复杂地质条件下大直径大埋深顶管工程设计

工程概括
本工程为某污水厂进厂主干管，管道铺设在该污水厂进厂道路上，进厂道路同污水厂同期建设，现状为农田及菜地，部分地块为厂房及居民住宅，局部长约200m的为现状道路。四周均是山地，对于污水自流进厂十分不利，存在埋深深、工程实施难度大的情况。
拟建场地地质条件
由于场地原因，部分地质钻点离设计管线距离较远，钻孔仅能作参考，部分地质钻探无法施工，根据根据现有地质初勘材料报告，地质分层情况如下：素填土、淤泥、细砂、粗砂、砾砂、粉质粘土、全风化粉砂质泥岩、全风化炭质泥岩、强风化粉砂质泥岩、强风化炭质泥岩、灰岩、灰岩溶洞。
根据现有地质钻孔，本地区地质比较复杂，地层层厚，分布不均。地质层面起伏变化较大，存在典型溶岩地貌，发现有灰岩溶洞揭露，无充填。
根据现场量测的勘察钻孔水位，勘察期间测得钻孔水稳定水位埋深0.2～3.9m。本场地地下水类型可分为上层滞水、潜水两种。
本工程设计施工特点及难点
由于本工程管道埋深较深，地质复杂，本工程设计施工有以下特点及难点：
管埋深较深，导致工作（接受）井基坑深，深基坑支护费用较大。
管道穿越土层坚硬，顶进时土层摩阻力较大，必须采用一定的减摩措施。
管道穿越地层岩面起伏大，顶进工作面土层软硬相交，顶管施工容易发生偏差，难以保证管道标高及顶进方向。
部分管道穿越地层为全风化、强风化岩层，采用机械顶管施工顶进速度慢，甚至顶进困难。
部分管道穿越地层为微风化灰岩层，机械顶管无法施工，须采用敞开式顶管机顶管，采用化学爆破岩石，机械或人工掘进施工，顶进速度缓慢。敞开式顶管机顶管施工对于施工人员存在极大的安全隐患，施工时应确保施工人员人身安全。
微风化灰岩存在溶（土）洞分布，大小不均，溶洞处理比较复杂，处理费用巨大，而且难以估算。不明溶洞会影响管道施工安全。
顶管工程设计
管道基础形式及地基处理
该工程污水管线采用DN3000钢筋混凝土管。管底普遍埋深为13.2m～15.5m，个别管段埋深16.7m。由于管道埋深较深，拟采用顶管施工。
根据现有地质勘察报告，管道埋置地层比较复杂。管道分别置于粘土层、强风化泥岩、灰岩层。管道地基土承载力较高，不做地基处理，采用天然地基，但是必须对管道基础埋深一定范围内溶洞进行处理，防止溶洞对管道影响。
顶管施工
根据顶管施工采用挖掘方式，顶管施工方法可分为平衡式顶管施工和敞开式顶管使用。要防止发生安全事故，需对砂层进行处理，一般做法为在管前进方向两侧做止水帷幕，并对管前进上方进行加密注浆固结处理。
拟采用止水措施为，如果管范围内存在砂层或软弱土层时，采用φ1000旋喷桩搭接200mm或者φ500搅拌桩搭接150mm，将管外径四周2m范围内砂层或软弱土层进行固结。
本工程管道穿越地层情况有：粉质粘土层、强化泥岩层、强风化泥岩同全风化分界岩层、粘土层同砂层交界岩层、微风化岩层、微风化灰岩同粉质粘土层界岩层、溶（土）洞顶部穿越。
根据现有地质钻探，顶管穿越地层比较复杂，适用于本工程的顶管施工方法主要有以下几种：
泥水平衡法顶管施工，并采用相应的减摩措施。
土压平衡法顶管施工，并采用相应的减摩措施。
人工顶管施工，并采用相应的减摩措施，同时对顶管穿过地区的不稳定土层进行处理。
根据管道所穿越地质情况不同，本工程顶管施工分以下几种方式：
在粘土层穿过的管道，采用泥水平衡法或土压平衡法顶管施工，并采用相应减摩措施。
在强风化岩面同粘土，砂层交界处穿过的管，采用泥水平衡法或土压平衡法顶管施工，根据现场强风化岩强度，选择采用大刀盘的、多刀盘、带有轧石功能的或带破岩功能的顶管机械。
在微风化灰岩层中顶管采用敞开式顶管机，化学爆破炸岩掘进或者采用掘进机掘进施工，施工前应处理好溶（土）洞，保证施工安全。
当微风化灰岩层岩面位于管范围内时，如果管范围内存在砂层等软弱土层，管顶无不透水层或者不透水层较薄时，在管周围施工止水帷幕，固结不稳定土层，然后再施工，严防发生大面积透水、流沙、塌方等安全事故，保证施工安全，确保施工人员人身安全。
本管道铺设现场位于道路及农田内，部分穿越居民住宅（住宅计划拆迁）。现场道路宽度约10～16m左右，道路中间，两侧大量高压线网，而且比较密集，高压线距地面约7～8m，施工场地比较狭小，不利于顶管工作接收井布置。
根据地质报告，综合现场地形施工场地，对不同地质情况管道采用不同顶管施工工艺，工作接收井间距布置约90～210m。施工时根据施工机械、管材允许顶力、估算顶力、后座墙设置等情况考虑设置中继间。
顶管工作井（接收井）的结构设计及基坑开挖
工作井拟采用内径9m圆井，接受井采用内径7m圆井。井深约为14～16m。
一般顶管用工作（接收）井形式主要有：钢板桩支护，沉井，地下连续墙，钻孔桩，逆做拱墙法。
本管道铺设现场位于道路及农田内，部分穿越居民住宅（住宅计划拆迁）。现场道路宽度约10～16m左右，道路中间，两侧大量高压线网，而且比较密集，高压线距地面约7～8m，施工场地比较狭小。
由于采用钢板桩，沉井，地下连续墙，钻孔桩等方式施工需要比较高的施工空间，部分施工场地比较狭小，高压线无法迁移，故很难使用以上方式施工工作井，故工作井接收井采用逆作拱墙法施工，拱墙外围施工两排高压旋喷桩止水，旋喷桩搭接150mm。
拱墙土方开挖采用人工及机械组合，垂直方向每层不大于1.0米，水平方向分成4段施工。基坑边设350×350mm集水沟及沉降位移观察点。
施工验收标准拱曲线沿曲率半径方向的误差不得超过±40m，不平整度不大于50mm。如对拱墙施工质量有怀疑，应采用钻芯法进行检测，检测数量为100平方米墙面为一组，每组不少于3点。
如果井范围内、基坑爆破施工影响范围及顶管施工影响范围内存在溶（土）洞，则根据现场实际情况，先对溶（土）洞进行处理后再开挖施工。
施工过程中遇到的问题及解决方法
1．部分管段从强风化灰岩穿过，强风化灰岩岩芯碎裂，裂隙很发育，灰岩岩面到管道顶约1～2m左右，灰岩上卧层为砂层，管道埋深约14m，地下水压力大，地下水从灰岩裂隙往下渗漏，造成管涌，有塌方施工危险。在这些管段顶进施工前，将这些管段管顶2m灰岩或者砂层进行注浆加固处理，能防止塌顶或者漏水。
2．采用泥水平衡顶管施工管段遇到灰岩石笋，顶管机无法继续顶进，在地面将灰岩石笋冲碎然后回填粘土继续顶进。
3.顶进施工时发现有串珠状的溶洞，在有溶洞地段先采用注浆方式对溶洞进行处理，然后再顶进施工。
总结
从本工程设计施工过程看，在复杂地质条件下进行大直径顶管施工是可行的。在设计施工前应对场地地质条件进行彻底的勘察，对处不同地质条件下的管段分别采用不同的施工工艺。施工中及时根据现场实际情况进行施工方法调整，使得工程顺利完成。