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【摘 要】 本文从地质、设计、施工等方面对某过河电缆隧道顶管施工顶进遇阻原因进行了分析，对几种解决顶管顶进遇阻方案进行了探讨。
【关键词】 过河电缆隧道；顶管；顶进遇阻；卵石墙；盾构；围堰；二次破碎
1.工程概况
沈阳市某变进线电缆隧道工程为连接浑南、浑北的电力隧道工程，其中过浑河段电缆隧道部分北起五爱街和二环路东北角，然后斜穿二环路往南，再穿越浑河，过浑南防汛堤后止于滨堤路南侧。该段共设4个施工井，起点为1号工作井，在五里河公园内设置2号和3号工作井，终点为4号工作井。1号和4号工作井内设有通至地面的出入口，2号和3号工作井作为顶管机的通过和检修井，1#--2#施工井间为暗挖隧道，2#--4#施工井间为顶管隧道，顶管隧道全长1007.5米，其中2#--3#井间166米，3#-4#井间841.5米，每个工作井之间均为直线连接。顶管内径3.5米，外径4.14米，从3号工作井开始，线位穿越浑河至4号工作井。
隧道埋深主要受控于浑河河底冲刷，河床底控制标高32.0米，冲刷宽度按约150米，冲刷线下最小覆土按4米控制。
纵断面设計考虑顶管顶进施工要求，按照单向坡设计，1号工作井埋深最浅，井中心标高为+35.75米，采用1.5%的下坡至河床冲刷控制点后以0.3%的最小排水坡止于4号工作井，4号工作井中心顶管中心标高为+24.42米。
2.沿线工程地质、水文地质条件
场地地貌属浑河冲积阶地。根据地质钻探显示，顶管穿越段主要地层描述如下：①层杂填土：杂色、褐色，松散状态，稍湿。主要由建筑垃圾、粘性土、砂、碎石、碎砖等组成。局部地段为素填土。浑河段No12～No16孔，No32～No36孔可见①-1层黑色、灰黑色河底淤泥，主要由碎石、粘性土、砂、碎砖等组成。厚度范围0.9～11.2m。④层园砾：中密状态。颗粒不均匀，呈圆形、亚圆形，中粗砂、粘性土充填。磨圆度较好，母岩以火成岩为主，最大粒径可见90mm，一般粒径2-25mm。厚度范围2.7～15.0m。④-1层粉质粘土：黄褐色，可塑，稍湿 。含砂粒，无摇震反应，稍有光泽，干强度、韧性中等。为④层园砾中的透镜体。⑤层砾砂：黄褐、浅黄色，中密状态，湿-饱和。含土，颗粒不均匀，最大粒径可见40mm，矿物成分以石英、长石为主。该层厚度变化较大，为不连续层。可见厚度范围0.7～4.5m。⑥园砾：中密状态。颗粒不均匀，中、粗砂、粘性土充填。局部夹粘性土薄层，磨圆度较好，呈圆形、亚圆形，母岩以火成岩为主，最大粒径可见100 mm，一般粒径2-20mm。局部夹10～20cm粉质粘土薄层。本层最大厚度为32.0m。夹⑥-1层粗砂、⑥-2层砾砂。⑥-1层粗砂：黄褐色，很密状态，饱和。颗粒较均匀，含较多粘性土，矿物成分以石英、长石为主。该层厚度变化大，为不连续层。⑥-2层砾砂：黄褐色，中密状态，饱和。含粘性土较多，级配较好，矿物成分以石英、长石为主。该层厚度变化较大，为不连续层。场地内地下水稳定水位为6.0～12.6m，水位标高为35.13～37.35m；地下水为潜水，主要由大气降水、地下水径流和浑河季节性侧渗补给。根据沈阳地区经验，沈阳地区地下水水位年变幅为1.0～2.0m。浑河为流经沈阳市的内河段，历史最高洪水位（95年）为43.67米；河底最大冲刷变幅（95年）为7.0米。
3.顶管设计与施工
3.1顶管设计
为保证浑河航道的正常运营及周边管线、建筑物等环境不受地面开挖的影响，结合所处场地主要地质条件，设计采用顶管法进行施工。本工程圆隧道内径为3.5米，最大顶进长度为906米，根据隧道穿越地层性质及顶进长度，推荐采用泥水平衡顶管机或加泥式土压平衡顶管机进行施工。顶管机头可选用泥水平衡或土压平衡机头，机头配置的刀具应包含主切削刀（刮刀）、中心刀、先行刀（贝壳刀）、盘形滚刀、周圈侧面保护刀、周边刮刀。先行刀（贝壳刀）和盘形滚刀为主要切削砾砂和圆砾层的刀具，刮刀可进行辅助开挖。同时根据顶力监测情况，每隔200-300米设置一个中继间，确保顶进的完成。
3.2顶管施工
为确保工程安全、质量，根据本工程本身施工特点，施工单位采用大刀盘土压平衡顶管掘进机进行施工，该机械采用了先进的土压平衡原理，可进行全断面切削，即切削刀盘与螺旋输送机加在一起切削搅拌面积达全断面的100%。考虑到最大可见粒径100mm，在制作机头时按照2倍最大粒径设计，机头设置6块辐条式面板，机头开口率50%，最大可通过200mm粒径的卵石，机头面板为传动切削式，同时考虑砂卵石土质摩擦系数高，用耐磨焊条在机头面板上焊接84块刀具，刀具上焊接合金钢头，增加机头本身抗磨性能。
4.顶进施工遇阻情况
顶管隧道区间大部分在⑥层圆砾内，工程施工伊始较为顺利，3号工作井起至4号工作井之间的顶进施工0—130米时，施工平均日进尺5.0米，施工一切正常；至130米以后，卵石数量明显增多、粒径明显增大，施工进度逐渐减缓，至170米时无法顶进，具体情况如下：
（1）顶管3#--4#工作井区间顶进施工至170米时，大粒径卵石明显增多，根据现场实际情况超过20mm含量约为75-80%，最大粒径可见350mm。
（2）根据现场实际勘查及潜水员现场探测，河底顶部覆盖全部为大颗粒无细砂及粘土层，导致土体渗透系数较大，浑河水直接与地下水联通形成联络通道，导致地下水压力增大，螺旋输送机开闸门取土时地下水直接喷入沉渣池中，造成施工安全隐患。
（3）顶管机驱动电机电流过大，致使电机超负荷运转，顶进施工负载较大，进尺较为困难。
（4）顶进过程中进入土仓内的土体较少，土仓内土体与管体土体不能够达到土压平衡，增大土体塌方的可能性。施工单位通过多方渠道咨询专家寻求解决方案，均无明显效果，机头态势不能得到有效控制，若继续顶进可能会发生钢环崩裂、管节脱节、管体上浮等重大安全事故，鉴于此，施工单位停止施工。 5.事故原因分析及初步结论
通过对问题出现的原因进行分析，认为以下三种因素是造成施工进尺困难的主要原因。5.1地质原因对顶管施工遇阻问题产生的原因现就场地地质结构情况分析如下：（1）浑河河床经流域治理前，多处原为采砂场，人为破坏、扰动导致地层情况复杂多变，且扰动深度及冲填成分不均匀，冲填成分的粒径变化大，这在原勘察报告中No31孔揭露的地层中可见。（2）浑河河道经历年的洪水冲刷、堆积，冲洪积形成的地层中掺杂粒径较大颗粒的情况是复杂多变的。浑河洪水比较频繁，百余年来发生过较大洪水10次。特别是1995年浑河上游普降百年一遇的特大暴雨，浑河沈阳水文站（工农桥西侧）实测水头高H=40.95m、流量Q=5010m3/s、流速V=3.14m/s；2005年8月洪水为1995以来的最大一次洪水，洪峰流量3690 m3/s，接近浑河50年一遇的流量。洪水造成河道冲刷、携带堆积物的成分是相当复杂的。（3）由于五里河公园其它建筑的建设，本次施工对过浑河段电缆线路进行了修改，原设计线路隧道2#、3#井向东侧偏移，1#、4#井位置未变，跨浑河段向东偏移约0-50米。因此，虽然勘察过程采用50m作为勘探孔间距满足规范有关勘探孔间距要求，但由于部分实际施工线路和勘探线位置的偏离等造成的勘察“盲区”，原勘察资料对部分施工线路的地层结构实难控制。（4）顶管3#-4#顶管隧道区间大部分在圆砾层内，小部分在杂填土和砾砂层内，此类粒径较大颗粒的母岩成分以火成岩为主，硬度较大，给施工增加了难度。此类粒径较大颗粒作为采砂弃石形成石堆，致使施工顶管遇阻；或施工过程中，大粒径颗粒无法被排出，被顶管机顶进前移，经一定距离的慢慢积累，越来越多粒径大的颗粒堆积在顶管机前部，造成顶管机无法前进的局面。
5.2设计原因：（1）部分线路改变未有进行补充勘察，设计依据不充分。
（2）对由于勘察工作的局限及地层情况复杂多变给设计及施工带来的困难预估不足，对施工工艺及施工设备的选择造成影响。
5.3施工原因：（1）施工过程中。大粒径的卵石无法被排出，被顶管机顶进前移，经一定距离的慢慢积累，许多大粒径的卵石堆积在顶管机前部，造成顶管机无法前进。（2）工程沿线局部区域可能存在大粒径的卵石较多的情况，顶管机在顶至该区域时，由于小粒径砾石均进入机舱被清走，大粒径卵石留下堆积，形成“卵石墙”，使顶管机进尺困难。（3）施工采用大刀盘土压平衡顶管掘进机进行施工，机头没有对大颗粒卵石进行破碎的功能，使得顶管顶进遇阻。
6解决方案
针对上述造成顶管施工难以进尺的可能因素，提出如下解决方案设想：（1）在隧道覆土厚度允许情况下，采用土压平衡盾构法从4号工作井向3号工作井进行掘进，至原顶管机处，采用先围堰，后施工围护和内部结构的方法，将顶管机头和盾构机头分别取出。（2）浑河上游进行围堰，在施工区域进行施工降水、支护，采用明挖法完成余下部分隧道施工，并将顶管机头取出。（3）重新制作一台加泥式土压平衡顶管机，且刀盘上必须配备具有二次破碎功能的滚刀，以4号工作井作为顶管始发井，按照原线路，由4号工作井向3号工作井进行回顶。新顶管机回顶至原顶管机处的对接，采取下述两种方案进行。①顶管机头直接对接。对接部位先采用冻结等形式，对土体进行加固，对接后顶管机壳体留在土中，采用类似中继间的做法，在壳体內侧，现浇钢筋混凝土结构，与拼装后预制混凝土管节连成整体。②对接部位施作接收工作井。采用先围堰，后施工围护和内部结构的方法，将两个顶管机头在接收井中分别顶进取出。
参考文献：
1沈小京等.市政工程勘察规范.北京：中国建筑工业出版社，2013
2金淮等.城市轨道交通岩土工程勘察规范.北京：中国计划出版社，2012
3钱七虎等.岩土工程师手册.北京：人民交通出版社，2010
4晏金桃等.地下工程勘察设计与施工技术实用手册.吉林：吉林音像出版社，2003
【关键词】 过河电缆隧道；顶管；顶进遇阻；卵石墙；盾构；围堰；二次破碎
1.工程概况
沈阳市某变进线电缆隧道工程为连接浑南、浑北的电力隧道工程，其中过浑河段电缆隧道部分北起五爱街和二环路东北角，然后斜穿二环路往南，再穿越浑河，过浑南防汛堤后止于滨堤路南侧。该段共设4个施工井，起点为1号工作井，在五里河公园内设置2号和3号工作井，终点为4号工作井。1号和4号工作井内设有通至地面的出入口，2号和3号工作井作为顶管机的通过和检修井，1#--2#施工井间为暗挖隧道，2#--4#施工井间为顶管隧道，顶管隧道全长1007.5米，其中2#--3#井间166米，3#-4#井间841.5米，每个工作井之间均为直线连接。顶管内径3.5米，外径4.14米，从3号工作井开始，线位穿越浑河至4号工作井。
隧道埋深主要受控于浑河河底冲刷，河床底控制标高32.0米，冲刷宽度按约150米，冲刷线下最小覆土按4米控制。
纵断面设計考虑顶管顶进施工要求，按照单向坡设计，1号工作井埋深最浅，井中心标高为+35.75米，采用1.5%的下坡至河床冲刷控制点后以0.3%的最小排水坡止于4号工作井，4号工作井中心顶管中心标高为+24.42米。
2.沿线工程地质、水文地质条件
场地地貌属浑河冲积阶地。根据地质钻探显示，顶管穿越段主要地层描述如下：①层杂填土：杂色、褐色，松散状态，稍湿。主要由建筑垃圾、粘性土、砂、碎石、碎砖等组成。局部地段为素填土。浑河段No12～No16孔，No32～No36孔可见①-1层黑色、灰黑色河底淤泥，主要由碎石、粘性土、砂、碎砖等组成。厚度范围0.9～11.2m。④层园砾：中密状态。颗粒不均匀，呈圆形、亚圆形，中粗砂、粘性土充填。磨圆度较好，母岩以火成岩为主，最大粒径可见90mm，一般粒径2-25mm。厚度范围2.7～15.0m。④-1层粉质粘土：黄褐色，可塑，稍湿 。含砂粒，无摇震反应，稍有光泽，干强度、韧性中等。为④层园砾中的透镜体。⑤层砾砂：黄褐、浅黄色，中密状态，湿-饱和。含土，颗粒不均匀，最大粒径可见40mm，矿物成分以石英、长石为主。该层厚度变化较大，为不连续层。可见厚度范围0.7～4.5m。⑥园砾：中密状态。颗粒不均匀，中、粗砂、粘性土充填。局部夹粘性土薄层，磨圆度较好，呈圆形、亚圆形，母岩以火成岩为主，最大粒径可见100 mm，一般粒径2-20mm。局部夹10～20cm粉质粘土薄层。本层最大厚度为32.0m。夹⑥-1层粗砂、⑥-2层砾砂。⑥-1层粗砂：黄褐色，很密状态，饱和。颗粒较均匀，含较多粘性土，矿物成分以石英、长石为主。该层厚度变化大，为不连续层。⑥-2层砾砂：黄褐色，中密状态，饱和。含粘性土较多，级配较好，矿物成分以石英、长石为主。该层厚度变化较大，为不连续层。场地内地下水稳定水位为6.0～12.6m，水位标高为35.13～37.35m；地下水为潜水，主要由大气降水、地下水径流和浑河季节性侧渗补给。根据沈阳地区经验，沈阳地区地下水水位年变幅为1.0～2.0m。浑河为流经沈阳市的内河段，历史最高洪水位（95年）为43.67米；河底最大冲刷变幅（95年）为7.0米。
3.顶管设计与施工
3.1顶管设计
为保证浑河航道的正常运营及周边管线、建筑物等环境不受地面开挖的影响，结合所处场地主要地质条件，设计采用顶管法进行施工。本工程圆隧道内径为3.5米，最大顶进长度为906米，根据隧道穿越地层性质及顶进长度，推荐采用泥水平衡顶管机或加泥式土压平衡顶管机进行施工。顶管机头可选用泥水平衡或土压平衡机头，机头配置的刀具应包含主切削刀（刮刀）、中心刀、先行刀（贝壳刀）、盘形滚刀、周圈侧面保护刀、周边刮刀。先行刀（贝壳刀）和盘形滚刀为主要切削砾砂和圆砾层的刀具，刮刀可进行辅助开挖。同时根据顶力监测情况，每隔200-300米设置一个中继间，确保顶进的完成。
3.2顶管施工
为确保工程安全、质量，根据本工程本身施工特点，施工单位采用大刀盘土压平衡顶管掘进机进行施工，该机械采用了先进的土压平衡原理，可进行全断面切削，即切削刀盘与螺旋输送机加在一起切削搅拌面积达全断面的100%。考虑到最大可见粒径100mm，在制作机头时按照2倍最大粒径设计，机头设置6块辐条式面板，机头开口率50%，最大可通过200mm粒径的卵石，机头面板为传动切削式，同时考虑砂卵石土质摩擦系数高，用耐磨焊条在机头面板上焊接84块刀具，刀具上焊接合金钢头，增加机头本身抗磨性能。
4.顶进施工遇阻情况
顶管隧道区间大部分在⑥层圆砾内，工程施工伊始较为顺利，3号工作井起至4号工作井之间的顶进施工0—130米时，施工平均日进尺5.0米，施工一切正常；至130米以后，卵石数量明显增多、粒径明显增大，施工进度逐渐减缓，至170米时无法顶进，具体情况如下：
（1）顶管3#--4#工作井区间顶进施工至170米时，大粒径卵石明显增多，根据现场实际情况超过20mm含量约为75-80%，最大粒径可见350mm。
（2）根据现场实际勘查及潜水员现场探测，河底顶部覆盖全部为大颗粒无细砂及粘土层，导致土体渗透系数较大，浑河水直接与地下水联通形成联络通道，导致地下水压力增大，螺旋输送机开闸门取土时地下水直接喷入沉渣池中，造成施工安全隐患。
（3）顶管机驱动电机电流过大，致使电机超负荷运转，顶进施工负载较大，进尺较为困难。
（4）顶进过程中进入土仓内的土体较少，土仓内土体与管体土体不能够达到土压平衡，增大土体塌方的可能性。施工单位通过多方渠道咨询专家寻求解决方案，均无明显效果，机头态势不能得到有效控制，若继续顶进可能会发生钢环崩裂、管节脱节、管体上浮等重大安全事故，鉴于此，施工单位停止施工。 5.事故原因分析及初步结论
通过对问题出现的原因进行分析，认为以下三种因素是造成施工进尺困难的主要原因。5.1地质原因对顶管施工遇阻问题产生的原因现就场地地质结构情况分析如下：（1）浑河河床经流域治理前，多处原为采砂场，人为破坏、扰动导致地层情况复杂多变，且扰动深度及冲填成分不均匀，冲填成分的粒径变化大，这在原勘察报告中No31孔揭露的地层中可见。（2）浑河河道经历年的洪水冲刷、堆积，冲洪积形成的地层中掺杂粒径较大颗粒的情况是复杂多变的。浑河洪水比较频繁，百余年来发生过较大洪水10次。特别是1995年浑河上游普降百年一遇的特大暴雨，浑河沈阳水文站（工农桥西侧）实测水头高H=40.95m、流量Q=5010m3/s、流速V=3.14m/s；2005年8月洪水为1995以来的最大一次洪水，洪峰流量3690 m3/s，接近浑河50年一遇的流量。洪水造成河道冲刷、携带堆积物的成分是相当复杂的。（3）由于五里河公园其它建筑的建设，本次施工对过浑河段电缆线路进行了修改，原设计线路隧道2#、3#井向东侧偏移，1#、4#井位置未变，跨浑河段向东偏移约0-50米。因此，虽然勘察过程采用50m作为勘探孔间距满足规范有关勘探孔间距要求，但由于部分实际施工线路和勘探线位置的偏离等造成的勘察“盲区”，原勘察资料对部分施工线路的地层结构实难控制。（4）顶管3#-4#顶管隧道区间大部分在圆砾层内，小部分在杂填土和砾砂层内，此类粒径较大颗粒的母岩成分以火成岩为主，硬度较大，给施工增加了难度。此类粒径较大颗粒作为采砂弃石形成石堆，致使施工顶管遇阻；或施工过程中，大粒径颗粒无法被排出，被顶管机顶进前移，经一定距离的慢慢积累，越来越多粒径大的颗粒堆积在顶管机前部，造成顶管机无法前进的局面。
5.2设计原因：（1）部分线路改变未有进行补充勘察，设计依据不充分。
（2）对由于勘察工作的局限及地层情况复杂多变给设计及施工带来的困难预估不足，对施工工艺及施工设备的选择造成影响。
5.3施工原因：（1）施工过程中。大粒径的卵石无法被排出，被顶管机顶进前移，经一定距离的慢慢积累，许多大粒径的卵石堆积在顶管机前部，造成顶管机无法前进。（2）工程沿线局部区域可能存在大粒径的卵石较多的情况，顶管机在顶至该区域时，由于小粒径砾石均进入机舱被清走，大粒径卵石留下堆积，形成“卵石墙”，使顶管机进尺困难。（3）施工采用大刀盘土压平衡顶管掘进机进行施工，机头没有对大颗粒卵石进行破碎的功能，使得顶管顶进遇阻。
6解决方案
针对上述造成顶管施工难以进尺的可能因素，提出如下解决方案设想：（1）在隧道覆土厚度允许情况下，采用土压平衡盾构法从4号工作井向3号工作井进行掘进，至原顶管机处，采用先围堰，后施工围护和内部结构的方法，将顶管机头和盾构机头分别取出。（2）浑河上游进行围堰，在施工区域进行施工降水、支护，采用明挖法完成余下部分隧道施工，并将顶管机头取出。（3）重新制作一台加泥式土压平衡顶管机，且刀盘上必须配备具有二次破碎功能的滚刀，以4号工作井作为顶管始发井，按照原线路，由4号工作井向3号工作井进行回顶。新顶管机回顶至原顶管机处的对接，采取下述两种方案进行。①顶管机头直接对接。对接部位先采用冻结等形式，对土体进行加固，对接后顶管机壳体留在土中，采用类似中继间的做法，在壳体內侧，现浇钢筋混凝土结构，与拼装后预制混凝土管节连成整体。②对接部位施作接收工作井。采用先围堰，后施工围护和内部结构的方法，将两个顶管机头在接收井中分别顶进取出。
参考文献：
1沈小京等.市政工程勘察规范.北京：中国建筑工业出版社，2013
2金淮等.城市轨道交通岩土工程勘察规范.北京：中国计划出版社，2012
3钱七虎等.岩土工程师手册.北京：人民交通出版社，2010
4晏金桃等.地下工程勘察设计与施工技术实用手册.吉林：吉林音像出版社，2003