深層攪拌樁在污水管道頂管施工中的應(yīng)用

孟憲翚 楊 敏 彭藝藝 盧東強(qiáng)

(柳州市污水治理有限責(zé)任公司，廣西 柳州 545002)

深層攪拌樁在污水管道頂管施工中的應(yīng)用

孟憲翚 楊 敏 彭藝藝 盧東強(qiáng)

(柳州市污水治理有限責(zé)任公司，廣西 柳州 545002)

就軟土地質(zhì)條件下的污水管道頂管施工進(jìn)行了研究，提出了采用深層攪拌樁預(yù)加固的技術(shù)路線，并闡述了主要的施工流程及技術(shù)優(yōu)勢(shì)，較好地解決了污水管道穿越和施工中所遇到的難題，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

深層攪拌樁，頂管，泥水平衡機(jī)械，淤泥

0 引言

伴隨著城市的建設(shè)發(fā)展，頂管施工作為城市地下排水管線非開(kāi)挖施工的現(xiàn)代化管道敷設(shè)技術(shù)，以其地面干擾少、作業(yè)面小、施工工期短、綜合成本低等特點(diǎn)，近年來(lái)已經(jīng)成為越來(lái)越多排水設(shè)施施工者的首選。

1 工程概況

柳州市位于廣西壯族自治區(qū)中部偏北方，市區(qū)地勢(shì)南低北高，西高東低。柳東新區(qū)位于城市東面，屬于城市發(fā)展東擴(kuò)區(qū)域，實(shí)行分流制排水體制。

柳東新區(qū)官塘片區(qū)污水處理工程配套收集管網(wǎng)項(xiàng)目第一合同段管線全長(zhǎng)11 520 m，管徑為800 mm～1 800 mm，管道埋深在3 m～10 m之間。管線需要穿越田地、道路、河溝等，施工條件復(fù)雜，沿線地質(zhì)情況為雜填土、素填土、耕植土、淤泥質(zhì)粘土、可塑狀粉質(zhì)粘土、硬塑狀粉質(zhì)粘土、可塑狀紅粘土、硬塑狀紅粘土、砂礫石、中風(fēng)化巖和微風(fēng)化巖等，中風(fēng)化巖、微風(fēng)化屬局部分布，地下水位較高。管線施工在有條件、埋深淺的地段采用開(kāi)槽施工，埋深大，影響面廣的地段采用頂管施工。

2 頂管的選擇

2.1 頂管施工方式的選擇

頂管施工按照所采用的方式可分為兩大類，即人工掘進(jìn)頂管施工和機(jī)械掘進(jìn)頂管施工。

人工掘進(jìn)頂管施工，具有操作靈活，糾偏容易，需用設(shè)備少，施工成本低等特點(diǎn)，但是其對(duì)地質(zhì)條件有一定的要求，不適宜在流砂、淤泥以及含水卵石層中施工，并且采用人工掘進(jìn)施工周期長(zhǎng)。

機(jī)械頂管最顯著的特點(diǎn)是適用范圍廣、施工周期短、管理操作方便、安全性高。目前常用的機(jī)械掘進(jìn)頂管方法有泥水平衡機(jī)械頂管施工、土壓平衡機(jī)械頂管施工、氣壓平衡機(jī)械頂管施工。需要針對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)不同的地質(zhì)情況、地下水位、施工環(huán)境和設(shè)計(jì)要求，選擇與之相適應(yīng)的頂管施工方式和合理的掘進(jìn)參數(shù)。

2.2 頂管掘進(jìn)設(shè)備的選擇

泥水平衡機(jī)械頂管具有平衡效果好，結(jié)構(gòu)緊湊，技術(shù)先進(jìn)，頂進(jìn)速度快，頂進(jìn)長(zhǎng)度長(zhǎng)，地表沉降少，土質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，尤其對(duì)地下水位很高，地下水壓力變化較大的地層更具有優(yōu)越性，根據(jù)管線地勘資料和現(xiàn)場(chǎng)條件選用泥水平衡機(jī)械進(jìn)行頂管施工，管道局部段需要穿越淤泥質(zhì)土層、砂礫層。

2.3 泥水平衡機(jī)械頂管

泥水平衡機(jī)械頂管施工以泥水平衡為基本原理，通過(guò)改變泥水倉(cāng)的送、排泥水量和頂進(jìn)速度來(lái)控制排土量，使泥水倉(cāng)內(nèi)的泥水壓力值穩(wěn)定并控制在所設(shè)定的范圍之內(nèi)，利用泥水壓力平衡地下水壓力和土壓力，在挖掘面上形成一層不透水的泥膜，阻止泥水向挖掘面滲透，從而達(dá)到穩(wěn)定開(kāi)挖面的目的。泥水平衡機(jī)的切削刀盤位于頂管機(jī)前方，刀盤具有破碎、切削、平衡挖掘面土體的功能，隨著工具管的推進(jìn)，泥水平衡機(jī)頭部的刀盤在不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械切削泥土/巖石進(jìn)入泥水倉(cāng)，在倉(cāng)內(nèi)攪拌和泥水形成泥漿源源不斷排出。對(duì)于長(zhǎng)距離頂管，可以應(yīng)用觸變泥漿以達(dá)到頂進(jìn)阻力的目的。

3 局部淤泥質(zhì)或砂質(zhì)土層的處理方法

當(dāng)頂管施工遇到淤泥質(zhì)、砂質(zhì)土層甚至流砂等復(fù)雜地下土層，由于管前挖掘面的土層穩(wěn)定性較差，頂管施工破壞了管道周圍土體原有的平衡，土體容易坍塌。此外由于土體缺乏頂管所必需的導(dǎo)向力，管頭沉重導(dǎo)致頂管過(guò)程中容易出現(xiàn)跑偏而難以糾正，甚至由于出土量大而引起地面沉陷，最終造成頂管無(wú)法正常進(jìn)行。即便采取措施強(qiáng)行頂進(jìn)，也容易引起管道缺乏承載力而永久下沉，導(dǎo)致水力條件遭到破壞，產(chǎn)生水阻和淤積。為此，在該工程的施工中采用了深層攪拌樁進(jìn)行預(yù)處理，在頂管前對(duì)松散結(jié)構(gòu)或流動(dòng)性的地下土層進(jìn)行加固處理，提高管道基礎(chǔ)的承載力，減少管前方塌方和地面沉降，使得頂管施工能夠順利進(jìn)行。

4 深層攪拌樁頂管施工

4.1 基本原理

深層水泥攪拌樁通常是以水泥為固化劑，通過(guò)深層攪拌機(jī)械在地下將軟土、砂質(zhì)土等和固化劑強(qiáng)制混合攪拌，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間凝結(jié)后，軟基硬結(jié)從而提高其強(qiáng)度。針對(duì)泥水平衡式頂管工藝在淤泥質(zhì)或砂質(zhì)土層等不良地質(zhì)條件下的施工，可以采取深層攪拌樁對(duì)不良土層進(jìn)行預(yù)處理，提高土層的物理和力學(xué)性能，減少管前方塌方和地面沉降，保證地上建筑物的安全和頂管施工期間的安全。

4.2 泥水平衡頂管機(jī)具的性能要求

當(dāng)泥水平衡頂管機(jī)具穿越深層攪拌樁時(shí)，由于攪拌樁樁身強(qiáng)度大，對(duì)刀盤的破碎能力和抗磨損性也提出了更高要求，因此需要采用加強(qiáng)型的切削刀盤，以保證頂管機(jī)具備破碎沿途所有攪拌樁的能力，避免出現(xiàn)無(wú)法掘進(jìn)而更換刀具的問(wèn)題。

4.3 施工方式

通常深層攪拌樁施工可采取兩種方式，一種是待深層攪拌樁全部施工完成后再進(jìn)行管道頂進(jìn)，另一種是深層攪拌樁與管道頂進(jìn)同步施工。前者先對(duì)不良土層進(jìn)行深層攪拌樁處理，其強(qiáng)度隨攪拌樁的齡期增長(zhǎng)而增加，待強(qiáng)度完全達(dá)標(biāo)后再進(jìn)行頂管施工。此時(shí)樁體強(qiáng)度較高，必須采用加強(qiáng)型刀盤，在頂進(jìn)時(shí)需要減速頂進(jìn)，頂管機(jī)后面設(shè)置注漿孔，注入膨潤(rùn)土泥漿，這樣可以減少土體對(duì)管道側(cè)面的摩阻力。同時(shí)增加大刀盤力矩和旋轉(zhuǎn)次數(shù)，增加對(duì)土體切削的時(shí)間和破碎能力，減少泥水系統(tǒng)被堵塞的幾率，因此整個(gè)施工周期較長(zhǎng)。后者是在進(jìn)行深層攪拌樁施工的同時(shí)進(jìn)行頂管施工，攪拌樁與頂管同步進(jìn)行，達(dá)到一定的強(qiáng)度后即可頂管穿越，整個(gè)施工過(guò)程刀盤磨損小、工序緊湊、施工工期短、施工成本低。

本工程實(shí)施時(shí)采取的是深層攪拌樁與管道頂進(jìn)同步的施工方式。根據(jù)其他項(xiàng)目的實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，攪拌樁在淤泥質(zhì)土中，早期強(qiáng)度增長(zhǎng)偏慢。有數(shù)據(jù)表明，水泥攪拌樁7 d強(qiáng)度為(0.586～0.429)MPa，14 d的強(qiáng)度為(0.925～0.567)MPa。攪拌樁在14 d齡期內(nèi)的強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的25%～35%[1]。當(dāng)攪拌樁施工完畢后的7 d～14 d內(nèi)實(shí)施頂管施工，此時(shí)的復(fù)合地基既有一定的強(qiáng)度，又不至于太硬，解決了不良土層施工的下陷和流砂問(wèn)題，刀盤磨損相對(duì)較小，頂管速度也得到了大幅提高。

4.4 主要工序及流程

施工準(zhǔn)備→測(cè)量高程及軸線→挖頂管工作井→不良地質(zhì)深層攪拌樁施工→鋪設(shè)頂管導(dǎo)軌→設(shè)置頂進(jìn)后背→安裝液壓系統(tǒng)→安裝地面輔助設(shè)施→吊裝頂進(jìn)設(shè)備→安裝激光經(jīng)緯儀→掘進(jìn)機(jī)出工作井→吊放管節(jié)→頂管掘進(jìn)→測(cè)量糾偏→頂管掘進(jìn)→頂管機(jī)回收。

5 主要優(yōu)勢(shì)

運(yùn)用深層攪拌樁預(yù)處理不良地質(zhì)，解決了頂管施工所遇到的坍塌、沉降問(wèn)題，總結(jié)起來(lái)其主要有以下特點(diǎn)：

1)泥水平衡機(jī)械頂進(jìn)工具管及機(jī)頭形成了封閉倉(cāng)，不會(huì)造成因土體失穩(wěn)引起的坍塌事故,能有效保護(hù)井下作業(yè)人員，比人工掘進(jìn)頂管更為安全。

2)作業(yè)環(huán)境好，掘出的泥土由泥漿泵直接送出，環(huán)保清潔。

3)地基攪拌樁施工的同時(shí)進(jìn)行管道頂進(jìn),頂進(jìn)速度較快，每天可達(dá)10 m以上。

4)頂進(jìn)質(zhì)量好，攪拌樁復(fù)合地基在初期使淤泥軟土層具有一定的承載力，解決了由于頂管機(jī)頭沉重造成的頂進(jìn)跑偏問(wèn)題，也解決了管道長(zhǎng)期沉降的潛在隱患。

5)攪拌樁與頂管同步進(jìn)行，工序緊湊，從而縮短了工期。

6)管理成本節(jié)約，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

6 施工周期及完工后效果

本工程于2011年1月底進(jìn)場(chǎng)施工，2013年12月底施工完畢，工期為36個(gè)月。由于準(zhǔn)備充分，工程措施到位，管線走向、管道標(biāo)高控制準(zhǔn)確，設(shè)計(jì)坡度得到了保障，運(yùn)行至今效果良好。

7 總結(jié)與建議

對(duì)于機(jī)械頂管遇到淤泥質(zhì)、砂質(zhì)土層時(shí)，由于施工難度很大，工期要求較緊，往往很難達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。為此針對(duì)本工程首次提出了采用深層攪拌樁預(yù)處理不良地質(zhì)，同步頂管施工的方式，較好地解決了污水管道穿越和施工中所遇到的難題，對(duì)施工沿線房屋和公用管線起到了很好的保護(hù)作用，工程施工得到了大力保障，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，該方法值得推廣與應(yīng)用。但是我國(guó)目前針對(duì)深層攪拌樁預(yù)處理+機(jī)械頂管技術(shù)的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)還處于空白狀態(tài)，沒(méi)有統(tǒng)一的要求，應(yīng)用實(shí)例也很少，這將會(huì)影響到此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用推廣，建議盡快出臺(tái)相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)并鼓勵(lì)實(shí)施。

[1] 張樹(shù)海.管道軟土深層攪拌樁地基處理與頂管施工[J].科技信息，2013(7)：361-362.

Application of deep mixing pile in sewage pipeline pipe-jacking construction

Meng Xianhui Yang Min Peng Yiyi Lu Dongqiang

(LiuzhouSewageTreatmentCo.,Ltd,Liuzhou545002,China)

The paper studies sewage pipeline pipe-jacking construction under soft soil geology conditions, puts forward deep mixing pile pre-reinforcement technology route, describes major construction procedures and technological merits, and better solves sewage pipeline crossing problems and achieves good social and economic benefits.

deep mixing pile, pipe-jacking, sludge-water balanced machinery, sludge

1009-6825(2015)05-0044-02

2014-12-06

孟憲翚(1982- )，男，工程師； 楊 敏(1980- )，男，工程師； 彭藝藝(1971- )，女，教授級(jí)高級(jí)工程師； 盧東強(qiáng)(1966- )，男，工程師

TU941

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