孔，共鉆7個(gè)水平探孔，分別位于洞門范圍內(nèi)上、中、下三路位置，上路2 個(gè)孔、中路3 個(gè)孔、下路2 個(gè)孔，鉆孔深度為3.0 m（不包含地連墻厚度），具體孔位布置如圖5 所示。在水平探孔完成后發(fā)現(xiàn)有輕微滲水，為了確保頂管始發(fā)洞門時(shí)的安全，對(duì)始發(fā)洞門進(jìn)行水平注漿。

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

⑷洞門鋼環(huán)內(nèi)側(cè)安裝兩圈鋼絲刷，第一圈鋼絲刷距離簾布橡膠板30 cm、第二圈鋼絲刷距離第一圈30 cm，鋼絲刷與洞門鋼環(huán)連接方式采用焊接，在頂管頂進(jìn)過(guò)程中通過(guò)預(yù)埋的油脂管往兩圈鋼絲刷之間注入油脂；

⑸洞口內(nèi)徑和頂管機(jī)外殼之間的密封止水采用2 道壓板、翻板加2 道簾布橡膠板，避免產(chǎn)生泥水流失的現(xiàn)象，將地表沉降控制在合理的范圍內(nèi)。

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的始發(fā)井和接收井水位均在合理的范圍內(nèi)，附近地層未出現(xiàn)較大的變形，洞門止水取得了不錯(cuò)的效果。

4 長(zhǎng)距離復(fù)雜線性頂管管道防滲漏設(shè)計(jì)

本頂管工程為海底隧道，受海水影響較大，在工程完工之后的使用階段會(huì)承受長(zhǎng)久的海水腐蝕。所以不僅要考慮管節(jié)的本身的強(qiáng)度、抗?jié)B性和抗腐蝕等性能，也要考慮管節(jié)間的連接和防水性能。

管節(jié)選用混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50、抗?jié)B等級(jí)為P12的預(yù)制承插口混凝土管道。標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長(zhǎng)2.5 m，外徑4 140 mm，內(nèi)徑3 500 mm，壁厚320 mm，允許用頂力為25 400 kN。

管節(jié)的插口處安裝兩道耐腐蝕的專用止水橡膠圈和兩道鋼板，密封橡膠圈的安裝如圖6 所示。第一道鋼板寬20 mm、厚8 mm，布置于兩道橡膠圈之間；另一道鋼板寬25 mm、厚8 mm，布置于插口的外側(cè)，兩塊鋼板夾著外側(cè)的橡膠圈。管節(jié)間注入聚硫密封膏和密封膠，將管節(jié)接口進(jìn)行密封。在管節(jié)接觸面布置一道松木襯墊，避免頂進(jìn)過(guò)程中張角過(guò)大而發(fā)生滲水現(xiàn)象，管節(jié)接頭防水設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖6 插口的橡膠圈安裝Fig.6 Rubber Ring Installation for the Socket

圖7 管節(jié)接頭防水設(shè)計(jì)Fig.7 Waterproof Design of Pipe Joints （mm）

管道接頭按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)防0.1 MPa 水壓。但實(shí)際施工時(shí)，80%的接頭在施工完后真實(shí)水壓大于0.3 MPa開(kāi)始滲漏。雖未采取任何堵漏措施，但在施工完后半年內(nèi)大部分滲漏點(diǎn)自動(dòng)停止?jié)B漏，初步分析是上覆的淤泥質(zhì)地層將其滲水縫隙填滿所致。

5 長(zhǎng)距離復(fù)雜線性頂管減阻

本工程頂管隧道長(zhǎng)度619.08 m，為長(zhǎng)距離頂管，頂進(jìn)的摩擦力較大?？紤]到拋石的影響，管道的摩擦系數(shù)很大。因此，在頂進(jìn)的過(guò)程中選用高性能泥漿和相應(yīng)措施減少阻力尤為重要。

5.1 長(zhǎng)距離泥漿減阻技術(shù)方案

本工程觸變泥漿原料主要包括水、膨脹土、純堿和羧甲基纖維素（CMC）。優(yōu)質(zhì)觸變泥漿配比原材料（質(zhì)量比）膨脹土：羧甲基纖維素（CMC）∶純堿∶水=400∶100∶10∶10。觸變泥漿的性能指標(biāo)如下：比重為1.01～1.06 g∕cm3，粘度為30～50 s，pH 值為8～10，靜置24 h 無(wú)離析。采用泥漿攪拌系統(tǒng)觸變泥漿的備置。

5.2 中繼間

隨著頂進(jìn)距離的增長(zhǎng)，管壁的摩阻力會(huì)慢慢變大，當(dāng)距離過(guò)大時(shí)會(huì)出現(xiàn)千斤頂力不足的情況。此時(shí)在適當(dāng)?shù)奈恢冒惭b中繼間，可以將每一段的頂力控制在千斤頂?shù)娜菰S頂進(jìn)力之內(nèi)。通過(guò)設(shè)置中繼間分段減少管壁與土體之間的摩擦力，可以實(shí)現(xiàn)頂管的長(zhǎng)距離頂進(jìn)。

中繼間的設(shè)置根據(jù)頂力的計(jì)算得出，第一個(gè)中繼間一般應(yīng)安裝在頂管機(jī)后20～40 m［11］。第一段除了克服側(cè)壁摩擦力之外，還要克服刀盤頂進(jìn)的反作用力，因此將第一套中繼間布置在30 m位置。經(jīng)計(jì)算，第二套、第三套和第四套中繼間分別布置在200 m、370 m 和540 m的位置，且頂力均滿足頂進(jìn)要求。

在實(shí)際的施工過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每一節(jié)管道頂進(jìn)時(shí)的頂力，根據(jù)頂力的大小實(shí)時(shí)調(diào)整中繼間的位置。由于施工的大多時(shí)期實(shí)測(cè)頂力都比設(shè)計(jì)值要小，千斤頂?shù)娜菰S頂進(jìn)力尚充足，所以延長(zhǎng)了每道中繼間的距離。最終施工設(shè)置了3道中繼間，分別在第27節(jié)管道（頂進(jìn)67.5 m）、第78 節(jié)管道（頂進(jìn)195 m）和133 節(jié)管道（332.5 m）處設(shè)置。3 道中繼間將施工分為4 個(gè)階段，經(jīng)實(shí)測(cè)記錄4 個(gè)階段從前往后頂力平均值分別為5 376.3 kN、9 693.8 kN、9 268.0 kN 和11 289.7 kN。四段實(shí)測(cè)平均頂力均小于設(shè)計(jì)值，造成這個(gè)現(xiàn)象初步分析原因如下：

⑴頂進(jìn)穿過(guò)的地層物理性質(zhì)較為軟弱，實(shí)際產(chǎn)生的頂進(jìn)反力和側(cè)壁摩阻力可能比計(jì)算值小。

⑵受海水影響，管道受到較大的浮力，使得管道與土體的正壓力有所減少，最終導(dǎo)致側(cè)壁摩阻力減小。

⑶ 合適的觸變泥漿起到了很好的潤(rùn)滑減阻效果，使得側(cè)壁摩阻力得到了降低。

6 結(jié)語(yǔ)

⑴本工程選用泥水平衡頂管機(jī)，滿足海底淤泥質(zhì)軟弱底層的要求；同時(shí)配備有一級(jí)破碎和二級(jí)破碎功能，對(duì)大小不一的石塊都起到切削效果，起到了較好的開(kāi)挖、穩(wěn)定和破碎效果。

⑵采用工作井和接收井端頭加固、設(shè)置降水井、洞口水平探孔、洞門鋼環(huán)內(nèi)安裝鋼絲刷和進(jìn)行密封止水等措施，使臨海深基坑的洞門地下水豐富影響工程施工的問(wèn)題得到了解決。

⑶雙層橡膠圈防水、布置兩道鋼板，并在管節(jié)間注入聚硫密封膏和密封膠并在接觸面布置松木襯墊，管節(jié)剛性連接滿足防水要求，也允許一定的張角的柔性問(wèn)題。

⑷實(shí)際施工中采用高性能的觸變泥漿，設(shè)置三道中繼間，有效減少了阻力，頂進(jìn)過(guò)程較順利。