本文以茅洲河干管完善為例，對(duì)市政頂管施工過程中出現(xiàn)的機(jī)頭遇障礙物導(dǎo)致刀盤無法正常工作、地面沉降、頂管機(jī)通過不穩(wěn)定砂層出現(xiàn)線位偏移等較大的質(zhì)量管控風(fēng)險(xiǎn)制定專項(xiàng)預(yù)案，以便于頂管實(shí)施頂進(jìn)質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。
一、工程地質(zhì)概述
施工場(chǎng)地臨近茅洲河，地勢(shì)較為舒緩，屬低丘、臺(tái)地為主，地勢(shì)舒緩起伏變化較小。場(chǎng)地范圍內(nèi)地下水位整體埋藏深度較淺。受茅洲河水位影響，場(chǎng)地地上水位較高，埋深0.5~3.4m，平均1.41 m。場(chǎng)地地下水位季節(jié)變化幅度1.5~3.0m。
茅洲河地質(zhì)從上往下依次為素填土，粉(砂)質(zhì)黏土，中粗砂，礫砂，殘積土等。
二、掘進(jìn)設(shè)備選用
1、選型原則
（1）掘進(jìn)機(jī)機(jī)型和功能必須滿足人員安全、質(zhì)量、工期、地質(zhì)、施工條件和環(huán)境等要求；
（2）掘進(jìn)機(jī)的選用應(yīng)根據(jù)不同的地質(zhì)條件進(jìn)行選擇，其性能與工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件相適應(yīng)；
（3）掘進(jìn)機(jī)要安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)性相統(tǒng)一，在安全可靠的情況下，考慮技術(shù)先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)合理。
2、選型依據(jù)條件
掘進(jìn)機(jī)選型的依據(jù)主要為開挖面土質(zhì)、地下水位、障礙物、設(shè)計(jì)線路、長(zhǎng)度、工期、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)性等。
（1）地層滲透系數(shù)
當(dāng)?shù)貙拥臐B透系數(shù)小于10⁻⁷m/s時(shí)，可選用土壓平衡式掘進(jìn)機(jī)；當(dāng)?shù)貙拥臐B透系數(shù)在10⁻⁷~10⁻⁴m/s 之間時(shí)，可選用土壓平衡式掘進(jìn)機(jī)或泥水式平衡式掘進(jìn)機(jī)；當(dāng)?shù)貙拥臐B透系數(shù)大于10⁻⁴m/s時(shí)，宜選用泥水平衡式掘進(jìn)機(jī)。本區(qū)間砂土層滲透系數(shù)屬?gòu)?qiáng)透水層。
（2）地層顆粒級(jí)配
當(dāng)巖土中粉粒和黏粒的總量達(dá)到40%以上時(shí)通常會(huì)選用土壓平衡式掘進(jìn)機(jī)，相反的情況則選擇泥水平衡式掘進(jìn)機(jī)，粉粒的絕對(duì)大小通常以0.075mm為界。
本區(qū)間地層中粗砂含量約為75%，粉質(zhì)黏土含量約為18%。
頂管施工現(xiàn)場(chǎng)參考畫面
3、掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)要求
（1）基本功能要求
具有掘進(jìn)系統(tǒng)、泥漿循環(huán)系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、操控系統(tǒng)、觀測(cè)變相系統(tǒng)等基本功能。
（2）對(duì)長(zhǎng)距離在細(xì)中砂地層中掘進(jìn)的適應(yīng)性
具備完成平衡掌子面水壓平衡的能力，技術(shù)成熟，穩(wěn)定性高；刀盤、刀具、泥漿管路的高耐磨性；刀盤以及刀具應(yīng)根據(jù)土質(zhì)合理的進(jìn)行設(shè)計(jì)，刀盤開口率滿足施工需求，開口位置的合理性；在高水壓狀態(tài)下的防水密封性能；具有較高的掘進(jìn)速度指標(biāo)、良好的泥水輸送和處理能力。
（3）準(zhǔn)確的方向控制
掘進(jìn)導(dǎo)向系統(tǒng)應(yīng)具有較高的精度，能夠保證掘進(jìn)方向按照設(shè)計(jì)好的線路進(jìn)行。
（4）環(huán)境保護(hù)
掘進(jìn)施工應(yīng)充分考慮對(duì)周邊及地表、地下環(huán)境的保護(hù)，掘進(jìn)時(shí)應(yīng)做好地面沉降位移檢測(cè)，確保地面沉降滿足設(shè)計(jì)要求，出現(xiàn)特殊情況時(shí)應(yīng)及時(shí)采取措施；同時(shí)應(yīng)避免較大的噪音、震動(dòng)對(duì)周邊環(huán)境的影響，所使用的輔助材料不能對(duì)周邊環(huán)境造成污染。
4、確定掘進(jìn)機(jī)類型
依據(jù)滲透系數(shù)及地層顆粒級(jí)配需求應(yīng)與選擇泥水掘進(jìn)機(jī)相適應(yīng)。
（1）普通泥水平衡頂管機(jī)
該機(jī)型可以在中粗砂層，局部存在素填土、粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土等常見土層中順利頂進(jìn),若遇到特殊地質(zhì)，如雜填土(含有大量建筑垃圾)巖層等，將會(huì)導(dǎo)致刀盤卡住，無法繼續(xù)施工，同時(shí)要將機(jī)頭取出，嚴(yán)重延誤工期，增加施工成本。
（2）巖石頂管機(jī)
本工程選用機(jī)型巖石頂管機(jī)機(jī)頭為滾刀式機(jī)頭，具有二次破碎倉(cāng)，在遇到巖層等特殊地質(zhì)時(shí)，可將所遇障礙物進(jìn)行破碎，大大減少頂進(jìn)過程中刀盤卡住的現(xiàn)象，巖石機(jī)頭較比普通泥水平衡頂管機(jī)成本較高，遇特殊地質(zhì)可以減少施工工期。
三、工藝流程
（1）為了防止初始掘進(jìn)過程中地下水、泥土及循環(huán)泥漿從機(jī)器外殼和洞門的間隙處流失，以及掘進(jìn)尾通過洞門后注漿漿液的流失，造成出洞時(shí)掘進(jìn)機(jī)因自重而下沉，在初始掘進(jìn)時(shí)需在洞門安裝臨時(shí)密封裝置，洞門密封裝置由短套筒、加勁板、翻板及一道簾布橡膠板組成。短套筒的封板上預(yù)留注漿孔。密封短套筒分塊加工安裝，采用手拉葫蘆配合吊車吊裝固定就位，焊接短套筒封板及加勁板與預(yù)埋鋼環(huán)前端面一周，焊接要求連續(xù)、不漏水。
（2）采用M20螺栓將簾布橡膠板固定于短套筒外部，在機(jī)器開始掘進(jìn)后，簾布橡膠板向掘進(jìn)方向外翻，起到密封作用。在機(jī)器尾全部進(jìn)入密封環(huán)后第一道簾布?jí)壕o到頂管上，起到密封作用，保證洞門無漿液流出。在軟土層中頂進(jìn)混凝土管時(shí)，混凝土管有漂移可能，為準(zhǔn)確控制頂進(jìn)精準(zhǔn)度，可將前2~3節(jié)管與頂管機(jī)機(jī)頭聯(lián)成一體。
初始頂進(jìn)階段，由于地下土質(zhì)情況不明確，頂進(jìn)時(shí)管道四周的摩擦阻力可能小于機(jī)頭正面的水土壓力，連接新管道之前，已頂進(jìn)的部分在主推千斤頂在退回前必須與井壁進(jìn)行固定，以防止因管道水土壓力過大發(fā)生后退現(xiàn)象，使得洞口止水裝置易出現(xiàn)損傷。因此在主推千斤頂退回前，將混凝土管與始發(fā)井壁相連，直至混凝土管外壁摩阻力大于掘進(jìn)機(jī)正面水土壓力為止，以防止頂進(jìn)管道后退。
四、頂進(jìn)過程控制
1、掘進(jìn)速度
掘進(jìn)以勻速、安全為原則，泥水平衡式掘進(jìn)速度除取決于自身的掘進(jìn)能力(總推力與扭矩)外，還與環(huán)流系統(tǒng)的能力有關(guān)，環(huán)流系統(tǒng)的運(yùn)行速度不能小于掘進(jìn)速度，否則會(huì)導(dǎo)致掘進(jìn)過程中泥渣、塊石等進(jìn)入泥水倉(cāng)后，不能有效的通過泥漿管輸送至泥漿池中，導(dǎo)致泥水倉(cāng)堵塞和泥漿管堵塞，泥水倉(cāng)壓力產(chǎn)生瞬間高壓，對(duì)掘進(jìn)機(jī)頭附近原土體產(chǎn)生擾動(dòng)，泥水不平衡后造成地面塌陷風(fēng)險(xiǎn)。本工程穿越建構(gòu)筑物段的掘進(jìn)速度均控制在15~25mm/min左右。
2、掘削量的控制
當(dāng)發(fā)現(xiàn)掘削量過大時(shí)，降低頂進(jìn)速度，對(duì)泥水密度、黏度和切口水壓進(jìn)行檢查，同時(shí)利用勘探設(shè)備檢查土體坍塌狀況，若土體坍塌過大，可降低切口水壓，增加泥水密度，降低頂進(jìn)速率，確保開挖面的穩(wěn)定性。
3、泥漿控制
在掘進(jìn)過程中，刀盤面表層會(huì)形成一層泥漿，需要注意新舊泥漿交替時(shí)，形成泥漿的厚度應(yīng)滿足要求，以便刀盤進(jìn)行切削。根據(jù)泥漿注入壓力以及千斤頂頂力控制泥漿注入速度，水倉(cāng)壓力要穩(wěn)定在0.08~0.1MPa 之間，泥漿黏度大于25s，頂力增大掘進(jìn)速度降低時(shí)，需及時(shí)增加泥漿注入率，以保證泥水平衡，保證掘進(jìn)順利進(jìn)行，一般情況下，泥漿的比重控制在1.05~1.3。
4、扭轉(zhuǎn)控制
在管內(nèi)設(shè)備及管道安裝時(shí)，易造成管道受力不均造成管道扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，為保證管道平衡，本工程主要措施有:
（1）增加相應(yīng)配重塊
在設(shè)備或者管材內(nèi)部的另外一側(cè)進(jìn)行配重處理，達(dá)到兩側(cè)重量相同的效果，保證掘進(jìn)過程中左右平衡，減小因人為造成的不利扭轉(zhuǎn)風(fēng)險(xiǎn)。掘進(jìn)過程中，外部配備壓鐵單塊或者鉛塊，根據(jù)管道扭轉(zhuǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)反饋數(shù)據(jù)，若發(fā)現(xiàn)管道扭轉(zhuǎn)，立即減慢掘進(jìn)速度并在管道單側(cè)增加配重塊進(jìn)行扭轉(zhuǎn)糾正，壓鐵或鉛塊單塊重量宜為30kg。
（2）增加設(shè)備抗扭力
在掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭設(shè)置抗扭轉(zhuǎn)翼板，掘進(jìn)機(jī)若發(fā)生扭轉(zhuǎn)，則將左右兩只抗扭轉(zhuǎn)翼板向外推出伸入周邊土層，扭轉(zhuǎn)翼板深入度越大，抗扭力矩就越大，在掘進(jìn)機(jī)達(dá)到平衡時(shí)將兩側(cè)翼板收回。
頂管施工現(xiàn)場(chǎng)參考畫面
5、地面沉降因素及控制措施
引發(fā)地面沉降因素：
（1）造成地面較大沉降的主要原因?yàn)?/span>掘進(jìn)工作面的坍塌，坍塌造成出土量增加，遠(yuǎn)大于管道體積管道上方土體松動(dòng)，導(dǎo)致地面沉降；
（2）掘進(jìn)工作面取土量過大或較少，推進(jìn)壓力與前方土體壓力不平衡，地面發(fā)生隆起或沉降；
（3）掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，為了減少管道周圍摩擦阻力，降低主千斤頂頂力，掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭外徑一般>管道外徑10~20mm。因此，掘進(jìn)時(shí)管道會(huì)與周邊土體產(chǎn)生一定程度的空隙，可能導(dǎo)致土體坍塌；
（4）管道頂進(jìn)過程中，在管道周圍注入觸變泥漿以降低摩擦阻力，在施工完成后，停止注漿，觸變泥漿含泥率降低，周圍土體坍塌，致使地面出現(xiàn)微小沉降。
控制措施：根據(jù)引發(fā)地面沉降因素，本工程制定了以下控制措施。
（1）控制頂進(jìn)速度。初始頂進(jìn)速度控制在1~2mm/min，過程中頂進(jìn)速度控制在0~20mm/min，出土量控制在98%~105%；
（2）控制出土量。頂進(jìn)出土?xí)r要時(shí)刻保持等體積置換，保持出土體積與頂入管道體積保持一致，當(dāng)出土體積大于頂入管道體積時(shí)，地面易發(fā)生沉降，反之，地面易發(fā)生隆起；
（3）每3根管道設(shè)置1根帶有注漿孔管道，頂進(jìn)過程中邊頂邊進(jìn)行壓漿，中間管道及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)漿，消除管道與土體間的空隙，同時(shí)也可以減少管道的摩擦阻力。
在頂管施工結(jié)束時(shí)，對(duì)泥漿系統(tǒng)中的漿液進(jìn)行置換，本工程置換漿液為水泥砂漿。
五、結(jié)語(yǔ)
泥水平衡式頂管施工設(shè)備做好選型并通過施工過程質(zhì)量控制有效地提高了頂管施工質(zhì)量，通過分析大量的測(cè)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，地面結(jié)構(gòu)物的沉降幾乎為零，為工程的順利推進(jìn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
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