超深覆土顶管出洞施工技术

邵成猛

【摘 要】Based on the 3rd bit of Qingcaosha raw water project Lingqiao extension pipe jacking line in Shanghai, the difficult techniques of pipe-outgoing jacking were analyzed, a series of measures were proposed such as portal reinforcement, portal seal installation, jacking system control, pumping, preventing pipe head and section from rotating, etc. The plan was carried out basing on the engineering. Monitoring results were analyzed to test the effect of these measures and obtained the conclusion that the control methods were reasonable and effective. This project is a useful reference for similar pipe-outgoing jacking projects in ultra-deep?underground-pipe.%以上海青草沙水源地原水工程凌桥支线C3标顶管工程为背景,对超深覆土顶管出洞的技术难点进行了分析,提出了洞门加固、洞门密封安装、顶进系统控制、降水、防止机头及管节旋转等一系列措施,针对背景工程制定了具体的实施方案.通过对实际施工的监测和分析,验证了所采取的顶管出洞施工技术措施的合理性和有效性,为今后超深覆土顶管出洞技术的应用提供借鉴和经验. 【期刊名称】《净水技术》 【年(卷),期】2012(031)003 【总页数】5页(P74-77,97)

【关键词】顶管;超深覆土管道;出洞;控制措施 【作 者】邵成猛

【作者单位】中铁十六局集团有限公司,上海201803 【正文语种】中 文 【中图分类】TU991.3

顶管出洞是顶管施工成败的关键节点，施工中应充分考虑其安全性和可靠性[1-3]。完善的顶管出洞措施，能保证顶管顺利进行。出洞时如出现放线误差，将导致顶管的曲线顶进，增大顶力[4-9]。如果后座墙附加层不稳，易使主顶油缸损坏。因此，顶管出洞是顶管施工的关键工序，特别是在超深覆土顶管施工中，必须采取切实可靠的措施，以确保出洞成功[10-11]。 1 工程概况

上海青草沙水源地原水工程凌桥的支线C3标J23井是整条支线顶管中最深的工作井，围护结构采用地下连续墙，成槽开挖深度54.2m，基坑开挖深度为27.1m，为超深地下连续墙施工。该井为圆井，外直径为16.1m，墙厚1.2m，插入比为1∶1。设有一道1.2m×1m的冠梁和四道1.2m×1m的混凝土支撑。

J23井周边环境比较复杂，井位西侧距离外环运河防汛墙仅6.4m，外环运河宽约50m，最深处约为6m，防汛墙为砂浆砌石墙体。东侧距离四层民房8.9m，南侧9.4m处为三层民房，居民房屋为普通砖混结构，无桩基础，对地面沉降反应灵敏，见图1。为此顶管出洞过程中需采取必要的施工措施，防止井位外侧的水土流失，避免地面塌陷，尽可能减少对周围环境的影响。

图1 地墙井与周边环境关系图Fig.1 Relationship between Well and Its Surrounding Environment

出洞范围内的地质资料从上至下为：①填土、②灰黄色粉质粘土、③灰色淤泥质粉质粘土、③夹灰色粘质粉土夹淤泥质粉粘土、④灰色淤泥质粘土、⑤灰色粘土、⑦

灰色砂质粉土。其中⑦灰色砂质粉土层含有承压水，承压水水头埋深为地表下3.0m。顶管机顶部埋深为22.3m，洞门直径为2.37m。顶管出洞时位于⑤灰色粘土层，夹粉土薄层或粉砂团块。根据“土层物理力学性质参数表”中显示，夹层中土层中的砂颗粒粒径区间在0.25～0.75mm之间的比例比较大，饱和状态下非常不稳定。顶管机底部距离含有承压水⑦灰色砂质粉土层仅4.74m，见图 2。 图2 出洞地质剖面图Fig.2 Outgoing Geological Profile Map 2 出洞技术措施

顶管出洞是顶管施工中技术难度大、工序复杂的施工阶段。处理不当，洞门外土体易塌方和流失，甚至导致顶管机失去控制。尤其在背景工程中，须在深基坑超深覆土条件下实现管道出洞，且按照3‰的坡率顶进，出洞技术尤为重要。 在凌桥支线顶管工程中，采取的有关出洞的技术措施主要有： 2.1 洞门加固

土体加固处理的目的是使土体具有自立性、隔水性和一定的强度，保证打开地下连续墙时前方土体稳定，防止覆土失稳、地表沉降、渗漏水，从而保护地下管线和附件的建筑物。同时也为顶管机出洞后，各系统调节提供一个稳定的工作环境，防止机头旋转和机头“磕头”等现象。但如果土体加固强度太高，会给顶管机刀盘带来切削困难，容易引起机械故障并影响工程进度。

根据工程顶管基坑出洞口地质特点，采取搅拌桩+高压旋喷桩进行洞口加固，水泥土搅拌桩为Φ850@600三轴水泥搅拌桩，采用42.5普通硅酸盐水泥，水泥浆液水灰比为 1.5∶1，浆液比重 1.37t／m3，水泥掺量按360kg／m3计，水泥掺入比为20%，水泥搅拌桩28d龄期强度应不小于1.0MPa，渗透系数≤1×10-6cm／s。加固垂直范围由管中心各4m。在地下连续墙与水泥搅拌桩之间采用三重管高压旋喷进行加固，保证加固体部分与围护结构贴合密实，见图3。 图3 加固示意图Fig.3 Schematic Diagram of Reinforcement

2.2 洞口密封

洞圈直径为Φ2370，顶管机外径为Φ2260，在顶管机出洞时工作井洞圈直径与顶管机外径之间存在较大空隙，单边间隙为55mm。采用可调式压板+橡胶圈+法兰的止水装置，如图4所示。最外围安装具有调节径向密封间隙功能的钢压板。在顶管机出洞阶段，由于机头正面及机头与墙体间隙均充满高压浆液，橡胶圈无法直接承受这样的压力，会向外翻出，导致洞口水土流出。此时，通过调节钢压板使得钢压板内径与机头表面保留5mm间隙，可有效地阻止橡胶圈外翻，保证出洞与顶进过程中严密不漏水。

图4 洞口密封示意图Fig.4 Schematic Diagram of Hole Sealed

由于顶管出洞时覆土超深，考虑采用两道密封橡胶圈，起双重功效。橡胶圈必须有足够的弹性与韧性，在顶管机进洞时与顶管机表面密切贴紧，同时不被撕裂。整个区间的顶管距离为1132.15m，要求密封圈足够耐磨，寿命至少保证可磨2000m，顶进中途不需更换。

为了防止洞口渗漏，在两道橡胶止水法兰盘的中间预留注浆孔，紧急情况下可以压浆堵漏。 2.3 顶进系统控制

在地下连续墙洞门处凿完后，迅速地安装延伸导轨。延伸导轨布置在预埋洞环与凿除的地墙长度范围内，前部比后部的垫块高10mm，使顶管机在出洞阶段，保证头部微翘，以防机头“磕头”。

主顶进系统的油缸组由6只200t油缸构成，分两列左右对称布置，每列各3只间距为0.6m叠积而成，并用分式结构支座固定，再连成一体，见图5。安装后的6只油缸中心位置必须与顶管中心线一致，以使顶进受力点和后座受力都保持良好状态。主顶液压动力机组由2台大流量斜轴式轴向柱塞泵供油，采用大通径的电磁阀和系统管路，减小系统阻力，油缸可以单动，亦可联动。顶管机在出洞阶段，摩

擦阻力较小，相对整个区间来讲属于顶力较小阶段，暂时只开启4个油缸。开顶时通过调整各油缸的顶力，以降低顶力的合力中心。

图5 顶进系统示意图Fig.5 Schematic Diagram of Jacking-Pipe System 2.4 降水措施

由于顶管机底部距离含有承压水⑦灰色砂质粉土层仅4.74m。按照承压水压力计算，出洞阶段为了安全施工，需进行降水措施。J23工作井将水位降至坑底标高以下1m，即将水位降至埋深28m左右。在降水过程中，由于地下水通过滤料、滤网及滤管时均有水头损失，因此降水时存在井损现象，根据不同的地层井损大小也不同。一般情况下地层渗透系数越大井损越小，在砂性土中井损一般在5～6m，粘性土层中井损一般均大于10m，结合工程地质⑦层为砂质粉土层，根据工程经验取井损为8m，故降压井井深大于39m，考虑井底设置1m沉淀管，井深为40m。共布置4口降水井，出洞两侧各2口。在顶管机出洞前进行降水实验，结果证明降水满足顶管出洞要求。 2.5 顶管机出洞

在洞口密封安装完成后，控制顶管机匀速穿过密封装置，防止洞口橡胶不被破坏，使顶管机刀盘切入加固土体缓慢进行顶进。初始顶进分为两个部分，机头入洞阶段：速度控制在3～5mm／min。第一节管进洞阶段：顶进速度控制在10～20mm／min，重点是找正管子中心、高程，偏差控制在±5mm之内，为此速度不宜过快。机头入洞阶段中影响顶进速度有两个因素：一是刀盘切削加固土体厚度，当刀盘转速 2.2转 ／min 时，顶进速度 3～5mm／min，水泥土体切下厚度1.4～2.3mm，在这样厚度下可使水泥土为粗粉末状，便于泥浆带出；二是机头未完全入土时，机头克服刀盘旋转产生的扭矩，靠的是机头重量与轨道产生的摩擦力，吃刀太深、扭矩大，机头会旋转。 2.6 防止机头及管节旋转

顶管机出洞时，由于机头与导轨之间摩擦力较小，难以平衡刀盘切入土体时的反力矩，机头产生偏转。出洞后，虽然机头后有管节与周围土体存在摩阻力，但是还不能平衡反力矩，机头可能会带着管节一起偏转。有时纠偏量过大，纠偏频繁，往往也使管节产生偏转力矩，引起管节偏转。在顶管机靠近导轨的两侧外壁焊接防转挡板，在顶管机顶进时，也可通过刀盘的反向旋转对顶管机和管道反向滚转进行微调。在机头与随后的钢管靠近导轨的两侧预埋钢板，焊接防转挡板；同时在顶进中尽量避免过大及频繁纠偏。见图6。

图6 顶管机防转示意图Fig.6 Schematic Diagram of Jacking-Pipe Machine Anti-Rotation 3 施工效果

3.1 无渗漏水、机头旋转、倒退等现象

2010年9月8日J23～J22区间段顶管施工，机头开始出洞，由于在一系列准备工作中，对在机头出洞过程中可能出现的所有风险都做了分析，针对问题制定了预防措施。机头安全出洞。在地下连续墙施工、水泥搅拌桩桩洞口加固施工及洞口密封效果良好，加之在机头出洞时控制了顶进速度，因此，机头顺利地通过了水泥搅拌桩洞口加固区，没有出现渗漏水、洞口区地面沉降、机头旋转、机头“磕头”和倒退等现象。并在后续的顶管过程中，工作井周围地质状况稳定，管道顶进顺利。 3.2 轴线控制效果

在机头出动过程中，对机头整个进洞过程进行了轴线的监测。监测结果如图7所示。

图7 偏差-顶程曲线Fig.7 Bias-Distance Curve

由于顶管机出洞过程中采取了有效措施，顶进的轴线一直处于受控状态，偏差都在允许范围之内。未出现较大的偏差特别是机头“磕头”的现象。 3.3 洞口附近地面沉降监测

顶管机在进洞过程中未对洞口区的地面造成较大影响。最大沉降量未超出设计允许范围。沉降监测结果见图8。

图8 沉降监测图Fig.7 Monitoring Results of Settlement 4 结论

（1）针对上海青草沙水源地原水工程凌桥支线顶管出洞工程，制定了洞门加固、洞门密封、顶进系统控制、降水、防止机头及管节偏转等详细的有针对性的技术措施，确保了施工的安全。

（2）从施工效果来看，顶管出洞期间，各方面监测数据都控制在合理的范围之内，验证了工程措施的合理性和有效性。 参考文献

【相关文献】

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