富水卵石地层中机顶大直径管道施工分析研究

工程施工中常遇见各种地层，每遇到一种不同的地层都有可能遇到各种各样的问题，需要采取有针对性的措施解决。南水北调配套工程大兴支线工程顶管穿越富水卵石地层，且卵石分布不均，大直径卵石所占比例大，施工难度更大，施工中遇到了许多问题。通过现场分析，提出解决办法，现场实施顺利完成了顶管施工。

1工程概况

北京市南水北调配套工程大兴支线工程其中一段顶管长度102m，穿越1座重要桥梁，采用机械顶进1根 DN 3200（外径3800mm）钢筋混凝土管，原设计穿越地层为3号细砂层，由于在顶进竖井施工过程中发现了2条高压燃气管线，经与燃气产权单位核实发现顶进混凝土管与燃气管线高程冲突，经过协商，顶进主管线高程下调3.346m，两者管外壁净距在3.0m以上，穿越地层变为4号卵石地层，依照地质勘察报告描述，卵石粒径在0.005~60mm，其中粒径20~60mm粒径在50%左右。顶管上部覆土为细砂层和粉质粘土层，覆土厚度9.9m，顶管顶部距离3号细砂（褐黄色，饱和，中密~密实，含石英、长石、云母。揭露最大厚度13m）与4号卵石地层（杂色，卵石粒径一般为4~6cm，最大约15cm，磨圆度和分选度较好，中粗砂充填，含量约25%）交界处较近。顶进施工前，由于永定河生态补水，导致地下水位大幅度上涨，最后水位位于顶管中心线以上55cm，使施工环境变得更加复杂。已知顶管上方地下管线较多，其中2条燃气管线及1条中水管线最为重要，顶进施工中需保证穿越的管线和桥梁安全，为顶进施工增加了难度。

2顶进施工

2.1顶管施工方法选择

按设计要求和施工情况的需要，顶材选用 DN 3200（外径3800mm）的钢筋混凝土管。由于穿越地层为4号卵石地层，且带有地下水，因此需要带破碎机头的顶管机，采用泥水平衡机械顶管施工方式。

2.2顶进施工

（1）机头出洞及初始顶进。系统联机试运转无异常后，将主顶油缸开启，使机头缓慢前进顶过止水装置，当刀盘与开挖面土体相接触时停机。根据地层条件可设置止退装置和防转装置。

完成以上操作步骤，随即开启泥水系统各设备，并将提前按相应标准配置好的泥浆按顺序进行机坑旁通循环、管中旁通循环、泥水舱循环，使系统压力达到设计值，此时打开盾构刀盘旋转按钮，使刀盘旋转切屑土体。随后打开主顶泵站电机，使主顶油缸伸长顶进，盾构机刀盘扭矩逐渐加大，此时应根据盾构机刀盘扭矩的大小调整主顶泵站泵的流量，控制旋钮、泥水系统的泥浆流量，确保机头在顶进过程中刀盘扭矩数据稳定在额定范围内。此外，现场施工人员通过观测激光指向仪打出的点位和倾斜仪读数，随时了解顶进方向趋势，以便于及时纠偏。当进尺一环顶铁时，续加一环顶铁，随后按此顶进过程重复操作，直到机头尾部位于续接管位置。在进行以上操作的同时，还应做好测量观测、记录顶进数据，并实时关注不利因素监测数据。

盾构机头出洞阶段的操作不能简单参照正常顶进过程，不可速度过快，否则可能损害机头或使机头中心线偏离设计轴线位置过多。另外，可能伴随出现大量涌水、涌砂等不良现象。在盾构机头出洞前还应根据现场实际情况编制应急预案，如根据现场水量预测在工作井内布设相应功率向井外排水的泵和管路等。

（2）继续顶进。盾构机头尾部位于导轨前部续接管位置时可开始管节连接顶进。当再次接管前，需按施工方案布置好吊装管节的吊装设备、连接管件器械，如水泥管用的O形圈、硅油等。管节续接操作中，也需重新连接管内的进泥管、排泥管、机头内部电缆。管节续接操作结束后再次开启泥水系统装置，首先进行泥水的机内循环，当压力指标满足要求时，再开始泥水舱循环，随即根据上述盾构机头的开启步骤进行操作，其余相关作业要点也与盾构机头进洞时操作一致。

顶进过程中应定时记录机头轴线位置变化并计算偏差值，当有必要进行纠偏时应关注盾构机头的偏差趋势，做到勤测量、勤纠偏、微纠偏，使管节尾部顶进到续接管的位置，当后续管节有满足接管操作的空间时，就完成了一根管节的顶进循环。随后按照前述操作重复作业，进入下一段管节的接管顶进循环，直至完成全部顶管段施工。

施工中伴随顶进里程逐步增加，泥水系统的传输阻力也会相应加大，造成压力逐步下降，现场技术人员应根据实际情况适时调节系统管路压力大小，使泥水系统参数符合顶进作业要求。管节顶进过程中要注重对沿程地表沉降值的观测，若出现注浆加固地层、管外注润滑浆液等问题及时采取相应的措施，排除不良影响。 

3施工问题及原因分析

前期顶进施工时正常顶进，在顶进30m后，出 现机头被卡、无法运转，出泥管被堵，顶管上方沉降突增3个问题。经过分析，机头别卡和出泥管被堵，均是遇到较大的卵石，比勘查报告中提到的较大，而沉降量突增则为上述泥浆舱压力失衡所致。

4解决措施

针对上述问题进行分析，采取了以下有针对性的解决办法。

（1）泥浆舱泥水浓度的控制。顶管机工作时，泥浆泵配给适当浓度泥水平衡泥土的压力，泥水浓度须大于1.25，泥浆含砂率小于2%，粘度大于30s， 即必须含有一定粘性成分的泥浆，由于穿越卵石地层，卵石含量较高，破碎卵石进入泥浆舱后，若泥浆比重较小，会出现卵石沉淀，导致堵管。

以上数据需现场先进行泥浆试验，获得最优泥浆配比后，保证破碎卵石被泥水浆包裹住，随泥浆经水泵抽数，在后续顶管按照此配比进行。配置适于在富水地层施工不易流失且能形成稳定泥浆润滑层的触变泥浆材料。将满足物理性能要求的触变泥浆（润滑泥浆）由压浆泵通过主管、支管、球阀以及管节上的注浆口压到管节外部，从而在管节外表面与管外土体之间形成润滑层。

因一般顶管作业的施工工期较长，顶进过程中可能遇到地下水影响，触变泥浆很可能因水分流失而失去工作性能。为防止泥浆失效，需沿管道顶进线路从顶管作业开始位置每隔一定距离钻设补浆孔，配合顶管施工的进度适时补充新的触变泥浆。此外，施工阶段可根据实际顶力情况，增加管外壁涂蜡进行减阻。

（2）控制进洞口后，在良好的泥浆套作用下，以不变的顶进压力向前顶进，根据泥水平衡顶管施工经验，通过穿越土层静止土压力。

通过公式计算得出： P ₀ = k ₀ γz =71kPa，泥水仓控制压力 P ₀ ±20kPa以内，匀速穿越，调配好触变泥浆浓度和进排泥水流量，本段顶管泥仓压力暂时控制在0.1MPa。进行施工时根据实际情况进行调整，确保土压力和泥水仓压力平衡，并保持最终平衡压力值，不允许出现大范围排动。

（3）顶进速度维持在10~30mm/min，且后期在穿越燃气管线等关键区域时，保持在稳定的速度，可以很好地减小顶管施工对周围土体的扰动，在一定程度上减少了对路基以下土层的影响。

（4）现场顶进时，由于卵石含量及粒径较大，出现泥水仓及出泥管堵塞现象，多次导致无法继续顶进施工。现场疏通时发现泥水仓及出泥管中堆积的砂石粒径在6~7cm左右均偏大，打开仓盖发现在一次破碎仓中堆积的有粒径15~20cm。

为了解决堵管的问题，现场主要采用以下措施。

（1）现场对二次破碎仓进料口进行改造，将宽7cm的原口径改造成2~3cm，抽出的砂石明显减小，但会有片条状砂石混入，堵管次数减少。经过开仓取出来的石块验证了之前的分析。

（2）更换大功率砂石泵。现场处出泥管采用的泥浆泵为涡流砂石泵，具体参数如下：型号6?BS、流量300m ³ /h、养成28m，转速980r/min、功率30kW，输送介质的浓度大，颗粒粒径可达80mm。

5结束语

借助南水北调配套工程大兴支线某标段中实际顶管施工案例，分析顶管作业过程中常见的难点，并提出有参考价值的方案。通过采取有针对性的方案，有效解决了管节顶进过程中遇到的问题，同时也为未来在相似环境下使用顶管技术积累了经验和数据资料，为日后在类似地层中顶管工程提供了参考，避免在施工过程中遇到相似的问题而浪费人力和物力，保证顶进施工的顺利进行，提高经济效益。