河道中無原狀土作后背墻的穿路頂管施工技術(shù)

張 建

(北京翔鯤水務(wù)建設(shè)有限公司， 北京 100192)

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河道中無原狀土作后背墻的穿路頂管施工技術(shù)

張 建

(北京翔鯤水務(wù)建設(shè)有限公司， 北京 100192)

本文結(jié)合工程實例，闡述了河道中的頂管施工技術(shù)。針對難點進行頂管施工設(shè)計，對臨時后背墻結(jié)構(gòu)進行簡單受力計算分析。此外在頂管施工中采取防治土層變形措施，并對后背墻和地面位移進行布點監(jiān)測。監(jiān)測表明，路面沉降總量及后背墻水平位移總量均在可控范圍內(nèi)。實踐證明，該工程中頂管施工的后背墻設(shè)計和防沉降措施是合理的。

河道； 穿路頂管； 施工技術(shù)

頂管是地下管道非開挖施工的一種，它的特點是將管道敷設(shè)改明挖為暗挖。這對交通繁忙、人口密集、地上地下建筑物、構(gòu)筑物及管線眾多的施工區(qū)域來說非常重要。為減少對交通、市民正?；顒拥母蓴_，減少不必要的拆遷，使用頂管施工已成為市政基礎(chǔ)工程中的最佳選擇。該頂管工程在河道中進行，需考慮較多因素，如：降排水問題、工作井后背墻問題、土層沉降等。其中，采用頂管施工時需要在管道的始發(fā)段建造一個始發(fā)井，一般利用沉井的井壁做頂管的后背。在施工中，要求后背墻必須保持穩(wěn)定，一旦后座墻遭到破壞，頂管施工就要停滯。受現(xiàn)場條件所限，工程采用人工后背墻，取得了較好的效果。

1 工程概況

工程位于亮馬河新開挖河道段與現(xiàn)狀香河園路交匯處，因其他原因河道未能貫通，為不影響過水，需對河道水路貫通，同時考慮交通道路的重要性，不能斷路施工，路面下排水管道采用了頂管施工。頂管順河道方向布置，垂直于現(xiàn)狀香河園路，管道內(nèi)底與現(xiàn)狀河底高程一致，內(nèi)底高程34.35～35.50m，管道縱坡為2.4%，埋深4.7m。管材采用DN2000鋼承口鋼筋混凝土管道，單排管道長度為48m，共計3排管道，管道間凈距為2.6m,見圖1。

圖1 頂管施工平面布置

2 工程地質(zhì)及水文

頂管施工部位在永定河沖洪積扇中下部，地面高程41.25～41.37m。除上部填土外，分布地層均為第四系沖洪積物，現(xiàn)根據(jù)勘探資料對場地地層巖性情況自上而下分述如下：

a.素填土：褐色，稍濕，可塑—硬塑，以重粉質(zhì)黏土為主，含少量碎石、磚塊。層底高程39.65m，層厚1.60m。

b.黏質(zhì)粉土：褐黃—褐色，稍密—中密，含云母、氧化鐵，局部夾粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土薄層，層底高程33.85～34.06m。層厚5.70～5.80m。

c.粉細砂：褐黃—褐色，飽和，稍密—中密，含云母，局部夾粉土薄層。層底高程32.15～32.56m。層厚1.50～1.70m。

d.粉質(zhì)黏土：褐黃色，飽和，可塑，含云母、氧化鐵，局部夾粉土薄層。層底高程27.36～27.95m。層厚4.20～5.20m。

e.黏質(zhì)粉土：褐黃色，飽和，稍密，含云母，氧化鐵。該層分布穩(wěn)定，層底高程21.85～23.36m。層厚4.00～6.10m。

場區(qū)地下水為上層滯水，根據(jù)勘探鉆孔資料顯示，上層滯水水位約37.37～37.75m。根據(jù)已有資料得知地下水對混凝土無腐蝕性。

3 工程重點、難點

a.河道常水位深2.5m，而頂管施工在河底進行，需進行施工導(dǎo)流保證頂管干槽施工，并做好圍堰工作。據(jù)現(xiàn)場探孔觀測，地下水位現(xiàn)處于現(xiàn)狀河底高程34.35m處，影響頂管的后背墻施工及頂進作業(yè)，需采取降水措施。

b.現(xiàn)狀香河園路跨河部分存在雨污水、通信、電力等多條地下管線。施工范圍內(nèi)地下管線共計9條，其中8條位于頂管頂部，埋深在1～3.2m之間，一條管線處于頂管底部以下，9條管線均垂直于河道方向。頂管下穿交通主干道，若頂管施工控制措施不當，對周圍土體造成擾動，引起地面的過大沉降或隆起，會影響道路和地下管線的安全。

c.頂管主要穿越黏質(zhì)粉土層、局部夾粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土薄層，軟塑粉質(zhì)黏土層等。地質(zhì)條件多變，在進出口洞門及上層土開挖時，容易坍塌，導(dǎo)致上部土體發(fā)生沉降，減緩頂進速度，增大頂進誤差。

d.在河道中頂管，頂管管底高程與河底齊平，不能在河道中形成工作井，無原狀土作后背墻，且三條管線平行，間距較小，如何設(shè)計后背墻是工程難點。

4 頂管施工設(shè)計

4.1 頂管工作面及長度

頂管工作面的長度計算[1}：

(1)

式中L1——已頂進管節(jié)留在導(dǎo)軌上的最小長度，取0.5m；

L2——管節(jié)長度，取3.0m；

L3——出土工作間長度，取1.5m；

L4—頂進機具長度，取2.4m。

經(jīng)計算，L取7.5m。為提高工作面基底承載力，工作面底板澆筑一層20cm厚C25素混凝土?；炷撩鎸拥陀诂F(xiàn)狀河底40cm。工作面上部為枕木基礎(chǔ)，枕木按間距40cm排列，導(dǎo)軌用專用鉚釘固定于枕木上。

4.2 總頂力驗算

該工程管材選用DN2000鋼承口混凝土管，單延米重33.85kN。先進行中間管道頂進，再依次頂進其余2條。根據(jù)頂管總頂力經(jīng)驗公式計算，經(jīng)驗公式根據(jù)實際工程所得，不同地區(qū)頂管條件的變化情況不同，即使是同一地區(qū)同一管段頂力變化差異都很大。所以經(jīng)驗公式只能適用于特定的條件，不宜隨意選用。

施工前對頂管部位的土層取樣，得出試驗結(jié)果。土樣液限wL=29%，塑限wP=13%，塑性指數(shù)IP=16，分類為低液限黏土；黏聚力C=68.01kPa;內(nèi)摩擦角φ=30°；滲透系數(shù)：0cm/s;容重γ=17.8kN/m。選用接近于現(xiàn)場情況的公式[2]。

a.北京市的經(jīng)驗公式[3]。在粉質(zhì)黏土、黏土層中頂管時，管道長度為34～99m，頂力計算公式：

P=K黏(22D1-10)L

(2)

式中P——計算總頂力，kN；

K黏——黏性土系數(shù)，取1.3；

D1——管道外徑,m，取2.4m；

L——頂進管總長度,m，取48m。

經(jīng)計算，P為2670kN。

b.《頂管施工技術(shù)》推薦經(jīng)驗公式[6]。頂進鋼筋混凝土管時，頂力計算：

P=nGL

(3)

式中P——計算總頂力，kN；

n——土質(zhì)系數(shù)，按亞黏土考慮，取1.5；

G——管道單位長度管體自重，kN/m，取33.85kN；

L——頂進管總長度，m，取48m。

經(jīng)計算，P為2437kN。

經(jīng)比較以上兩種計算結(jié)果，取大值P為2670kN。

4.3 導(dǎo)軌及頂進設(shè)備選擇

為保證管道頂進的準確性，選用30號輕軌作為頂進導(dǎo)軌。兩導(dǎo)軌安裝后保持平行、等高，高程略高于該處管道設(shè)計高程。導(dǎo)軌安裝牢固可靠，確保在使用中不發(fā)生變形，使用過程中，經(jīng)常檢驗導(dǎo)軌的牢固性。

兩導(dǎo)軌間的間距計算：A0=A+a

(4)

式中A——兩導(dǎo)軌上部凈距，mm；

D——管外徑，mm，取2400mm；

h——導(dǎo)軌高度，mm，30號輕軌高107.95mm；

e——管外底距枕木的距離，mm，取20mm；

a——導(dǎo)軌的上頂寬度，mm，30號輕軌上頂寬60.33mm。

經(jīng)計算，A0為962mm。根據(jù)計算頂力選擇兩臺QW200t—3000型雙作用千斤頂作為主要頂進設(shè)備，兩臺液壓千斤頂提供總頂力4000kN。

4.4 后背墻選擇

因在河道中頂管受現(xiàn)場條件限制，無原狀土作后背墻，要修建臨時后背墻。在施工中要求后背墻必須保持穩(wěn)定，一旦后背墻遭到破壞，頂管施工就要停頓。后背墻的最低要求應(yīng)保證在設(shè)計頂進力的作用下不被破壞，并留有較大的安全度。要求其本身的壓縮回彈量為最小，以充分發(fā)揮主頂工作站的頂進效率。施工時需滿足如下要求：充分的強度；足夠的剛度；后背墻表面平直；材質(zhì)均勻；結(jié)構(gòu)簡單，拆裝方便。

工程設(shè)計了現(xiàn)澆混凝土后背墻作為頂管的后背墻著力點，混凝土采用C25商品混凝土，混凝土容重24kN/m3。后背墻基礎(chǔ)長度為17m，基礎(chǔ)底寬6m，墻身長13m，墻身底寬4m,墻身頂寬1.5m,墻高4m(含基礎(chǔ))，其中埋入地下1.5m。后背墻基礎(chǔ)通長布置，基礎(chǔ)下部為20cm厚砂礫料墊層，垂直于頂管軸線布置。后背墻正立面及后背墻基礎(chǔ)頂面設(shè)置φ14鋼筋網(wǎng)片，鋼筋間距20cm，單層雙向布置，鋼筋保護層厚度為10cm，并在后背墻與基礎(chǔ)連接處布置縱向間距50cm、橫向間距30cm的豎向φ22鋼筋，鋼筋長2.3m，其中高出混凝土基礎(chǔ)面80cm。

因后背墻基礎(chǔ)坐落于粉細砂層中，為保證后背墻整體穩(wěn)定，需增大后背墻安全系數(shù)。在后背墻基礎(chǔ)開挖完畢后，在底部布設(shè)24根直徑150mm鋼樁，壁厚9mm。鋼樁單根長度3m，打入地下2m，外露1m，外露部分與混凝土后背墻基礎(chǔ)一并澆筑形成整體；后背墻基礎(chǔ)寬度方向3排，長度方向8排，鋼樁間距2.5m。見圖2。

圖2 頂管后背墻結(jié)構(gòu)

4.5 后背墻受分析

a.后背墻基礎(chǔ)被動土壓力計算[3]。核算后背土受力寬度，根據(jù)需要的總頂力，使土壁單位寬度上受力不大于土壤的縱被動土壓力?？砂醇夹g(shù)規(guī)程中的被動土壓力公式進行計算。

(5)

式中P——后背每米寬度上土壤的總被動土壓力，kN/m；

γ——填土的重度，kN/m3，取16kN/m3；

h——擋土結(jié)構(gòu)的高度,m，因無天然土后背墻，只取河道向下的后背墻基礎(chǔ)基坑高度1.5m；

φ——內(nèi)摩擦角,(°)，取25°；

C——土體黏聚力，kN/m2，取5 kN/m2。

因基礎(chǔ)坐落在粉細砂層中，根據(jù)土工試驗，式中各系數(shù)均按亞砂土考慮，經(jīng)計算，P為67.9kN/m?？紤]到后背墻結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)長度為17m，計算總的被動土壓力Ep=PB；計算后，為1154kN。

b.后背墻基礎(chǔ)摩擦力計算。因無自然頂坑，而后背土層提供的土壓力較小，需考慮混凝土后背墻重量產(chǎn)生的摩擦力提供反力。根據(jù)摩擦力公式:

(6)

式中μ——墻底基礎(chǔ)的摩擦系數(shù)，根據(jù)砂性土層，取0.35；

G——后背墻結(jié)構(gòu)自重，取5817kN。

經(jīng)計算，摩擦力F=2035kN。

c.后背墻基礎(chǔ)下鋼樁的水平承載力特征值計算[4]。為保證頂管后背墻穩(wěn)定性，需計算后背墻基礎(chǔ)底部鋼樁的水平承載力，以增大后背墻安全系數(shù)。群樁基礎(chǔ)的基樁水平承載力特征值應(yīng)考慮有承臺、樁群、土相互作用產(chǎn)生的群樁效應(yīng)，按下列公式確定：

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

其中，sa=(A/n)1/2,n為總樁數(shù),取24。

式中 ηh——群樁效應(yīng)綜合系數(shù)；

Rha——單樁基樁水平承載力特征值；

ηi——樁的相互影響效應(yīng)系數(shù)；

n1,n2——沿水平荷載方向與垂直水平荷載方向每排樁中的樁數(shù)，取n1=3，n2=8；

sa/d——沿水平荷載方向的距徑比；

A——承臺面積，取102m2；

ηr——樁頂約束系數(shù)(樁頂嵌入承臺長度50～100mm)；

α——樁的水平變形系數(shù)，1/m；

m——承臺樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)，MN/m4,取10MN/m4；

h——樁基埋深，m,取2m；

b0——樁身的計算寬度，m，b0=0.9(1.5d+0.5),取0.677m；

EI——鋼樁樁身抗彎剛度，MN·m2;

E——鋼樁的彈性模量，MPa,取2.0×105MPa；

I——鋼樁慣性矩，m4,取1.43×10-5m4；

ηl—承臺側(cè)向土水平抗力效應(yīng)系數(shù)(承臺外圍回填為松散狀態(tài)時取0);

ηb——承臺底摩阻效應(yīng)系數(shù)；

χoa——樁底(承臺)的水平位移允許值，當以位移控制時，取10mm；

νx——樁頂水平位移系數(shù)，取1.095；

B′——承臺寬度，m，取17m；

hc——承臺高度，m，取1.5m；

μ——承臺底與地基土間的摩擦系數(shù)，取0.35；

Pc——承臺底地基土分擔(dān)的豎向總荷載，kPa；

ηc——承臺效應(yīng)系數(shù)；

APS——樁身截面面積，取0.022m2。

經(jīng)計算，ηh=10.94，Rha=32.80kN，Rh=359kN。

d.穩(wěn)定性計算[5]。

? 計算后背墻的抗滑穩(wěn)定性。后背墻基礎(chǔ)被動土壓力Ep、后背墻摩擦力F、鋼樁水平承載力Rh三者之和為3548kN，頂力為2670kN；安全系數(shù)FS=(Ep+F+Rh)/P=1.33>1.3。后背墻抗滑穩(wěn)定性滿足技術(shù)規(guī)范要求。

? 計算后背墻的抗傾覆穩(wěn)定。后背墻的抗傾覆穩(wěn)定性按下式計算：

(16)

式中G——后背墻重量；

x0——后背墻中心到墻趾的距離，取3.56m；

Ep——被動土壓力；

Z0——被動土壓力到墻趾的距離，取0.5m；

P——頂力；

Z1——頂力到墻趾的距離，取2.37m。

經(jīng)計算，F(xiàn)t=3.6>1.6。后背墻抗傾覆穩(wěn)定性滿足技術(shù)規(guī)范要求。

5 頂管施工注意事項

5.1 準備工作

導(dǎo)流方式采用在河道施工區(qū)域的上下游建橫向封堵樁膜圍堰，攔截河水，使施工區(qū)域干場作業(yè)，河水暫時從其他渠道調(diào)度導(dǎo)流。為保證頂管后背墻的受力狀態(tài)，減小地下水浮力對頂管施工的影響，在后背墻施工前及頂管施工過程中采取了管井降水。降水井布置于頂管后背墻周側(cè)的間隔處，管井成孔直徑為600mm，單井深度為10m。將地下水位降至后背墻基礎(chǔ)樁基底高程以下0.5m，再進行頂管施工。施工采用人工掘進頂管，由管道縱坡低的下游向管道縱坡高的上游頂進。

5.2 減小地層沉降的措施

5.2.1 進出洞口加固

頂管部位的土層為低液限黏土，容易出現(xiàn)塌方，而頂管進出洞口位于跨河道路路基兩側(cè)坡腳處，為保證洞口施工順利進行，對洞口護坡進行噴錨加固，增強邊坡穩(wěn)定性，保證頂管施工過程中的安全。路兩側(cè)現(xiàn)狀坡面噴錨采用φ22鋼筋，打入1.5m，間距1.5m，向下傾角為15°，梅花形布置。鋼筋網(wǎng)片規(guī)格為φ14@250×250mm，網(wǎng)片外設(shè)置φ14@1400×3000壓網(wǎng)筋，壓網(wǎng)筋同土釘外露部分焊接牢固。噴射混凝土采用C20混凝土，噴射厚度為10cm，見圖3。

圖3 頂管進出洞口及坡面噴錨示意圖

5.2.2 觸變泥漿減阻

為減小摩阻力，在頂進時采用壓觸變泥漿措施。在廠家加工鋼筋混凝土管時，按技術(shù)規(guī)范要求預(yù)留壓漿孔。觸變泥漿的配比根據(jù)試驗確定，質(zhì)量配合比為膨潤土∶水∶碳酸鈉=100∶614∶2。

為保證其潤滑效果，在攪拌時，按配比先加入膨潤土，待攪拌均勻后，將融化的碳酸鈉溶液倒入攪拌池內(nèi)，攪拌均勻放置12h后使用。頂管完畢后，立即灌注水泥漿將觸變泥漿置換出來，減少土體后期沉降。

5.2.3 回填灌漿

頂管工作段完成后，利用注漿孔對管道進行注漿，注漿材料采用1∶1水泥漿，注漿壓力控制在0.2MPa，在保證不破壞現(xiàn)況管線安全的情況下，保證漿液有充足的擴散能力，確保注漿漿液的擴散半徑。當注漿壓力穩(wěn)定5min后停止注漿。一次注漿完畢4h后開始第二次注漿，注漿壓力為0.2MPa，待注漿壓力穩(wěn)定5min后，注漿完成?；靥钭{完畢后，采用雷達探測器對頂管軸線方向的回填注漿質(zhì)量進行檢驗，出現(xiàn)局部缺漿或空洞，應(yīng)立即鉆孔進行補漿。

6 施工監(jiān)測

6.1 測點布置

為及時監(jiān)控頂管施工引起的周邊相關(guān)變形，分別在管線、路面、后背墻上布置3組測點。

a.在路面沿頂管軸線方向布置6個沉降控制點，共計設(shè)置18個沉降控制點。頂管施工過程中，每2h監(jiān)測一次，并進行數(shù)據(jù)記錄。頂管施工地面允許沉降值為20mm。

b.在現(xiàn)澆后背墻布置3個觀測點，位置在頂管管線的延長線上,2次/d。

c.在現(xiàn)有管線上的地面上布置觀測點，一條管線一個,2次/d。

6.2 沉降監(jiān)測

6.2.1 地表沉降

頂進期間，以中排管斷面路面沉降曲線為例，見圖4?？梢钥闯?，在頂管過程前10m內(nèi)，路面局部各點出現(xiàn)輕微隆起；在頂進10m以后，路面各點沉降量總體呈現(xiàn)出下降趨勢。在頂管期間路面總沉降量在20mm以內(nèi)。

從位移總量來說，頂管推進對路面的影響在控制范圍之內(nèi)。

圖4 頂管路面沉降曲線

6.2.2 后背墻水平位移

頂管頂進期間，后背墻的水平位移曲線見圖5。

可以看出，在開始階段前15m后背墻水平位移較小，幾乎為0。頂進到15m以后時，后背墻水平位移數(shù)值逐步增大，最終后背墻累積位移最大值為20mm。

圖5 頂管后背墻水平位移曲線

整個頂管過程，水平位移量在可控范圍內(nèi)，后背墻墻身未出現(xiàn)裂紋及剪力破壞。

7 結(jié) 論

a.在河道中頂管，工作井無原狀土作后背墻，需使用人工后背墻時，要做好臨時后背墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計，確保安全穩(wěn)定。

b.頂管穿越地質(zhì)復(fù)雜土層時，要采取相應(yīng)的減阻及防沉降措施，預(yù)控頂力在合理范圍內(nèi)，防止頂力增大，超出設(shè)計范圍，影響人工后背墻穩(wěn)定，同時做好監(jiān)控布測，掌控現(xiàn)場情況，及時調(diào)整。

監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，路面沉降總量及后背墻水平位移總量均在可控范圍內(nèi)，說明該工程人工后背墻的設(shè)計是合理的，同時采取防沉降措施，保證了道路和管線安全。綜上所述，頂管工程在特殊的河道環(huán)境中順利完成，為今后有類似工程條件的頂管施工提供了借鑒。

[1] CECS 246—2008給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國計劃出版社，2008.

[2] 葛春輝.頂管工程設(shè)計與施工[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[3] DBJ 01—47—2000北京市給水排水管道工程施工技術(shù)施工技術(shù)規(guī)程[S].北京：北京市市政工程總公司，2001.

[4] JGJ 94-2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[5] 袁忠于.淺議頂管施工技術(shù)在水利建設(shè)工程中的應(yīng)用[J].水利建設(shè)與管理，2012(11).

[6] 全彬泉，陳傳燦. 頂管施工技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，1998.

Construction technology of road penetration jacking pipe without undisturbed soil as back-wall in watercourse

ZHANG Jian

(BeijingXiangkunWaterworksConstructionCo.,Ltd.,Beijing100192,China)

In the paper, engineering example is combined for describing jacking pipe construction technology in watercourse. Jacking pipe construction and design are implemented aiming at difficulties. Stress is calculated and analyzed simply aiming at temporary back-wall structure. In addition, measures to resist soil layer deformation are adopted in jacking pipe construction. Deformation in back-wall and ground are monitored through point distribution. Monitoring results show that total pavement settlement and rear back-wall horizontal displacement are controllable. Practice proves that the back-wall design and settlement prevention measures of jacking pipe construction in the project are rational.

watercourse; road penetration jacking pipe; construction technology

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.01.006

TV52

A

1005-4774(2017)01- 0015- 07