富水砂土地層中泥水平衡式頂管施工技術(shù)

■李開艷 ■中鐵十七局集團第六工程有限公司，福建 福州 350014

頂管施工屬于非開挖技術(shù)，不僅可以減少施工中的拆遷工作還可以保證作業(yè)面上的建筑與路面正常的使用，所以頂管技術(shù)被廣泛地運用到工程實際中。在富水砂土地層，地質(zhì)比較復(fù)雜，很容易出現(xiàn)砂土液化現(xiàn)象，受到擾動后出現(xiàn)失穩(wěn)情況，給頂管造成很大的困難。在富水砂土的地質(zhì)頂管中經(jīng)常出現(xiàn)頂進困難、建筑路面沉降較大、砂土液化為流沙等問題，使得頂管施工無法達到預(yù)期的效果，嚴重時會造成頂管施工質(zhì)量事故，導(dǎo)致頂管失敗。本文主要針對江華大道污水管道435m的富水砂土地層的施工經(jīng)驗，積極采取相應(yīng)的有效降低頂管風(fēng)險的技術(shù)措施，確保作業(yè)區(qū)域管線的安全及路面沉降在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，為類似工程提供一定的參考。

1 工程概況

閩臺(福州)藍色經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)園道路工程位于福清市江鏡鎮(zhèn)，主要由藍色大道、江華大道和濱海大道組成。江華大道長度為4700m，為城市主干道，道路寬度為46m，按雙向6車道設(shè)計。江華大道污水管道位于5m寬中央分隔綠化帶內(nèi)，管道全長4645m，采用沉井、頂管施工工藝，最長頂管區(qū)間190m，共計16座工作井和15座接收井，管材采用鋼筋混凝土Ⅱ級管，管徑為1000mm和1200mm。頂管沿道路前進方向自1#沉井往31#沉井順序作業(yè)，管道設(shè)計管內(nèi)底標高－3.22m～－6.07m，埋深為7.5m～9.7m。

2 工程地質(zhì)水文情況

本道路場地地貌單元為沖海積、沖洪積平原，場地現(xiàn)狀主要為養(yǎng)殖塘，沿線穿越多條溝渠，池塘間為田埂、村莊通行的土路。根據(jù)道路地質(zhì)剖面圖揭示地質(zhì)情況，污水管道穿越地層主要由素填土、淤泥質(zhì)土、坡殘積粘性土及風(fēng)化基巖組成，同時夾雜砂礫層、砂土層，其中在11#～14#沉井間污水頂管段(總長435m)穿越地層為砂土層，剩余地段穿越地層基本為淤泥質(zhì)土及風(fēng)化基巖。

本項目位于江鏡鎮(zhèn)華僑農(nóng)場內(nèi)，養(yǎng)殖塘廣泛分布，場區(qū)內(nèi)河道、溝渠密布，且通過水閘與外部海水相通，水系聯(lián)通較發(fā)達。每年3～6月降雨頻繁，是全年降水最集中的季節(jié)，7～9月為臺風(fēng)季節(jié)。道路沿線地下水類型主要有素填土中的上層滯水、中粗砂層的孔隙水及基巖裂隙水。在砂土層中的孔隙水透水性較強，有一定的水量。根據(jù)地勘數(shù)據(jù)，穩(wěn)定水位埋深在0.3m～2.5m。據(jù)調(diào)查，雨季其地下水水位埋深在地表下約0.3m，年變化幅度一般在2.0m左右，歷史地下水最高水位約4.5m。周邊河道及溝渠水位標高長期在3.0m以上，地下水位遠高于管道標高，且受河水水位影響較大。

3 工程特點及難點

(1)由于產(chǎn)業(yè)園區(qū)總體污水管網(wǎng)規(guī)劃方案多次調(diào)整，在頂管開始施工前，路基已全部成型，且大部分水穩(wěn)層路面已鋪設(shè)，頂管機在穿越435m長富水砂土地層段時，若技術(shù)措施不當，很容易出現(xiàn)管道軸線偏移、頂進受阻等問題，這將會直接影響到路面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和管道順利貫通。

(2)工程施工區(qū)域內(nèi)的河道、溝渠密布，地下水比較豐富，水位較高，在頂管施工中很容易出現(xiàn)流砂現(xiàn)象，從而造成地表沉陷。

(3)富水砂土地層由于其具有的地質(zhì)特性，管道在頂進過程中由于受到阻力較大，容易出現(xiàn)頂管困難的情況，需要對頂管機的類型進行科學(xué)的選擇，并采取特殊的技術(shù)措施進行處理。

4 主要施工技術(shù)

4．1 頂管機具的合理選型

在富水的砂土地層，頂管機如果采用敞口式頂管機具，那么就必須采用相應(yīng)的降水措施給予輔助，而工程施工區(qū)域內(nèi)的管線較多和路面結(jié)構(gòu)層均已施工，降水措施將會引起路面沉降問題，直接威脅到路面結(jié)構(gòu)及管線的安全及穩(wěn)定，再加上砂土層是連續(xù)分布的，降水效率無法得到有效的保證。所以本工程富水砂土施工段應(yīng)采用封閉式頂管機具，為了避免對砂土造成過大的擾動，應(yīng)選擇平衡式的頂管機具，目前主要有兩種類型的頂管機具，即為土壓平衡和泥水平衡，根據(jù)工程地質(zhì)及經(jīng)濟性，本工程選用泥水平衡式頂管機具。頂管全套設(shè)備主要由頂管掘進機、主頂系統(tǒng)、泥土輸送系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、測量設(shè)備、地面起吊設(shè)備和泥水處理裝置等七大部分組成。

4．2 頂管出洞技術(shù)措施

出洞在頂管施工中屬于關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。在出洞頂進初期，由于混凝土管節(jié)及機頭的周圍摩阻力加上其與導(dǎo)軌之間摩阻力的數(shù)值遠小于頂管機的主動土壓力，很容易導(dǎo)致混凝土管節(jié)出現(xiàn)后移的情況，致使頂管機正面的土體產(chǎn)生坍塌現(xiàn)象，對頂管機的施工質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。所以，一般把手拉葫蘆布置在洞門兩側(cè)，當主頂油缸往回收縮時，用葫蘆把最后一個管節(jié)牢牢固定住，并在出洞前設(shè)計一個向下的糾偏量，來補償頂管機出洞時機頭爬高的情況。

在頂管機出洞前，頂進距離接收井預(yù)留洞口10m左右時，在接收井內(nèi)按頂時軸線安裝接收機架，使頂管機平衡地進入接收井，防止出洞后頂管機直接落地接收井底板上，造成洞口處管節(jié)接口不緊密等質(zhì)量問題。經(jīng)上述措施實施，現(xiàn)場出洞的效果良好，每個井段出洞的標高偏差均控制在－30mm～+45mm。

4．3 頂進過程中的減摩措施

泥水平衡式頂管的頂進阻力主要由頂管機的迎面阻力、頂管機和管道外壁與土體的摩擦阻力兩部分組成，其中摩擦阻力是頂進中的主要阻力，其隨著頂進進程的增加而增加，而減摩的最直接有效方法就是加入膨潤土泥漿，讓管道外壁和砂土層之間形成一圈環(huán)狀潤滑帶，從而達到降低頂進阻力的目的。通過對膨潤土泥漿的拌制制定相應(yīng)的施工方案，經(jīng)過多次試驗后確定了合理的泥漿配合比(膨潤土與水的質(zhì)量比為1∶5)。在施工過程中注意控制泥漿的粘度和稠度，泥漿拌制應(yīng)均勻，拌制好的泥漿集中排放到泥漿池中放置10小時以上，泥漿相關(guān)成分置換完全，從而形成粘度和穩(wěn)定性較好的泥漿。同時，在管節(jié)頂進過程中不時地攪拌貯漿池內(nèi)泥漿，以防止泥漿離析。

本工程采用鋼筋砼鋼承口管的頂管管節(jié)，將橡膠止水圈和襯墊材料放置在管節(jié)的內(nèi)側(cè)插口端與承口端之間部位，而外側(cè)的插口端與承口端將形成環(huán)形間隙，把壓漿孔入口設(shè)置在靠近承口端的內(nèi)壁上，而壓漿孔出口設(shè)置在橡膠止水圈的外側(cè)環(huán)形間隙。在頂進施工中，采用多點對稱壓漿法，通過壓漿設(shè)備將減摩泥漿注入壓漿孔，使得管節(jié)的插口端與承口端之間的環(huán)形間隙注滿泥漿，并擴散到管節(jié)周邊的土體中，從而在外壁形成完整的泥漿護套。同時配合頂管機尾部的同步注漿，泥漿可快速均勻填充，達到減小管節(jié)外壁與土體之間的摩擦阻力的目的。

4．4 軸線測量和糾偏措施

在富水的砂土層進行頂管施工，其頂進軸線很容易出現(xiàn)偏差現(xiàn)象，由于砂層中泥水的不斷洗刷很容易造成頂管機機頭下沉，如果處理不當?shù)脑挘芸赡軙斐身斄ν蝗蛔兇?、管接口出現(xiàn)破損，甚至?xí)霈F(xiàn)無法頂進的情況，所以在頂進過程中多次及時采用了調(diào)整千斤頂伸縮量的糾偏措施。正常情況下，每頂進一節(jié)混凝土污水管測量一次，在出洞及糾偏時加密測量次數(shù)，使得軸線的偏差值慢慢減小直至與設(shè)計軸線相符，堅持“勤測量、多微調(diào)”的原則，每次的糾偏角度偏差值應(yīng)控制在0.5度以內(nèi)，減少對管節(jié)頂進施工的質(zhì)量影響。

4．5 洞口注漿加固

為了防止泥水從洞口處泄漏導(dǎo)致路面、路基沉降和水土流失，每段頂管結(jié)束后在頂管進出洞管外四周3.2*3.2*3m范圍內(nèi)(其中3m為管道縱向方向)進行雙液注漿加固土體，漿液配合比為水泥：水玻璃(質(zhì)量)=1∶1。采用插打鋼花管注漿，按0.5*0.5m間距梅花型布置，深度至管底以下0.5m位置，注漿壓力控制在0.2－0.3Mpa，確保注漿加固質(zhì)量。

4．6 實際效果分析檢驗

根據(jù)富水砂土地層地質(zhì)特點，通過及時優(yōu)化調(diào)整泥水平衡式頂管的施工工藝，加強安全出洞、洞口加固技術(shù)措施過程控制，采用膨潤土泥漿減摩及調(diào)整千斤頂伸縮量糾偏，減少了頂進阻力和軸線偏差，滿足該地層順利頂進的需要，日平均頂進長度達24m。根據(jù)現(xiàn)場沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)反映，路面沉降值控制在8mm以內(nèi)，采取以上技術(shù)措施達到了預(yù)期的效果。

5 結(jié)束語

本工程的頂管實踐表明，在富水砂土地段采用泥水平衡式頂管機具進行施工，是完全可行的。在施工過程采取的頂進膨脹土泥漿減摩、軸線測量和糾偏和洞口注漿加固等措施可行有效，在頂進過程中地表無出險現(xiàn)坍塌或者沉降過大等現(xiàn)象，為我單位采用泥水平衡式頂管機穿越富水砂土地層的頂管施工積累了一定的施工經(jīng)驗。

［1］馬烽，張慶學(xué)，李雷．泥水平衡機械頂管施工技術(shù)在市政截污工程中的應(yīng)用［J］．城市建設(shè)，2010(32)．

［2］申永亮．輸氣管道工程流沙頂管施工工藝研究［J］．內(nèi)蒙古石油化工，2011(17)．