西安市周邊砂層地質(zhì)排水管道施工工藝比較分析

葉華中

西安航天基地投資發(fā)展有限公司

近年來，隨著西安地區(qū)城市化進(jìn)程的逐步加快和城市規(guī)模的急劇擴(kuò)展，遠(yuǎn)離城區(qū)的近郊地帶和城鄉(xiāng)結(jié)合部已經(jīng)成為城市投資和發(fā)展熱點(diǎn)，市政基礎(chǔ)設(shè)施投資也快速向城市外圍拓展；“八水繞長(zhǎng)安”這一千古美譽(yù)使得城市的周邊地區(qū)，砂層廣泛分布于外圍河流附近，尤以南郊太白路地區(qū)和北郊草灘地區(qū)最甚；這種砂層未擾動(dòng)時(shí)，可短時(shí)直立，一經(jīng)擾動(dòng)或失水、風(fēng)吹，結(jié)構(gòu)破壞，處于流動(dòng)狀態(tài)，給地下工程施工造成很大的影響和困難，嚴(yán)重影響了工程施工的進(jìn)度、質(zhì)量和安全，給工程勘察、設(shè)計(jì)、施工等各個(gè)環(huán)節(jié)提出了更高的要求。

西安近郊河流附近的中粗砂層，多為褐黃色-灰色，飽和，不均勻系數(shù)在3.4-4.6之間。曲率系數(shù)在1.1～1.5之間，N值在12～46之間，標(biāo)準(zhǔn)差8.4，變異系數(shù)0.29。本文結(jié)合長(zhǎng)安區(qū)污水處理廠進(jìn)廠污水管道施工中所應(yīng)用的施工工藝，探討全斷面砂層管道施工安全、經(jīng)濟(jì)、有效的方法，為以后進(jìn)行同類地質(zhì)情況下管道施工提供借鑒。

1 施工工藝施工過程簡(jiǎn)介

長(zhǎng)安區(qū)污水處理廠全斷面砂層管道施工中主要采取的管道施工方法有：土壓平衡機(jī)械頂管施工、半開槽明頂施工及擠壓式工具管人工頂管施工。下面先就以上幾種施工工藝施工過程分別加以介紹：

1.1 DK土壓平衡頂管施工

DK式土壓平衡頂管施工技術(shù)是利用掘進(jìn)機(jī)土艙內(nèi)泥土的壓力來平衡掘進(jìn)機(jī)所處土層的土壓力和地下水壓力的頂管施工技術(shù)。在長(zhǎng)安區(qū)污水處理廠管道施工中，W5-W6段采用該施工方法，本段全長(zhǎng)116米，頂管機(jī)由W5向W6頂進(jìn)，W5工作坑開挖前，進(jìn)行了旋噴樁預(yù)支護(hù)，鋼筋砼工作坑構(gòu)筑順利；2012年4月初正式機(jī)械頂進(jìn)，起初因土倉砂體摩阻力大，刀盤電流超標(biāo)，不敢貿(mào)然硬頂，由于砂層中無法形成有效卸荷拱，土壓平衡難以建立，頂進(jìn)管道上方地面出現(xiàn)塌陷，當(dāng)頂進(jìn)至50m時(shí)，刀盤前端出現(xiàn)大的不明障礙物，卸掉螺旋出土機(jī)清理，導(dǎo)致掌子面砂層大面積塌方，繼續(xù)向前頂進(jìn)約2m后，大刀盤因異物卡住而損壞，維修設(shè)備延誤工期40天，由于該段需穿越皂河，為確保頂管機(jī)安全穿越，項(xiàng)目部制訂了過皂河施工應(yīng)急預(yù)案，同時(shí)，在頂管機(jī)頂進(jìn)過程中，通過在機(jī)頭前方注入膨潤(rùn)土泥漿改良土質(zhì)，以降低刀盤轉(zhuǎn)矩、嚴(yán)格控制頂進(jìn)土壓，盡量使挖掘面土壓與泥土倉土壓達(dá)到平衡等措施，安全穿越皂河，至7月31日機(jī)頭出洞，全程頂進(jìn)有效工期65天，使用中繼間5套。

1.2 半開槽明頂施工

長(zhǎng)期以來，砂層地區(qū)的明開槽施工都是采用大開挖的方式，土方量大，占地大，對(duì)環(huán)境影響大，明顯不能適應(yīng)社會(huì)要求；對(duì)明開槽管溝兩側(cè)砂體進(jìn)行樁基加固，可有效減少開挖土方量，保證施工安全。

本工程W13-進(jìn)水控制井段，采用半開槽明頂施工，本段全長(zhǎng)74米，由于管道埋置較深，砂層經(jīng)擾動(dòng)后易發(fā)生坍塌，為確保施工安全、節(jié)約管道開挖費(fèi)用，經(jīng)綜合分析比較，本段先按照砂層自然坡度開挖5米，然后采用單排高壓旋噴樁對(duì)槽壁支護(hù)6米，挖掘機(jī)在溝槽內(nèi)挖至管頂、人工挖土頂進(jìn)的辦法，本段7月20日進(jìn)行溝槽開挖和旋噴樁支護(hù)，8月20日完成本段頂進(jìn)施工，有效工期20天。

1.3 擠壓式工具管頂管施工

擠壓式工具管頂管施工是用主頂油缸或中繼間油缸的推力把工具管先擠到土里去，而被擠壓的土則從工具管排土口排出，然后人工將切削的土體運(yùn)出坑外的一種頂管方式。在砂層中，由于挖掘面不穩(wěn)定，因此在面板上設(shè)置了隔板，保證土體切削效果和挖掘面穩(wěn)定，本工程W1-W2段采用擠壓式工具管人工頂進(jìn)施工，本段全長(zhǎng)116米，7月6日開始頂進(jìn)，有效工期30天。

2 施工工藝比較分析

2.1 施工質(zhì)量控制分析

土壓平衡機(jī)械頂管施工段頂進(jìn)時(shí)前期挖掘面砂層塌方導(dǎo)致路面沉陷，后期加強(qiáng)頂進(jìn)時(shí)土壓控制、加注泥漿改良土體，有效防止了挖掘面坍塌，管道頂進(jìn)高程最大偏差7cm，中線最大偏差5cm，頂進(jìn)質(zhì)量得到有效控制。

半開槽明頂施工段由于采用管頂卸荷、人工頂進(jìn)方式，可有效控制管線高程、中線，回填采用灌水密實(shí)，能夠保證回填質(zhì)量。

擠壓式工具管頂管施工由于工具管先要插入土中，管前高程、中線需根據(jù)變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)糾偏，因此工具管前段糾偏頻繁，高程、中線控制較困難，因此采用該工藝時(shí)、操作人員必須有足夠的施工經(jīng)驗(yàn)和對(duì)管線偏差的預(yù)判能力；再者，擠壓式工具管挖掘面無法形成壓力平衡，可能發(fā)生挖掘面失穩(wěn)造成管端土體塌方，通過在面板上加密隔板、減小面板開口率，可使挖掘面坍塌風(fēng)險(xiǎn)大大降低。

2.2 施工安全性分析

由于土壓平衡機(jī)械頂管施工人員不需進(jìn)入挖掘面，作業(yè)比較安全，對(duì)作業(yè)人員主要傷害是：工作坑內(nèi)起吊頻繁、頂管機(jī)噪聲較大等。

半開挖明頂施工作業(yè)人員需進(jìn)入挖掘面，由于砂層經(jīng)擾動(dòng)無法自立，管前端發(fā)生涌砂現(xiàn)象對(duì)作業(yè)人員危害較大，因此作業(yè)時(shí)人員盡可能在管內(nèi)挖土，挖土順序必須由上自下，使管前砂體形成自然坡度，可有效降低安全風(fēng)險(xiǎn)；擠壓式工具管頂管施工作業(yè)人員也需進(jìn)入挖掘面，但由于有面板阻隔，人工只需挖除管內(nèi)土方，因此作業(yè)比較安全。

2.3 施工進(jìn)度分析

根據(jù)長(zhǎng)安區(qū)污水處理廠管道施工實(shí)際施工進(jìn)度，土壓平衡頂管日進(jìn)度約2m/日，半開槽明頂施工3.7m/日，擠壓式工具管頂管施工3.8m/日。擠壓式工具管頂管施工進(jìn)度最快。

2.4 成本分析

管道頂進(jìn)完成后，分公司對(duì)各施工工藝成本進(jìn)行剝離，扣除管材費(fèi)用，各工藝每米實(shí)際成本為：土壓平衡機(jī)械頂管3800元/米，半開槽明頂施工6528元/米，擠壓式工具管頂管施工2000元/米，該成本未計(jì)入土壓頂管機(jī)購(gòu)置和擠壓式工具管加工費(fèi)用攤銷；可見在幾種施工工藝中擠壓式工具管頂管施工最為節(jié)約。

2.5 環(huán)境影響分析

土壓平衡頂管施工不開挖面層，對(duì)地面交通影響較小，經(jīng)過注漿改良的砂土一般不能重復(fù)利用，頂管機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中噪音交大，對(duì)人體有傷害；半開槽明頂施工土方開挖量大，棄土需二次轉(zhuǎn)運(yùn)回填，造成揚(yáng)塵污染，加之該工藝需開挖路面，對(duì)交通影響大；擠壓式工具管頂管施工噪音小、不開挖路面，棄土可利用，環(huán)境影響程度小。

2.6 施工風(fēng)險(xiǎn)分析

土壓平衡機(jī)械頂管由于屬封閉式施工，人無法進(jìn)入挖掘面，若在施工中遇到未探明障礙物，可能造成機(jī)頭損害，嚴(yán)重時(shí)可造成無法頂進(jìn)，因此施工風(fēng)險(xiǎn)較大；半開槽明頂施工是敞開式作業(yè)，作業(yè)人員完全暴露于挖掘面，人身風(fēng)險(xiǎn)較大，槽壁旋噴樁加固施工時(shí)，旋噴樁要在管道流水平以下有一定埋置深度，否則溝槽開挖時(shí)由于壓力平衡被打破，坑壁側(cè)壓過大會(huì)導(dǎo)致斷樁，發(fā)生槽壁坍塌等事故；擠壓式頂管施工采用先頂進(jìn)后出砂施工，作業(yè)相對(duì)安全，若遇地下水時(shí)，可采用氣壓平衡地下水，防止發(fā)生砂涌，因作業(yè)人員能夠進(jìn)入挖掘面，遇不明障礙物時(shí)處理難度小。

3 結(jié)語

通過以上分析比較，在全斷面砂層中進(jìn)行管道施工，擠壓式工具管頂管施工工藝因其工程造價(jià)低、操作簡(jiǎn)便、作業(yè)相對(duì)安全、進(jìn)度較快、環(huán)境污染小等特點(diǎn)，優(yōu)于其他兩種施工方法，建議施工中加以采用。

當(dāng)然，因本工藝在該工程中屬初次使用，還有許多不完善和需要探討的問題，需要我們?cè)诮窈蟮墓こ淌┕ぶ锌偨Y(jié)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)該工藝加以改進(jìn)。