砂礫石地層中頂管施工遇到的問(wèn)題及處理方案

□李志宏 □王建輝 □陳維杰 □黃聰樂(lè) （平頂山市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院；平頂山市水利工程質(zhì)量監(jiān)督站；洛陽(yáng)市前坪水庫(kù)建設(shè)處；中建電力建設(shè)有限公司）

1 問(wèn)題的提出

項(xiàng)目屬于河南省南水北調(diào)中線受水區(qū)平頂山段供水配套工程，負(fù)責(zé)向魯山縣城供水，起點(diǎn)南水北調(diào)總干渠分水口門(mén)末端，輸水管線由張村泵站加壓輸水，終點(diǎn)為魯山縣白果樹(shù)水廠。中間穿越魯（山）平（頂山）大道砂礫石地段采用泥水平衡法頂管施工，頂管兩端起止樁號(hào)為B6+020.999～B6+218.174，總頂管長(zhǎng)度197.18m，設(shè)計(jì)套管內(nèi)徑DN1400mm（涂塑復(fù)合鋼管外套鋼筋混凝土管）、內(nèi)穿輸水鋼管直徑DN800mm，套管頂部距地面9.50m，設(shè)計(jì)頂管施工工藝流程為：施工準(zhǔn)備→沉井施工（下沉）→沉井封底→頂管設(shè)備安裝、調(diào)試、試運(yùn)行→頂進(jìn)→掘進(jìn)機(jī)接受→設(shè)備拆除→功能性試驗(yàn)。

2015年1月22日完成設(shè)備安裝、調(diào)試、試運(yùn)行工作；23日10時(shí)開(kāi)始正式頂進(jìn)施工，當(dāng)日進(jìn)尺3.50m（機(jī)頭頂進(jìn)）；24日進(jìn)尺2m，總進(jìn)尺達(dá)到5.50m，下午頂管進(jìn)口處上方地面（沉井井壁）出現(xiàn)塌陷，塌坑直徑2m、坑深1.50m，隨采用壤土回填，裝載機(jī)壓實(shí)；25日進(jìn)尺6m，總進(jìn)尺達(dá)到11.50m，沉井井壁外側(cè)靠進(jìn)口處再次出現(xiàn)塌陷，仍采用壤土回填；26日進(jìn)尺12m；27日進(jìn)尺4m（頂力由340t驟升至400t）；28日進(jìn)尺2m，總進(jìn)尺達(dá)到29.50m，下午5：30在距離頂進(jìn)端26m處出現(xiàn)地面塌陷，造成地表電線桿下沉，輸電線路斷電而停工；29日沉井內(nèi)積水深度達(dá)到3m以上，井下電機(jī)、機(jī)頭及設(shè)備線路全部遭淹。

2 成因分析

2.1 頂管機(jī)機(jī)頭選型不當(dāng)

在沉井施工時(shí)即發(fā)現(xiàn)該處為砂礫卵石地層（成分以石英巖、石英砂巖為主），最大礫石直徑達(dá)15cm以上，所以承包方許昌水利建筑工程有限公司在制訂的頂管施工方案中提出選用TPN改進(jìn)型泥水平衡二次破碎頂管機(jī)頭，這種機(jī)頭的最大特點(diǎn)是通過(guò)一次破碎將超徑礫石破碎成二破能夠接受的程度，然后由二次破碎將其進(jìn)一步粉碎成能被管道輸送的粒徑而送出井外。但遺憾的是，頂進(jìn)作業(yè)隊(duì)在施工時(shí)調(diào)換為NSPD1400型頂管機(jī)，這種普通型泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)沒(méi)有配置二次破碎裝置，遇到大粒徑礫石時(shí)無(wú)法粉碎外排，只能向前平推擠壓，這也可能是造成推力逐日加大、進(jìn)尺逐日減緩的主要原因之一。

2.2 注漿量不夠

《頂管施工規(guī)范》（DG/TJ08-2049-2008）第6.5.3.1規(guī)定：注漿孔的布置宜按照管道直徑的大小確定，每個(gè)斷面可設(shè)置3～5個(gè)，并具備排氣功能。而承包人制定的施工方案則為每2節(jié)管設(shè)置一組注漿孔，每組為2個(gè)，明顯不足且不符合規(guī)范要求。注漿量不足的直接危害是難以保障泥漿潤(rùn)滑液均勻地完全覆蓋整個(gè)管道表面，從而起不到設(shè)計(jì)的減小摩阻力作用，這也是導(dǎo)致推力日益增大、進(jìn)尺日益減緩的主要原因之一。

2.3 洞口止水圈損壞

洞口止水圈的作用是封堵套裝與洞壁之間的泥、水外溢，確保泥漿傳輸系統(tǒng)正常運(yùn)行。然而從頂進(jìn)施工的第二天起，洞口止水圈就出現(xiàn)破損漏水現(xiàn)象，此處漏水不僅帶出了剛從注漿孔灌入的觸變泥漿，進(jìn)而破壞應(yīng)有的減摩功效，而且大量漏水還極易沖帶流砂，進(jìn)一步擴(kuò)大掏空套管外壁與洞壁之間的空間，從而為誘發(fā)塌陷埋下極大的安全隱患，這或許也是1月24、25、28日連續(xù)3次出現(xiàn)沿線塌陷的主要原因。

3 解決方案

針對(duì)上述存在問(wèn)題，對(duì)癥下藥的處理措施無(wú)非是更換機(jī)頭、優(yōu)化注漿孔布局及漿液設(shè)計(jì)、修復(fù)加固洞口止水圈設(shè)施，其中的難點(diǎn)是更換機(jī)頭，因?yàn)楝F(xiàn)有機(jī)頭明顯不適合砂礫卵石地層中的繼續(xù)掘進(jìn)施工，但所處位置位于地面以下9.50m、距工作井26m處，處理方案有三：一是在該處重新開(kāi)挖工作井，更換新機(jī)頭后沿設(shè)計(jì)管線繼續(xù)頂進(jìn)；二是在現(xiàn)有接收井中安裝新機(jī)頭，實(shí)施反頂作業(yè)；三是重新選線，另起“爐灶”施工。這其中所涉及的除了技術(shù)問(wèn)題以外，還要看經(jīng)濟(jì)上的合理性，需要由設(shè)計(jì)單位進(jìn)行具體的對(duì)比論證，在此不多贅述，僅就更換具有二次破碎功能的新機(jī)頭及嗣后的施工技術(shù)要點(diǎn)提如下建議。

3.1 機(jī)頭選型應(yīng)充分考慮掘進(jìn)層的地質(zhì)巖性特點(diǎn)

掘進(jìn)層處于砂礫卵石層中，觀感砂礫卵石含量約70%～80%，個(gè)別最大粒徑達(dá)15cm以上，通層膠結(jié)性、成拱性差，整體呈單粒狀結(jié)構(gòu)，且含水量大、易塌落，水位發(fā)生變化時(shí)可能誘發(fā)管涌、流砂現(xiàn)象。這就要求選配的機(jī)頭首先必須具備破石功能，同時(shí)泥漿注入系統(tǒng)具有自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，以保持對(duì)排土量的嚴(yán)格控制，防止造成地面沉降。頂管機(jī)機(jī)頭通常由刀具、刀盤(pán)、刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)裝置及推進(jìn)裝置構(gòu)成。刀盤(pán)根據(jù)不同的形式分為面板式和輻條式兩種，一般認(rèn)為面板式擋土作用較好，有利于開(kāi)挖面前方的土體穩(wěn)定，而輻條式雖然扭矩較小，但對(duì)開(kāi)挖面穩(wěn)定不利，故建議選用面板式刀盤(pán)。刀具的選擇首要考慮耐磨性，最好選擇硬度較高的合金鋼材質(zhì)，同時(shí)裝置二次破碎設(shè)施（如滾刀），以保證遇到大粒徑塊石時(shí)能夠先由刀盤(pán)上的滾刀將其一次破碎到能夠接受的程度，然后再由破碎機(jī)（圓錐形）將其剪碎而后排出。

3.2 頂進(jìn)過(guò)程中要時(shí)刻關(guān)注地層巖性的變化，以維持泥水壓力與地層水、土壓力之間的平衡

通過(guò)井外儀表隨時(shí)觀察刀盤(pán)電機(jī)的電流量大小，始終掌握機(jī)頭刀盤(pán)切削扭矩的變化。扭矩變大，說(shuō)明刀盤(pán)遇到硬物了，應(yīng)及時(shí)通過(guò)注漿系統(tǒng)補(bǔ)充水或泥漿；如果扭矩變小，說(shuō)明遇到的是土或沙，如果障礙物太軟（如遇到泥沙），則可把第1至第3節(jié)頂進(jìn)管道及工具頭聯(lián)成一個(gè)整體，以增強(qiáng)它們的剛性，從而避免機(jī)頭突然沉陷。

3.3 改進(jìn)洞口止水圈安裝形式

《頂管施工技術(shù)及驗(yàn)收規(guī)范》（2006，試行）提出，埋深超過(guò)10m的洞口應(yīng)設(shè)置2道橡膠止水圈，該頂洞雖然埋深為9.50m，但地處富含水層，一旦止水失事，易于產(chǎn)生管涌和流沙，因此設(shè)置2道止水圈及相應(yīng)設(shè)置2道壓板是必要的，建議對(duì)施工方案進(jìn)行修訂完善，確保止水效果。

4 結(jié)語(yǔ)

在復(fù)雜地質(zhì)條件下進(jìn)行頂管施工，機(jī)頭選型及科學(xué)操作是關(guān)鍵工序之一。既要考慮解決大粒徑、硬骨料的破碎問(wèn)題，又要兼顧克服大水量、軟地基、易塌陷難題，當(dāng)然還有經(jīng)濟(jì)可行問(wèn)題，這一切都需要從實(shí)際出發(fā)，根據(jù)地質(zhì)條件的不同，制定出有針對(duì)的施工方案，切不可盲目照搬異地的做法。