矩形顶管浅埋穿越河道施工技术

弋伟GE Wei

（中铁十七局集团第二工程有限公司，西安 710000）

1 工程概况

本工程为杭州地铁3号线古墩路站与古荡科技园的连接通道，采用土压平衡顶管法施工，顶管全长59.3m，采用1%的纵坡由高向低直线顶进施工。通道45°角斜交下穿沿山河，在沿山河北岸古科园内设置顶管始发井，南侧接收井进入既有地铁3号线古墩路站风亭。顶管管节采用C50预制自防水砼管节，抗渗等级P10，管节厚度600mm，外形尺寸为4.5m×7.7m，管节壁厚为0.6m，长度为1.5m，净空尺寸3.3m×6.5m，接口为“F”型承插口设计。

顶管结构下穿沿山河时呈45°角，河道下长度达30m，正常情况下河水深2.3m，河床底至管节顶净距仅5.1m，覆土厚度较薄，仅为1倍顶管高度。地下水位较浅，多为孔隙性潜水，与沿山河水连通。该段地质从上至下依次为①淤泥、②淤泥质黏土、③粉质黏土夹砾石地层。管节顶部淤泥、淤泥质黏土层土质较差，呈流塑状，施工易受扰动，容易导致开挖面失稳，管节下部地层有黏土夹砾石地层，土质承载力高，开挖难度大。

2 工程难点、风险点及对策

2.1 施工难点及风险点

①管节埋深浅，土质稳定性差，开挖及靠近收发井时开挖面稳定难度较大；黏土夹砾石地层土质强度高、黏性大，易“结饼”。②河床下属于浅埋段，长距离顶进过程中存在“背土”效应，沉降控制风险高。

2.2 措施与对策

①对开挖面土压力合理计算，根据地层情况随时变化，进出口做相应的加固构造。提前就高黏性地质准备土仓添加剂。②对减摩泥浆的配置、压力的选择做好计算；地面沉降的观测及时到位，并做好隔土墙等预案。

3 开挖面稳定施工技术及措施

矩形顶管机采用土压平衡原理，本工程地层主要为淤泥质粘土，由于泥土的黏合性，泥土在输送机内输送连续性好，出渣速度就容易控制，掘进效率高，刀具磨损量小，利于长距离掘进。

土压平衡式顶管属封闭式顶管，顶管推进时其前端刀盘旋转掘削地层，掘削下来的土体涌入土舱，当掘削土体充满土舱时，开挖面和顶管机土仓之间可视为经典的土压力和挡土墙之间的关系，这样可以用Rankine土压力理论来研究开挖面与土仓间的三种典型受力情况：主动破坏、被动破坏和静止平衡。顶进时开挖面受力如图1所示。

图1 主被动、静止图压力示意图

实践中土仓压力P仓和开挖面土压力、顶管机顶进速度密切相关。其中土仓压力控制是保证开挖面稳定的关键。

3.1 土仓内压力的分析与计算

土仓压力P仓需要提前设定，以便控制顶进和出土速度，从理论上讲，应该选择设定的土仓压力值P仓在Pa和Pp之间。如实际土仓压力P仓＜Pa，则土仓前部地层会因压力不足而沉降；如P仓＞Pp，则土仓前部地表会因应力集中而隆起。而由于围岩的变形不是瞬间到位的，多数情况下是一个较长的过程，预制管节可及时跟进完成支护，若允许围岩有一定变形且满足沉降要求时，可适当减小土仓压力设定值，有利于设备参数控制和掘进效率提高。本工程地层稳定性较差但地面沉降要求不高，可用静止土压力P0为土仓压力设定值。

开挖面土压力采用Rankine土压力理论计算开挖面前方土体的静止土压力。本工程为有地下水黏土地层，土压力采用水土合算，公式为P0=K0γh（γ为土平均重度，h为土层深度）静止土压力系数K0可参考勘测资料、或采用公式K0=1－sinφ，φ为内摩擦角，K0此处取0.5。

由于开挖面上下土压差距较大，初始土压力采用Rankine土压力理论分别进行计算：

P上＝K0γh上（土仓上部的正面土压力）

P下＝K0γh下（土仓下部的正面土压力）

K0：土压系数（依据静止土压力系数公式及本工程详勘资料），此处取0.5；

γ：土的平均重度，取18kN/m3；

h：覆土深度，h上取9.8m，h下取14.3m。

由以上计算可知，初始土仓压力设定值为P上＝88kPa，P下＝128kPa。

顶进的迎面土压力NF等于顶进机正面面积乘以P0：

需注意，开挖面土压力不是一成不变的，是随顶进土层变化和地面荷载不断变化调整的，由于理论计算和实际地质间存在误差，一般把P仓设置在P0的±20kPa范围内调节，并根据地面沉降观测数据的分析及时修正，以实现二者的平衡。

3.2 土仓压力的控制

3.2.1 压力控制技术

顶管机土仓内设置若干传感器，对土仓压力随时监测，控制顶进与出土的速度来保证土仓压力在设定范围内。但在实际工程施工中，经常会遇到土仓压力传感器显示土仓压力不稳定、土仓内泥“结饼”以及土仓内不能完全充满碴土等情况，导致土仓压力与开挖面前方土压力不平衡。因此，需改良土仓内的碴土并采取措施建立满足平衡条件的土仓压力。改良时将配好的添加剂注入刀盘、土仓内，使之与渣土混合，添加剂主要有高分子聚合物、膨润土、泡沫剂，使用时配合使用以达到土仓内土质均匀易输送的效果。

管节的理论出土量为4.5×7.7×1.5=52m3，土仓内均匀充盈后，土仓压力便取决于进尺和螺旋输送机出土量，在顶进过程中通过观测土仓压力传感器显示的土仓压力实测值与设定值进行比较，判断土仓压力的偏差。通过调整顶进速度与出土速度，力争出土量理论与实际保持一致，使土仓压力保持相对稳定，防止出现较大波动。实践中采用上述技术措施后，能够控制土仓压力的实测值与设定值基本一致，实现土压平衡以保持开挖面稳定。

3.2.2 施工措施实例

改良渣土的高分子聚合物添加剂功效主要在于分离或中和粘性土中的阴阳离子，降低其吸附性能，从而起到改善渣土的流动性、充盈土仓、降低结饼等作用，起效很快，但其使用效果与浓度有很大关系。

本工程顶进到22环时，掘进速度明显下降扭矩上升很快，发现问题后，我项目部及时采用高分子聚合物和泡沫剂对土体进行改良，但是效果不明显。开仓后发现刀盘泥结饼现象严重。与高分子添加剂厂家沟通后认识到，高分子聚合物是一种分子量很大的长链化合物，具有很强的吸水能力，在砂层中稀释浓度较高（2‰～5‰），使它能够吸收水分，粘集沙粒。而在粘土层中要以很低的稀释浓度（0.3‰～1‰）来使用，这是因为在粘土中主要是靠高分子溶液中离子的分散性和高分子的润滑性在作用于渣土，必须浓度很低，否则它会吸收粘土中的水分，使渣土更易结块，起反作用。经试验确定选用1‰阴离子高分子溶液按土体比重5%添加达到的最佳效果。

4 顶进中减摩及防背土措施

4.1 摩擦力及减阻原理

顶进过程中管节与土层摩擦力逐渐增大，需采用泥浆套技术减摩，即通过管道向外壁压注减摩泥浆，在外壁四周形成一圈泥浆套以减小摩擦力，管道的最大摩阻力可按照《顶管工程施工规范》公式计算，总顶力为迎面阻力与周边摩擦力之和。管道外壁与土的平均摩阻力为一常数，在减摩泥浆中根据地层不同取值在4.0~16.0之间，此处黏土中取5.0kN/m2。

所以最大摩擦力Ff=管节外周长×总长×5.0kN/m2，经计算为7112kN。摩擦力随顶进距离的增加而增大。在顶进过程中，主顶力应缓慢增大无突变。最大推力F总=NF+Ff=3742+7112=10854kN，约1085t。其中摩阻力占约711t，为主要阻力。

要达到理论计算的减摩效果，良好减阻效果的实现通常通过向管道与地层之间环向注入减摩泥浆来实现，在注浆泵的作用下，泥浆在土层中渗透扩散，并与土壤混合形成凝胶体，随着凝胶体持续生成，形成不透水且能阻止泥浆继续扩散的泥浆套。泥浆套成形后减摩泥浆的注入压力逐渐升高，当管节四周充满泥浆时，顶进管则被泥浆悬浮液包围受到浮托作用，这样管道在泥浆的包围中其减摩效果将是非常明显的。

4.2 泥浆减阻施工措施

本项目所处地层以淤泥质黏土为主，对泥浆的封闭效果较好，泥浆配比只需考虑①良好的减摩性：泥浆注入地层后能迅速变成胶凝状，能有效堵塞地层缝隙；②足够的稠度：使泥浆在河道下富地下水地层中能保持长时间的性能；③良好的化学稳定性：各成分的性能不受地下水中盐类影响。根据以上要求，经试验，泥浆采用如表1配比。

表1 减阻泥浆配比表

施工时应加强润滑泥浆的管理，确保注浆和顶管机顶进的同步性，使浆液能及时填充顶进时出现的建筑空隙。注浆时压力控制在50kPa左右。为了保证注浆效果，每节的注浆量应取理论值的2～3倍。如下式：V=（4.52×7.74-4.5×7.7）×1.5×（200～300%）=1.00～1.51m3。

在始发井洞口止水装置前的建筑空隙处设置3~4个注浆孔，当管道外壁进入洞内，未与土体磨擦之前就先涂满浆液。减摩泥浆随管外壁向土体渗入，这样可以避免管外壁入土后产生背土的现象。

顶管到达时，由于顶管掌子面反力减小、丧失，在顶管机靠近地下连续墙时，在顶管机内部二环注浆孔注入双液浆，快速止水。破除洞门后，快速顶至预定位置，快速封堵洞门间隙。顶管结束后，将外壁的减摩泥浆置换为1:1水泥净浆以加固外侧土体，消除今后在使用中可能发生的不均匀沉降。

4.3 防背土处理措施

穿越河道的浅埋矩形顶管因上方土体强度较小，而摩擦接触面积比圆管大，在顶管顶进施工过程中很容易因顶管机头、管节摩擦力带动其上方土体向前移动，形成顶管背土现象。浅埋矩形顶管工程应针对具体地形采取必要的措施避免整体背土现象的发生。

在施工前，根据地形及经验判断，顶进机由河岸向河道顶进过程中河道中缺乏对河岸部分的支撑，易发生背土事故。背土现象一旦发生，处理难度较大。国内相关项目有刀盘前方地面堆载法、隔断墙法等预防措施，本项目结合地形特点采取施作隔断墙等措施做预先处理，收到了良好效果，处理方案如图2、图3。

图2 防背土隔断墙示意图

图3 防背土钢板桩隔断墙施工图

隔离墙原理在于切断顶管顶部土摩擦力传导，利用墙的整体性扩大了后部土体的受力面积，使其能够保持稳定并不影响墙前部土体，国内其他项目资料中，隔断墙采用混凝土施工，全部设于地下，我项目综合考虑在河中施工，兼顾成本及工期后，选用了可快速施工并回收的拉森Ⅳ型钢板桩，在靠近出发侧的河中施作了两排钢板桩，并在桩间填土形成一道隔断墙，隔断墙长12m、宽1m、桩底标高高于管节顶0.5m，两端折向河岸，并在封闭区域内填砂土以加重并向河岸提供反力。

开始顶管到第12、13环时，前方反映阻力有所增大，调整土仓压力后继续顶进，后据沉降观测部门反馈，管节顶部河岸累计沉降达到12mm，并向河中位移5mm，数据显示管节摩阻力对地面已产生影响，但隔断墙监测无位移，未发生明显背土效应，取得了良好的效果。

5 结语

在本工程矩形浅覆土顶进施工过程中，首先要严格控制土仓压力、顶进速度和出泥量3个参数，使之相互适应。同时采用了减摩泥浆压浆控制技术、防背土措施后，顶管通道顺利贯通。通过文中所述的措施，可以有效提高浅埋顶管穿越河道施工的成功率。