顶管遇地下韧性障碍物处理施工技术分析

作为一种成熟的非开挖施工工艺，顶管施工法具有施工精度高、综合成本低、环境污染少等优点，近年来已广泛应用于城市给排水、电力等市政管道工程。但是，由于地下环境的不确定性、地下障碍物探查技术的局限性等原因，顶管工程经常会遇到地下障碍物。如何经济有效地处理这些障碍物仍是顶管施工技术中的一大难题。根据工程实际和现场条件，顶管施工遇到障碍物后，可采取避让障碍或清除障碍两种处理方式。

1)避让障碍就是通过调整管道轴线避让障碍物，一般用于障碍物具有实用价值而无法清除的情况。调整轴线往往会造成成本的增加和工期的延误，甚至如果是在顶进过程中遇到障碍物，还需倒拔顶管机，增加了施工难度和风险。鉴于此种情况，在不影响管道功能的前提下，顶管地下错位对接技术也有所应用。
2)清除障碍，可分为地面清障和地下清障。地面清障在地表进行，采取支护开挖、钢板套箱或全套管钻机等方式清除障碍物后再顶管施工，对场地要求较高，且清障后的回填土质量对后续顶管施工影响较大。地下清障是在不开挖地表的前提下清除障碍物，有人工清障和机械清障两种方式。前者一般需配置气压舱，工人在气压下打开顶管机面板上的人孔清除障碍物，操作环境恶劣，且管道口径需适合施工人员进入;后者则通过改装掘进机刀盘，机械切磨障碍物，多用在已知障碍物的情况下。
地下机械清障在顶管工程中常用于清除低强度的刚性物质，如木桩、混凝土块等，处理具有一定强度的韧性物质的实例并不多见。本文以具体的工程实践为例，对顶管机清除Φ560中口径PE给水管的技术措施进行探讨。
1工程概况
1.1工程背景
白龙港南线东段工程敷设2根长约26km的污水干管，采用顶管法施工。管材采用F型钢承口式钢筋混凝土管，4000mm超大口径，壁厚32cm，顶管覆土8～11m，主要穿越第④层淤泥质黏土，部分遇到第③层淤泥质粉质黏土，其物理力学性质指标如表1所示。
1.2遇障情况




该工程某顶管区间长970m，顶管标高－6.270～－10.910m，采用大功率、大刀盘土压平衡式顶管掘进机(见表2)。顶管工作井为沉井，井壁外4m设Φ800三轴SMW工法桩。在实施工法桩过程中，桩机多幅桩位遇到不明障碍物，遇障标高－7.700m。经现场勘察，判明该障碍物是已废弃的Φ560给水管，PE80材质，壁厚50mm，采取定向钻施工工艺。顶管标高与障碍物相交，二者的位置关系如图1所示。


2清障方案
废弃PE管位于顶管洞口前方4～7m范围，该管口径大、管壁厚、强度高、韧性大(断裂伸长率达350%)，且在地面下12m深，处理难度大。最初设想采用“地面清障”方案:①地面基坑支护开挖，将废弃管暴露后挖除;②从地面钻孔到废弃管位置，再采用专用工具将其逐段切成碎块。经分析，此类处理方案费用高、工期长，而且对环境影响大，顶管出洞风险高。综合考虑顶管机大功率优势、清障成本、出洞风险等因素，最终采用了“地下机械清障”的处理方案，即改造顶管机刀盘结构，通过增加先行刀切削PE管，达到清障目的。
PE给水管材质结实、韧性大，极易在未被切削成段之前跟随顶管机前进或缠绕刀盘，这可能会导致大范围的土体扰动，影响洞口周边的管线安全并加大出洞风险。为此，先对废弃管部位的土体进行加固改良，一方面可提高土体性能，减小沉降，另一方面又可对PE管起到一定的固定作用，便于切削。另外，考虑到特殊应急情况，顶管机后方的管节内预埋钢环，以备安装气压舱需要。
2.1土体加固
根据废弃管位置，在原来洞口土体加固的基础上，将加固区沿顶管方向向外延伸7.2m，横向宽18.2m，深16.6m。采用Φ800高压旋喷桩，搭接长度200mm。旋喷桩的水泥掺量设定为:地面到管顶上方1.2m为12%，管顶上方1.2m到管底下方1.2m为25%。
2.2刀盘改造
该工程选用扬州某厂生产的TP4000土压平衡顶管机，具有功率强大、全断面大刀盘、可变频调速等特点，其主要参数配置如表2所示。


为了切削PE管，在顶管机刀盘上增加了16把先行刀。刀具宽350mm，厚30mm，通过焊接方式与面板连接。先行刀高120mm，比原刀具高出30mm，其目的是让先行刀先接触PE管，并通过较宽的锯齿进行切割。先行刀布置方式如图2所示，刀盘周边设4把，主要用于切断顶管迎面的PE管;刀盘内每隔400mm设1环3把，共设4环，用于将PE管分段切断，便于从Φ700螺旋输送机排除。
先行刀材质选用W18Cr4V钨系高速钢(俗称白钢)，具有高强度、高耐磨性和高耐热性的特点，其与PE管的主要力学性能对比如表3所示。


2.3应急措施
顶管机切削韧性PE管所引起的顶管上方、两侧土体流失可能会远大于正常顶管情况。为了防止洞口周边地下管线(电缆、燃气等)及行车轨道的下沉破坏，对相应设施布置了实时监测点，根据监测数据采取跟踪注浆措施。
切割后的PE管如果无法分段切断，可能会堵住面板上的出土口，影响顶管出土，甚至会缠绕在刀盘上，导致刀盘停转。为此，制订了相应的应急预案:在顶管机后方的两节混凝土管内侧预埋钢环，配置25mm厚Φ4000钢封门和Φ800气压舱门，在全气压下从顶管机入孔处人工清障。
2.4施工控制
清障位置在顶管出洞处，需加强施工管理，保证顶管出洞安全(不出现大面积地表坍塌)和顶管机正常运转(不出现螺旋输送机螺杆断裂、刀盘缠绕不转等)。为此，施工前制定了一系列的控制措施:顶管机接触障碍物后，严格控制顶速≤10mm/min，避免PE管在两端被切断前跟随顶管前进导致的带土现象;密切关注顶管机刀盘电流变化，严禁顶管机长时间超负荷状态运行;定期监视螺旋输送机运转情况，发现异响立即排查原因;实时跟踪监测和顶进数据，沉降或顶力一旦超出报警值即启动应急预案。
3实施效果
顶管出洞后约4m刀盘接触到PE管，一直延续到洞口外约50m，螺旋输送机持续有切削物排出。切削PE管时，顶管机正面土压力控制在0.12MPa左右，顶进速度8～10mm/min。排出物长20～55cm，宽5～15cm，有明显的切削痕迹，如图3所示。切削、排出PE管的整个过程持续约1周，未启用气压舱应急预案。


顶管机刀盘接触PE管时的电流达240～250A，转速0.8r/min，换算转矩近1100kN·m，约是正常顶进时的2.5倍，但远小于刀盘的最大允许转矩2150kN·m。顶管机进洞后，实测先行刀磨损2～5mm。洞口周边有燃气、电缆等管线，清障及排障过程中，洞口土体监测点沉降5～10mm，未出现大幅度沉陷;在未启用地面跟踪注浆的情况下，顶管贯通后的洞口最大沉降26mm，沉降控制良好。
综上可知，清障方案在切削障碍物和控制地表沉降方面达到了预期效果。但由于部分排出物尺寸较大，发生了数次螺旋输送机叶片卡壳现象，施工中通过螺旋输送机反复、缓慢地正反转循环操作，才逐渐将PE管碎片进一步轧碎后排出。
4结语
顶管施工采用直接切削穿越PE给水管类障碍物具有一定的技术难度，本工程通过改制顶管机刀盘，成功清除了Φ560中口径的PE给水管，这主要得益于以下几点。
1)土体预加固对PE管起到了很好的固定作用，防止了韧性管的滑移和缠绕，并有效改良了土体性能，减小了地表沉降。
2)先行刀选用了合理的材质、“周边刀+内侧刀”的布置原则，较好地实现了切断、分离障碍物的目的。
3)顶管机刀盘总功率高达210kW，动力充足，为切削障碍物提供了有力保障。
不足的是，切削后的PE管未达到理想的输出尺寸，一定程度上影响了螺旋输送机出土，今后在类似工程中可通过加大先行刀布置密度、螺旋输送机入口增设切削装置等方式解决。