超大直徑頂管工程周邊環(huán)境保護(hù)技術(shù)研究

薛峰

(中鐵上海工程局上海市污水治理南線東段工程SST2.6標(biāo)項(xiàng)目部，上海201201)

超大直徑頂管工程周邊環(huán)境保護(hù)技術(shù)研究

薛峰

(中鐵上海工程局上海市污水治理南線東段工程SST2.6標(biāo)項(xiàng)目部，上海201201)

本文結(jié)合上海市污水治理白龍港片區(qū)南線東段直徑4 m鋼筋混凝土頂管施工，重點(diǎn)對(duì)超大直徑曲線頂管工程的主要施工過程中關(guān)于周邊環(huán)境保護(hù)的相關(guān)技術(shù)，在防止周邊土體沉降造成的地表環(huán)境破壞及減少泥漿排放對(duì)土體造成污染的方面的運(yùn)用進(jìn)行闡述。

超大直徑;頂管;SMW工法樁;觸變泥漿;干泥輸送;姿態(tài)控制系統(tǒng)

污水治理作為市政工程的重要內(nèi)容，日益受到各國(guó)關(guān)注。目前污水治理頂管施工，具有不破壞路面、不中斷交通、環(huán)境影響小、可穿越障礙等諸多的優(yōu)點(diǎn)。通過頂管施工的最大直徑和最長(zhǎng)頂距記錄不斷刷新，不僅能夠加大污水排放量，加快污水收集及處理速度，更能夠節(jié)省地下空間，對(duì)污水管線進(jìn)行平面和空間合理部署，最終形成城市大型污水治理空間布局管網(wǎng)［1］。因此頂管施工應(yīng)用越來越普遍，并有逐漸替代開挖埋管施工的趨勢(shì)。因大直徑頂管工程沉井體積大，管道走向周邊環(huán)境復(fù)雜，在施工中如何減少周邊環(huán)境干擾是安全文明施工控制的重點(diǎn)。結(jié)合上海市污水治理南線東段工程，對(duì)超大直徑頂管工程周邊環(huán)境保護(hù)的相關(guān)技術(shù)的運(yùn)用進(jìn)行研究。

1 工程概況

上海市污水治理白龍港片區(qū)南線東段完善工程SST2.6標(biāo)，主要工作內(nèi)容為3座工作井、2座接收井及長(zhǎng)約3.98 km×2的雙排DN 4000鋼筋混凝土頂管(管道外徑4.64 m)。頂管井最大建筑面積506.45 m2，埋深17.8～18.3 m，采用沉井法施工。管道斷面主要處于淤泥質(zhì)粘土層以及淤泥質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土交界層。工程位于遠(yuǎn)東大道西側(cè)綠化帶及龍東支路南側(cè)農(nóng)田地和果園，綠化帶以喬木和灌木綠化為主，并分布眾多河濱、民宅及廠房等。管道頂進(jìn)沿程需保護(hù)和搬遷的管線多(城鎮(zhèn)電纜、城鎮(zhèn)污雨水管線、浦東機(jī)場(chǎng)航油管、軍用光纜及通訊光纜等)、頂管穿越敏感及重要設(shè)施多(河道、高架橋、跨線橋、G1501高速公路及民房等)。

2 SMW工法樁周邊環(huán)境保護(hù)施工技術(shù)

標(biāo)段內(nèi)大部分頂管井距離周邊重要道路、房屋、管線較近。為了減少沉井施工對(duì)周邊環(huán)境的影響，在沉井周邊采用圍護(hù)樁進(jìn)行保護(hù)。SMW工法樁的施工起到土地保護(hù)和止水帷幕的作用。分別針對(duì)沉井下沉過程中因下沉不平穩(wěn)導(dǎo)致的周邊坍塌和因施工降水產(chǎn)生水土流失造成的地表沉降。各井位保護(hù)區(qū)域?yàn)榫獗谙蛲?0.0 m，保護(hù)區(qū)內(nèi)的各種地下管線施工前進(jìn)行搬遷。圍護(hù)樁采用三軸SMWφ850 mm水泥攪拌樁間隔600 mm，搭接長(zhǎng)度≥250 mm。攪拌樁采用Po．42.5普通硅酸鹽水泥，水泥摻量20%，攪拌樁內(nèi)插入H 700 mm×300 mm×13 mm×24 mm型鋼，型鋼間距1 200 mm，即每隔1根攪拌樁插入1根型鋼，布置方式見圖1。

圖1 周邊環(huán)境保護(hù)SMW工法樁平、剖面圖

3 觸變泥漿技術(shù)

頂管施工過程中，因?yàn)轫斶M(jìn)阻力大，容易產(chǎn)生土層擾動(dòng)過大，造成土體變形及地表土開裂塌陷等;因管壁與土層之間存在空隙等問題，管道貫通后容易發(fā)生地表沉降，造成環(huán)境破壞。實(shí)際施工中利用管外壁注漿，進(jìn)行減阻和縫隙填充，以避免上述問題［2］。

觸變泥漿選用頂管專用成品泥漿材料，現(xiàn)場(chǎng)直接加水?dāng)嚢?。泥漿材料以鈉基膨潤(rùn)土為主要材料，在工廠內(nèi)添加純堿、CMC等輔助材料，經(jīng)研磨、烘干等工序加工而成。

泥漿材料在現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)充分?jǐn)嚢杷?，靜置2 h以上，才可使用。觸變泥漿攪拌使用ZJ-400型高速制漿機(jī)［3］。

注漿采用頂管掘進(jìn)機(jī)尾部同步注漿和中繼環(huán)后面管段補(bǔ)漿兩種方式進(jìn)行減阻。頂管機(jī)最大直徑為φ 4 680 mm，比機(jī)尾和混凝土管直徑大40 mm，可在管外壁與土體之間形成20 mm的間隙。頂進(jìn)過程中在機(jī)尾同步向管外壓注觸變泥漿，及時(shí)填充機(jī)尾的空隙以形成完整的泥漿套，防止土體塌縮，產(chǎn)生有效的潤(rùn)滑減阻效果。

頂管沿途，向管外壓注觸變泥漿，補(bǔ)充初始泥漿套的損失。補(bǔ)漿操作逐點(diǎn)進(jìn)行。

同步注漿量為機(jī)尾空隙的3～6倍，沿線補(bǔ)漿量為機(jī)尾間隙的3～5倍，注漿壓力控制在0.8～1.2γh(γ為土的容重，h為埋深)。即同步注漿量為0.9～1.8 m3/m，沿線補(bǔ)漿量為2.25～3.75 m3/環(huán)(或0.375～0.625 m3/孔)，注漿壓力控制在0.2～0.3 MPa。

機(jī)尾后連續(xù)設(shè)三節(jié)帶注漿孔的混凝土管節(jié)，再往后每三節(jié)再設(shè)一節(jié)帶注漿孔的混凝土管節(jié)，每節(jié)混凝土管有6個(gè)注漿孔，每個(gè)注漿孔設(shè)DN25球閥單獨(dú)控制。注漿孔用DN25橡膠管連接接入注漿總管。注漿環(huán)管布置方式如圖2。

圖2 注漿環(huán)管布置圖

注漿總管選用DN50鍍鋅鋼管，每節(jié)6 m長(zhǎng)，管螺紋連接。注漿泵選用BM160三活塞式泥漿泵，用于沿線補(bǔ)漿。頂管機(jī)尾設(shè)置同步注漿站，包括螺桿泵、5 m3儲(chǔ)漿罐，用于向機(jī)尾后3節(jié)混凝土管外壓注泥漿。

在工程施工過程中，頂管穿越10多處民房群、及浦東機(jī)場(chǎng)航油管2處。利用頂進(jìn)過程中的注漿技術(shù)，和貫通后泥漿置換，通過沉降點(diǎn)監(jiān)測(cè)，完全能夠?qū)⒌孛娉两悼刂圃?0 mm以內(nèi)，有效起到了土體支撐作用，控制了土體變形下沉。

4 干泥輸送技術(shù)

目前，頂管施工挖掘出的泥土輸送方式一般主要有2種:①管內(nèi)采用軌道車輛輸送至工作井，再由起重設(shè)備垂直提升到地面。這種方式運(yùn)土?xí)r，頂進(jìn)作業(yè)必須暫停。頂進(jìn)距離越長(zhǎng)，管內(nèi)運(yùn)土所需時(shí)間越長(zhǎng)，頂進(jìn)停頓時(shí)間也越長(zhǎng)，不僅制約頂管施工效率，更有可能導(dǎo)致因施工緩慢造成的土體擾動(dòng)，從而致使管道行程過程中的地表塌陷，嚴(yán)重影響地表環(huán)境。②加水?dāng)嚢璩赡酀{，通過管道直接輸送到地面。這種方式需要大量施工用水，而且產(chǎn)生大量的廢棄泥漿，如直接排放嚴(yán)重污染環(huán)境，若進(jìn)行處理成本極高。

通過如下幾項(xiàng)研究，開發(fā)并完善一種具有高效、安全、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)頂管干泥輸送技術(shù)。

(1)針對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)的往復(fù)式活塞泵的結(jié)構(gòu)及性能，進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，以滿足長(zhǎng)距離輸送干泥要求。

(2)針對(duì)干泥輸送管道在中繼間及主頂處的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和特點(diǎn)，利用可靠的管道伸縮裝置，以解決管道過中繼間的問題。

(3)開發(fā)管道內(nèi)壁注漿裝置，降低干泥輸送阻力，實(shí)現(xiàn)干泥超長(zhǎng)距離輸送。同時(shí)降低干泥的含水率，以降低干泥棄置運(yùn)輸?shù)碾y度和成本。

(4)針對(duì)泵管接頭形式和密封技術(shù)，開發(fā)具有柔性、密封可靠、拆裝快速簡(jiǎn)便的專用泵管接頭，以滿足超長(zhǎng)距離曲線輸送的要求。

運(yùn)用該技術(shù)，頂管余土全部變?yōu)楦酄钔僚懦?如圖3)，方便土方外運(yùn)、大大減少因泥漿污染農(nóng)田造成的土壤環(huán)境破壞。

圖3 干泥輸送膏狀土

5 頂管姿態(tài)控制技術(shù)

超大直徑頂管施工經(jīng)常出現(xiàn)的地面沉降嚴(yán)重、泥漿泄漏等環(huán)境問題，不管是因?yàn)橥饬?、頂力、管道密封、頂進(jìn)阻力或土層擾動(dòng)等方面所產(chǎn)生，最終可以歸結(jié)到頂管姿態(tài)控制失誤。目前，曲線頂管工程非常少。由于頂進(jìn)過程中管道在不斷移動(dòng)，通常都需要暫停頂進(jìn)，再在管道中設(shè)置中間測(cè)站，人工測(cè)量并傳遞測(cè)量數(shù)據(jù)，人工分析計(jì)算測(cè)量成果。開發(fā)和使用姿態(tài)自動(dòng)控制系統(tǒng)可以大大提高姿態(tài)控制精度，避免因姿態(tài)控制失誤引起的環(huán)境破壞。

姿態(tài)自動(dòng)控制系統(tǒng)組成:系統(tǒng)由固定測(cè)站T0、中間移動(dòng)測(cè)站(T01、T02、T03、T04)，后視棱鏡(基準(zhǔn)點(diǎn))、前視棱鏡(目標(biāo)點(diǎn))、控制計(jì)算機(jī)、傾斜傳感器組成。測(cè)站由自動(dòng)全站儀、提把棱鏡、控制箱組成，可在計(jì)算機(jī)程序控制下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)搜索目標(biāo)、照準(zhǔn)、測(cè)量。系統(tǒng)布置見圖4。

圖4 姿態(tài)自動(dòng)控制系統(tǒng)

姿態(tài)自動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理:T0布置在工作井內(nèi)，自動(dòng)測(cè)量布置在井壁上的后視點(diǎn)，根據(jù)后方交匯原理進(jìn)行計(jì)算定向。然后T0、T1、T2、T3、T4依次自動(dòng)進(jìn)行導(dǎo)線測(cè)量，測(cè)量前視棱鏡，實(shí)現(xiàn)平面坐標(biāo)傳遞。控制計(jì)算機(jī)，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算頂管機(jī)的軸線偏差，并根據(jù)傾斜傳感器數(shù)據(jù)修正計(jì)算結(jié)果，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)監(jiān)控頂管機(jī)頭軸線偏差。

6 結(jié)語

超大直徑頂管施工已成為城市管網(wǎng)布置施工的發(fā)展趨勢(shì)，隨著頂管法的日漸成熟，污水管道的布置可以越來越靈活，可極大滿足社會(huì)對(duì)污水處理的要求及大幅度提高城市污、雨水儲(chǔ)存排放需求?，F(xiàn)國(guó)家各大城市均將城市管網(wǎng)施工程歸類為全面影響城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重大工程。在保證管道順利貫通的同時(shí)，對(duì)周邊環(huán)境運(yùn)用技術(shù)措施進(jìn)行有效的保護(hù)尤為重要。

［1］吳熊勛，陶大鈞，蔣耀慈．城市水環(huán)境污染控制［M］．南京:東南大學(xué)出版社，1989:29－32．

［2］魏剛，魏新江，徐日慶．頂管施工技術(shù)［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2011:48－52．

［3］GB 50268－2008，給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范［S］．

TU992

B

2095－1671(2012)03－0132－04

2012-05-16;

2012-05-23

薛峰(1982—)，男，江蘇徐州人，助理工程師，從事市政工程工作。