杨俊峰，邓文杰，余世祥，林 键，詹 杰，曹广勇

(1.中铁四局集团第四工程有限公司，安徽 合肥 230000； 2.安徽建筑大学建筑结构与地下工程安徽省重点实验室，安徽 合肥 230601； 3.安徽建筑大学土木工程学院，安徽 合肥 230601)

0 引言

随着城市不断扩张，开发地下空间日益重要，多孔隧道平行施工应运而生。传统暗挖法施工会对土层应力状态造成扰动，对周边环境和建筑物造成影响，特别是在富水砂层地区，传统的开挖方式已经解决不了开挖期间渗水漏水等问题，顶管法施工提供了一种有效的解决方法。顶力是顶管施工中必须确定的一个重要施工参数，它直接影响工作井后背设计、管节的强度要求、中继环的配置数量和间距及顶进设备的选择。管节摩阻力是衡量顶进效果的一个重要指标，它综合反映了施工中泥浆的制备质量、注浆工艺以及轴线控制质量的好坏。

基于此，诸多学者对顶管隧道施工过程中顶力和管节摩阻力进行了大量研究[1-3]，为解决复杂环境下顶管施工提供了重要理论支撑。向安田等[4]对上海某长距离大口径急曲线顶管施工中实测的顶力和由此计算的平均摩阻力随顶程变化情况做了分析；严国仙等[5]在玻璃夹砂管在顶管工程中的应用基础上讨论了注浆对顶力的影响及顶管施工对周围环境的影响；王贺敏等[6]基于剑桥模型建立矩形顶管工程施工的有限元分析模型，研究顶进过程中顶管机侧摩阻力、顶推力共同作用影响；在单顶管隧道的研究基础上，潘伟强[7]依托上海14号线桂桥路站管幕段实例工程，根据顶进过程实际工况和监测书数据，分析管幕群顶管施工影响地面的原因；吉小明等[8]采用三维数值模拟方法，研究近距离多根顶管施工过程中顶进力影响因素及合理预计方法；尹荣申等[9]基于随机介质理论分析从双孔到4孔等多孔顶管顶进过程中变形指标的演化过程。但在富水砂层顶管顶进施工在全国属于首例，因此，对多孔顶管隧道施工在富水砂层中的研究具有重要意义。

本文就海口富水砂层长距离多孔顶管施工中一节管段各自实测的顶力及管节摩阻力随顶进距离的变化情况进行分析，并进一步分析从单孔到二孔、三孔的多孔顶管顶进过程中顶力及管节摩阻力的演变过程，研究结果对现场实际工程施工具有一定的指导价值。

1 工程概况

1.1 项目概况

海口市美兰机场二期扩建场外排水工程二标段位于海口市美兰区美兰机场附近，主要任务为排除美兰机场二期扩建区域、部分机场一期区域、高铁区域及周边区域的涝水。主线里程4+026.1—4+535.7段和4+776.3—5+435.9段为三孔直径3.5m顶管，顶管横向间距3.18m，包括工作井及接收井，地质剖面如图1所示。

图1 地质剖面

顶管段管节设计采用专用钢筋混凝土管，每节长度2.5m，混凝土强度等级C50，抗渗等级P8。顶管段管节设计直径为3 500mm，共计3 390m(1 356节)，顶管段设计坡度为i=0.4‰。

1.2 工程地质条件

图2 工作井地质断面

工程内的环境水主要为勘探钻孔内地下水及沿线地表水，地下水主要赋存于②层粉砂、③层中砂层中，属于孔隙潜水，强透水层；地下水位埋深在1.90～4.10m，水位标高3.500～4.080m。⑤层强风化玄武岩、⑤1层中风化玄武岩属基岩裂隙水，透水性一般；⑥层中砂、⑧层粗砂的孔隙承压水属强透水层。勘察期间工作井水位埋深1.30～7.60m，水位标高4.500～20.000m，主要受大气降雨补给的影响，地下水位年变幅为2.00m。

1.3 测点布置

在顶管施工影响范围内的路面还需要进行沉降监测，对判定支护结构的竖向沉降具有重要作用。在顶管施工路线通过的路面直接埋设监测点用水准仪测定标高，通过其监测判定推进和支护安全具有重要意义。路面沉降监测点设置要求为纵向间距20m，横向间距5m，共设置2道监测线。路面沉降观测点开顶前2天布设并记录初始数据，顶进结束注浆完毕后继续监控，待监测数据稳定后结束监控测量。根据顶进速度，拟沿顶进轴线方向路面超前15m开始测量以便提前收集沉降数据，及时采取纠正措施。具体测点布置如图3所示。

图3 施工测点布置

2 顶进过程顶力和管节摩阻力系数监测

2.1 顶力和管节摩阻力分析

泥水平衡顶管机在富水砂层地层中对于挖掘面的稳定可以有效进行保持，对管周围土扰动比较小，对地面沉降控制有很大帮助，相比于其他类型的顶管有较小的施工总推力。特别是在黏土层，比较适合长距离顶管，弃土通过搅拌装置把土体搅拌成泥浆，利用排水系统把泥浆送到泥浆罐，不存在吊土、搬运土方作业，故采用泥水平衡机顶进。管节设计直径为3 500mm的泥水平衡顶管机主要技术参数如表1所示。

表1 顶管机主要技术参数

以实际施工工序为例分析富水砂层多孔顶管顶进时的顶力和摩阻力变化规律，即施工时依次按照1号孔顶管、3号孔顶管、2号孔顶管的顺序，其中2号孔顶管为中间隧道，1号孔顶管和3号孔顶管为两边隧道。

通过现场数据分析可知，顶管在顶进到2.5m时开始对顶力和管节摩阻力进行监测，1号孔监测如图4所示。随着顶进长度的增加，顶力整体呈间歇性上升趋势，整条顶力曲线可按照趋势分成3段，0～220m段顶力呈小幅增长趋势，220～500m段顶力刚开始呈小幅度减少然后继续呈小幅度增长趋势，500～620m段顶力呈大幅度增长趋势。随着顶进长度的增加，管节摩阻力呈间歇性先大幅度下降、后小幅度上升、最终趋于平稳的趋势。0～160m段管节摩阻力呈大幅降低趋势，达到1.13kPa；160～250m段管节摩阻力呈小幅增长趋势；250～600m段呈小幅度降低达到最小值0.88kPa，后趋于稳定趋势。

图4 1号孔顶力、摩阻力与顶程关系

2号孔监测如图5所示。随着顶进长度的增加，顶力整体呈间歇性上升趋势，整条顶力曲线可按照趋势分成4段，0～120m段顶力呈大幅增长趋势，120～320m段顶力刚开始趋于平稳的然后继续呈小幅度增长趋势，320～350m段顶力呈大幅度增长趋势，达到最大值11 090kN，350～500m段顶力呈小幅度下降并逐渐趋于平稳的趋势。随着顶进长度的增加，管节摩阻力呈先大幅度下降、后小幅度下降、最终趋于平稳的趋势。0～120m段管节摩阻力呈大幅降低趋势，达到2.0kPa；120～300m段管节摩阻力呈小幅降低趋势，达到最小值1.31kPa；300～350m段呈小幅度上升达到1.9kPa，350～500m段再次呈小幅度降低并最终趋于稳定趋势。

图5 2号孔顶力、摩阻力与顶程关系

3号孔监测如图6所示。随着顶进长度的增加，顶力整体呈间歇性上升趋势，整条顶力曲线可按照趋势分成3段，0～167m段顶力呈大幅增长趋势，167～600m段顶力呈小幅度间歇性增长趋势，600～640m段顶力呈增长趋势并达到最大值14 500kN。随着顶进长度的增加，管节摩阻力呈间歇性先大幅度下降、后小幅度下降、最终趋于平稳的趋势。0～75m段管节摩阻力呈大幅降低趋势，达到4.13kPa；75～640m段管节摩阻力呈间歇性小幅变化趋势，其中在598m处达到最小值1.28kPa，后便一直趋于稳定。

图6 3号孔顶力、摩阻力与顶程关系

2.2 顶管施工顺序影响分析

当顶管隧道施工由单孔逐渐增加到3孔时，3个隧道施工顶管的顶力在初始阶段都有快速爬升的趋势。由于施工隧道不断调整和增加，顶力往往在初始阶段提升幅度较大，并出现顶力的第1次峰值。在单孔施工时顶力最大值在顶程最大时出现，当顶管数量由单孔增加到双孔、三孔时，顶力最大值并不是出现在顶程最大处，而是在顶程后段的某个阶段出现。同时，3个隧道施工顶管的管节摩阻力在初始阶段都有快速下降的趋势，随后出现间歇性小幅度变化直至趋于稳定。管节摩阻力变化是引起长距离顶管顶力变化的根本原因，通过设置中继间、注浆减阻、控制纠偏等手段来降低管节摩阻力来保证顶力的相对稳定，是保证施工顺利进行的最关键环节。影响长距离多孔顶管顶力和管节摩阻力的因素是错综复杂、多方面的，并且控制这些施工参数较为困难，在整个顶进过程中顶力虽然整体上呈增大趋势，但是频率较高，震荡幅度较大，无法较为精确的描述。

3 影响顶力和管节摩阻力因素及控制措施

综上所述，影响富水砂层长距离多孔顶管顶力和管节摩阻力的主要因素如下。

焊接前须对焊接面进行预处理，去除焊接基材和母材表面的油、锈和氧化物，采用不同牌号的银钎焊料，焊剂为银钎焊溶剂，脱水剂为无水乙醇，采用火焰焊接方式。基材试样尺寸为10 mm×10 mm×10 mm，母材尺寸为10 mm×10 mm×30 mm。

3.1 中继间的设置

顶力计算虽然考虑了安全系数,但由于顶进过程中涉及因素非常多,顶力会超过设计控制范围。为确保顶进时安全，当总推力达到中继间允许顶力的70%时，即需安放第1个中继间。而当主顶油缸达到中继间允许总推力的80%时就必须启用中继间。

中继间最大行程为30cm，φ4.0m管节中继间内部配置40个50t千斤顶，总推力20 000kN；φ3.5m管节中继间内部配置32个50t千斤顶，总推力16 000kN；各顶段中继间设置如表2所示。

表2 中继间设置

中继间选用组合密封中继间，其主要特点是密封装置可调节、可组合、可在常压下对磨损的密封圈进行调换，从而攻克了在高水头、复杂地质条件下由于中继间密封圈的磨损而造成中继间渗漏的技术难题，满足了各种复杂地质条件和高水头压力下的超长距离直线顶管的工艺要求。

3.2 泥浆减阻技术

管道顶进过程中，通过向管外壁压注触变泥浆，来降低管外壁与土体之间的摩擦阻力。每节管节预留4个注浆孔，分别布置在管节上下各1个，左右方向各1个。采用机头同步注浆和管道跟进补浆相结合的方法确保注浆效果。触变泥浆由地面液压注浆泵通过两道管路压送到各注浆孔。在机头处应安装隔膜式压力表，以检验浆液是否到达指定位置，在所有注浆孔内要设置球阀，软管和接头的耐压力为5MPa。

触变泥浆需选用专用成品泥浆材料，现场直接加水搅拌。顶管润滑浆注浆用的膨润土必须是天然钠基膨润土，再经过严格的烘干、粉碎、干燥、球磨、过筛等加工工艺，加工成半成品。然后，再根据特殊地质的使用要求，添加各种辅助材料。根据成熟注浆施工工艺，确定该种地质条件下注浆液配合比。在顶进过程中，再根据实际使用情况进行调整，找出适合于施工的最佳泥浆配合比如表3所示。

表3 注浆配合比

调制浆液时，必须经过充分搅拌，浆料采用低速旋流搅拌机进行搅拌，每次最多可搅拌400L浆液。根据实际顶进情况，对所采用的浆液配合比进行优化调整。现场设5m3塑料存储罐2只，搅拌均匀的浆液输送至存储罐中静置2h以上，充分膨胀以后才能使用。

同步注浆必须随顶随注，先注后顶，管线后面管道的注浆孔视顶力大小进行补浆。为防止顶完后管外四周土体塌陷，在管外四周注水泥浆护壁。

补浆应按顺序依次进行，每班不少于2次循环，定量压注。控制好注浆压力及注浆量，具体注浆压力及注浆量根据现场顶进的土质情况进行控制，注浆实际用量要比理论大得多，一般可达理论值的4～8倍。根据不同管外径分别计算每米最少注浆量，注浆压力控制在0.2～0.3MPa，通过不锈钢压力表来控制注浆压力。

顶管完成后及时对管道外壁进行充填加固，把原注入的膨润土浆置换。使用的泥浆置换材料为水泥加粉煤灰浆，其配合比为水∶水泥∶粉煤灰=5∶1∶3。通过管道内部的压浆孔压注，注浆压力控制在0.05MPa，注浆次数不少于3次，两次间隔时间不大于24h。每2节混凝土管编为1组，分为注浆孔与排浆孔。将注浆泵清洗干净，吸浆龙头放入灰浆池内，开启注浆泵，打开第1组注浆孔，当第1组排浆孔冒出灰浆后，关闭阀门，再打开第2组，以此类推，直到全线完成。再关闭所有阀门，保压30min，保压时注浆压力为1MPa。泥浆置换完成后，应拆除主通道浆管和管内弧形浆管就地清洗，以免浆液凝固堵塞。

3.3 顶进方向控制

采取严格的放样复核制度，并做好原始记录。顶进前必须遵守严格的放样复测制度，坚持三级复测，确保测量万无一失。布设在工作井后方的仪座必须保证顶进过程中的稳定性，必须定时复测并及时调整。顶进纠偏必须勤测量、多微调，并设置偏差警戒线。初始推进阶段，方向主要是主顶油缸控制，因此，一方面要减慢主顶油缸推进速度，另一方面要不断调整油缸编组和机头纠偏。

3.4 顶管纠偏

纠偏系统位于机头部位，有4个纠偏油缸，纠偏时，通过控制各纠偏油缸的伸缩，使纠偏油缸活塞杆的合力推动纠偏段朝机身段偏斜的相反方向转过一定的角度，这时纠偏段和机身段之间的环形超挖间隙发生变化，机头的顶进阻力便失去原有平衡，在后方顶推力和土压力的共同作用下，迫使机身段和后续管道向纠偏段偏转的方向前进。

通过观察安装于机头后部示位标靶上激光光点的坐标确定机头的偏差，通过机头纠偏段确定需进行纠偏的角度，然后查阅纠偏油缸行程与纠偏角度对应关系表，调整纠偏油缸行程对机头进行控制。随管道的顶进，持续观测示位靶的激光坐标来验证纠偏效果。

纠偏操作方案的依据为测量提供的机头折角、倾斜仪基数和走动趋势、前后尺读数比较、机尾处地面沉降量等。0.5°以上的大动作纠偏须尽量避免并在交接时慎重讨论，不得已时也应争取在非重要地段进行并加强观测。纠偏动作后如无折角变动应立即停止顶进，会同电工、机修工检查电路和液压管路，尽早排除故障，严防轴线超差。纠偏应在下管后尽早进行，注意观察倾斜仪读数的纠后趋势及光点滞后变化，同时通知地面和地下压浆人员加大同步压浆量。

4 结语

1)泥水平衡顶管顶力整体呈间歇性上升趋势，管节摩阻力呈间歇性下降最终趋于稳定趋势。

2)顶管数量从单孔增加到三孔时，顶力和管节摩阻力随着顶程的变化发生着相应的变化，具体表现如下:单孔时，顶力最大值出现在顶程最大处；多孔时，顶力最大值出现在顶程后段的某个阶段，而不是在顶程最大处。从单孔到多孔管节摩阻力一直呈降低趋势，然而多孔顶进时的管节摩阻力在初始阶段降低的程度远大于单孔顶进。

3)多孔顶管施工过程中影响顶力及管节摩阻力的因素包括设置中继间、泥浆减阻、控制顶进方向、顶管纠偏等。

4)顶进过程中顶力和管节摩阻力所受影响复杂多变，随着顶程增加，顶程对各影响因素的稀释作用增强，管节摩阻力所受影响没有顶力明显。通过控制施工参数、改良施工工艺，可以把长距离顶管的顶力控制在较小范围内。