高水压深井顶管始发出洞止水问题分析与处理

高水压深井顶管始发出洞止水问题分析与处理

叶胜

广东省基础工程集团有限公司（广东华顶工程技术有限公司）

摘要：基于顶管始发洞门不可能完全封堵密闭，在泥水平衡顶管机出洞过程中，有可能因地下水压太高而出现减摩泥浆、砂水从管身与洞口之间的缝隙涌入工作井，甚至发生洞口土体坍塌的事故。故此，为功克高水压深井顶管始发出洞止水的技术难题，现本文结合黑龙江中石油管道顶管穿越盘古河工程案例，详细介绍一种圆形顶管始发出洞的止水方法以及施工处理要点，使泥水平衡顶管机能够在多孔缝隙风化砂岩和超高水压等不利条件下从深工作井顺利进入隧道。

关键词：顶管始发出洞；土体加固；深井内洞门止水；止水装置；出洞施工要点

0 引言

随着顶管非开挖技术的不断发展和成熟，泥水平衡顶管机凭着可以下穿公路、铁路、河流，且对地面建筑、交通运行影响非常小的特点，已广泛应用于城市通信电缆、煤气和石油管道、发电厂循环水冷却管道等基础设施建设。但地层中的顶管施工，随着工作井开挖深度的不断增加，很有可能因土质风化严重、含水量高、冻土层等不良地质，而加大施工风险。尤其在深井顶管始发阶段，洞门密封止水难度更大。即便在管前土体加固、密封止水的方法也不少，如在洞门内安装的两道环形盾尾刷中间布置油脂管路，通过人工控制油脂、泥浆压注量来密封始发洞门；或者在工作井钢筋混凝土止水门洞上安装环形橡胶板，以封闭洞门空隙；或者在洞内安装双层橡胶止水装置，以避免顶管机出洞过程中正面的泥水涌入井内，还可以有效形成泥浆套。但以上的洞门止水措施对于地下高水压地质，不一定能达到理想预期，如果一旦密封失效，不仅耽误顶管施工工期，还有可能发生工作井出洞段管道下沉、周边地下管线断裂或者地面构筑物沉降等次生灾害，甚至危及井下施工人员的生命安全。所以，为避免地下顶管施工对居民日常生活和社会交通营运带来影响，在泥水平衡顶管机出洞前必须制定行之有效的洞门密封止水方案和施工关键技术措施，以保证顶管机能安全顺利始发及后续正常施工。

1 工程案例概述

本项目为黑龙江中石油管道工程，需要采用一台Φ2200mm泥水平衡顶管机进行盘古河隧道施工，顶进总长为221.25 m；顶管隧道外径2640mm，大管径顶管为预制2200×220×3000钢筋混凝土管。顶管机穿越盘古河河床覆土深度为7.67m，工作井距离河提30m，井深19400mm，竖井采用800mm地下连续墙加内衬（700mm厚）结构形成圆井，内径为12500mm。

顶管机穿越的地质较复杂，主要为强风化及中风化砂岩地层，砂岩质结构中存有局部泥质胶结体，风化及构造为裂隙发育时期，多处还夹泥岩薄层，岩芯也多呈碎块状，且局部为短柱状；地下水十分丰富，极有可能与盘古河水相连串通，而地下水压会随盘古河的河流流量出现波动，存在水压力超高的问题。所以，顶管机在始发出洞顶进到隧道贯通之前，决不能以常规的施工方法处理洞门止水问题，必须针对埋设深度深、距离河提近、管径大、高水压始发的特点综合考虑，确定从井外土体加固，井内洞门止水和顶管出洞施工要点三方面进行顶管出洞止水，确保泥水平衡顶管机安全始发出洞。

2 顶管始发出洞止水方法

2.1 井外土体加固

2.1.1 加固方式比选

顶管深井外壁的加固措施，是顶管洞门能否顺利拆除与洞门止水安装及顶管后续施工的关键。通常加固抗压强度不宜过高，无侧限抗压强度达到0.8MPa就足够；同时，在出洞段土体与井壁的交界处，加固土体的强度须均匀且有较好的抗渗性能。就目前来讲，深井外壁的加固方式也不少，比较常用的有高压旋喷桩、搅拌桩、压密注浆、双液注浆、素混凝土加固等等。而针对本工程属于深埋出洞的圆型竖井，如果采用搅拌桩或素混凝土加固均难以做到与井壁相贴。此外，地下水压不稳定，且施工始发段地层缝隙发育，若选用压密注浆或双液注浆加固不适应。所以，最终选择高压旋喷桩作为井外土体的加固方式。

2.1.2 加固施工要求

本工程竖井进出洞口所处地层为圆砾层，透水性高。故须对洞口周边的土体进行改良，以提高土体的抗剪、抗压强度，并减弱透水性。采用高压旋喷法对深井出洞口进行土体改良，需在顶管机外径上下3m范围，沿隧道轴线方向7.5m（如图1所示）。高压旋喷桩采用梅花形布置，直径800mm，搭接长度300mm；固化材料宜选用42.5号普通硅酸盐水泥。地质改良后需进行检测，要求加固后砂层渗透系数不大于1×10-6cm/s，取芯无侧限抗压强度应达到1.5MPa，内聚力达到0.3MPa。

图1 洞口旋喷桩加固平面图

2.1.3 旋喷桩施工参数及喷浆量计算

高压旋喷桩施工前必须严格试桩，并根据实际情况确定浆液配比、喷射压力、喷浆量等技术参数（见表1）。同时，试桩数量至少2根以上，且检测位置需要根据现场的实际情况且与监理一同确定。

表1 高压旋喷桩施工主要技术参数参考表

  注：旋喷桩施工主要技术参数参引用于《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2012。

水泥的使用数量，须根据试桩参数计算所需的喷浆量来确定，所以需先计算出浆量。以单位时间喷射的浆量及喷射持续时间，最终确定浆量，公式为：

Q=(H/v)q(1+β)

式中 Q—浆量（m3）；

     H—喷射长度（m）；

     q—单位时间喷浆量（m3/min）；

     β—损失系数，通常0.1～0.2；

     v—提升速度（m/min）。

2.2 井内洞门止水

2.2.1出洞止水失效原因分析

本次顶管施工由于泥水平衡顶管机所在覆土深度较深，水压力较大，且顶进距离较长，还须穿越河流。所以，根据实际情况综合分析，顶管始发有可能出现以下几种出洞止水失效情况：①顶管机穿越了加固体后，由于受到地下超高水压力，单层帘布止水橡胶难以确保压力，及其可能造成帘布翻转或破裂，止水失效。②水压力较大，顶管机和管节及其可能出现后退，管节后退后可能会出现帘布止水胶板翻转，顶管机出洞止水失效。③由于是穿越河流，顶管距离较长，帘布止水胶板由于不断与管节摩擦，极有可能被磨损或撕裂，造成密封止水失效。④由于顶管使用破岩顶管机，顶管刀盘直径较普通顶管大20mm，顶进过程容易沉渣，随着进排浆压力、地下、管外壁注浆等，沉渣可能回被挤压最终有碎石沉滞在帘布止水橡胶板内，造成底部止水橡胶板磨损撕裂，密封止水失效。⑤在施工过程，可能由于施工工人不当操作或其他人为原因，出现可能的出洞止水失效。

2.2.2出洞止水装置的设计

为避免本工程顶管始发出洞过程中发生洞门止水失效事故，经反复研究后设计了一种更安全、双层保护的新型出洞止水装置。（如图2所示）

图2新型止水装置示意图

设计思路：盾尾刷→第一层帘布止水橡胶→第二道帘布止水橡胶→折叠式止水压板。即是通过延长传统式的穿墙管，并在穿墙上焊接一圈盾尾刷，主要利用盾尾刷的弹性和钢丝刷阻拦管壁缝隙出现的翻涌沉渣，同时也增加了管节的有效摩擦力，较少高水压管节的后退；在穿墙管法兰上安装第一层帘布止水橡胶，用于顶管出洞的密封止水；增加一道法兰用于安装第二道帘布止水橡胶，在第一道帘布止水胶板失效起到二次密封止水用；最后采用折叠式止水压板，主要用于预防水压过大帘布止水橡胶板侧翻。

3 顶管出洞施工要点

泥水平衡顶管机出洞环节是顶管施工的关键工序，而每个顶管工作井的施工土质、结构、深度都不一样，所以采取的出洞口止水措施也会存在差异。故此，本次顶管机从工作井内封门进入待开挖土体的全过程必须要按相关要点开展施工。

3.1洞门凿除

由于本次顶管竖井采用连续墙圆形井进行施工，洞门无法采用普通封门式进行，需要在井外完成土体加固后对洞门连续墙进行凿除。洞门凿除前，施工人员详细了解现场情况及图纸，制定凿除的顺序和方法。首先通过井内测量放线，找出把顶管机出洞洞口并划线；然后利用水磨钻在洞口上中下位置分别进行抽芯检测井外土体加固止水效果情况，在抽芯钱需要准备好相应的应急物资（如圆形木尖、棉被、手锤等堵漏用品），预防抽芯时出现喷泉漏；再然后在确保井外土体加固达到设计要求无渗漏后，对洞门连续墙进行凿除，分层凿、除分层割除钢筋，不得采用炮机大震动的凿除方法，避免对井外加固体的扰动，最后保留连续墙最后一层钢筋和混凝土，待顶管机始发前最后凿除。

3.2洞门止水装置的安装

圆形工作井，洞门止水装置除了按设计轴线进行安装外，还需要对洞门止水装置与井体连续墙连接位置进行简单混凝土侧墙连接，保证止水装置的牢固和不透水，尽量做到始发止水装置与端面持平，同时在洞门底层安装延长导轨或铺设底部混凝土，防止顶管机磕头。

3.3轴线控制

在工作井内的导轨、千斤顶支架、后靠背等应严格控制好设计轴线，保证安装精度，确保牢固稳定。

3.4顶管机出洞的姿态控制

顶管机出洞推进时，要将机头和前面至少3节管节采用可调节拉杆连接，并调整好顶管机纠偏油缸组，以防止机头出洞进入隧道后磕头。此外，还需遵循4个施工要点：①导轨安装精度一定要达到标准要求，轴线与设计值须保持一致；②须确保顶管机开挖面的土体稳定，使顶进导向正确；③注意调整好顶管机内部的纠偏组油缸，以有效控制出洞顶管机姿态；④顶管出洞时须尽量连续、慢速、有序顶进。

4 结束语

泥水平衡顶管机在不良施工地质条件下，必须因地制宜从设计、技术、安全等方面制定高效的深井始发出洞止水方案和技术措施，才能够使洞门土体加固和洞口止水达到预期目标。

（1）针对本工程圆型工作井埋深在缝隙发育的风化砂岩地质层，地下水丰富且水压随河流的流量而波动，采用高压旋喷桩进行井外土体的加固，可以有效防止泥沙、地下水涌入始发井内，同时也能够确保管道顶进方向的土体稳定以及施工安全。

（2）通过安装两道帘布止水橡胶，进而加大阻挡管外壁的泥水，止水效果显著，结构简单、实用，施工成本低。

（3）选择综合效益最好施工技术措施，并按规范标准要求从多个工作面有序开展施工，既能满足施工需求，又可确保履行“做一个树立一个样板培养一批人才”的宗旨。

参考文献

[1]葛金科,沈水龙,许烨霜.现代顶管施工技术及工程实例[M].中国建筑工业出版社,2009,10.

[2]葛春辉.顶管工程设计与施工[M].中国建筑工业出版社,2021,01.

[3]严国仙,陈强,韩举宇.大口径泥水平衡钢顶管新型进出洞门施工技术[J].建筑施工, 2018(040)003:408-411.