雜填土條件下長距離大管徑泥水平衡機(jī)械頂管施工工藝研究

(西安市市政設(shè)施管理局 陜西 西安 710016)

雜填土條件下長距離大管徑泥水平衡機(jī)械頂管施工工藝研究

潘國富

(西安市市政設(shè)施管理局 陜西 西安 710016)

文章以西安市第一污水廠二期退水工程為背景，主要對雜填土復(fù)雜地質(zhì)情況下長距離大管徑泥水平衡機(jī)械頂管進(jìn)行研究，提出了雜填土復(fù)雜地質(zhì)條件下長距離大管徑泥水平衡頂管施工防止失穩(wěn)、保證工程質(zhì)量相關(guān)措施及包括設(shè)備改造、增加注漿孔密度、增大注漿機(jī)注漿能力一整套注漿減摩方案，通過頂力計(jì)算、中繼間技術(shù)、測量控制管理技術(shù)、頂進(jìn)姿態(tài)管理等方面的研究，提出了雜填土復(fù)雜地質(zhì)條件下大管徑、長距離泥水平衡頂管施工成套技術(shù)方案。通過一污二期工程的實(shí)施驗(yàn)證，證實(shí)了上述成套技術(shù)方案的可行性。

雜填土；泥水平衡；頂管；大管徑；長距離

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市現(xiàn)代化進(jìn)程的快速推進(jìn)，給水、排水、煤氣、電力通訊設(shè)施等管網(wǎng)只能在狹窄的空間采用非開挖技術(shù)進(jìn)行。頂管施工是一種現(xiàn)代化的埋設(shè)地下管線的非開挖施工方法，該施工技術(shù)在地層的適應(yīng)性、對地上地下環(huán)境的保護(hù)、對地上 地下設(shè)施的無干擾破壞、施工安全可靠性、施工質(zhì)量保證及施工經(jīng)濟(jì)效益等方面都具有較大的優(yōu)越性，并顯現(xiàn)出無限生命力。

作為一種地下施工方法，頂管施工也不可避免地會對管道周圍的土體產(chǎn)生擾動，擾動的結(jié)果是使周圍的土體出現(xiàn)卸載或加載等復(fù)雜的力學(xué)行為并使土層的物理、力學(xué)指標(biāo)產(chǎn)生變化，土體的應(yīng)力狀態(tài)不斷發(fā)生變化，引起管道周圍土體產(chǎn)生變形，使土層發(fā)生移動，產(chǎn)生地面和地下土體的移動，即土層移動。

同時，另一方面，頂管工程的工藝選擇及施工在很大程度上受工程的特點(diǎn)、環(huán)境、地質(zhì)、施工條件等因素影響。施工前必須要充分了解地質(zhì)情況，選用與之適應(yīng)的頂管施工方法、合理的頂管掘進(jìn)參數(shù)及關(guān)鍵技術(shù)使用。

本文以工程為例，重點(diǎn)研究在復(fù)雜地質(zhì)條件長距離大管徑泥水平衡機(jī)械頂管施工關(guān)鍵工藝。

一、工程地質(zhì)情況

1.1工程簡介

西安市第一污水處理廠二期退水工程，全長1817米，其中頂管部分總長為984米，管道由一污二期超越管道起始排放處開始先向北再沿一污二期北側(cè)電桿平行位置一直向西大約1.6公里，設(shè)計(jì)平均埋深6.5米，頂管段埋深9-10米，采用d2800mm鋼筋混凝土鋼承口管（III級）。

1.2工程地質(zhì)勘探情況

工程施工前，針對該工程區(qū)域進(jìn)行了工程地質(zhì)勘探，根據(jù)地質(zhì)勘探結(jié)果，本工程頂管深度所處的土層層位主要處于雜填土層，在0.5米—8.8米的位置全部為雜填土，主要以建筑垃圾為主，含水量的生活垃圾，以磚瓦塊，灰渣，碎瓷磚，破木板及碎石組成。

1.3工程地質(zhì)對長距離、大管徑頂管帶來的困難

（1）密度嚴(yán)重不均勻

密度嚴(yán)重不均勻使頂管過程中管土壓力不斷發(fā)生隨機(jī)離散性變化，管道走向容易偏斜，甚至發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，這一影響對于長距離大管徑的施工尤其明顯。

（2）土層孔隙率大，并且孔隙率變化離散性較大

較大的孔隙率及孔隙率變化在泥水平衡施工時容易使觸變泥漿進(jìn)入空隙中，造成跑漿現(xiàn)象，不僅需要更多的漿量，而且需漿量的巨大變化使注漿壓力變化較大。

二、雜填土條件下長距離泥水平衡機(jī)械頂管受力分析

在頂管施工過程中，頂進(jìn)管將同時在管軸方向和橫跨管軸方向上受到荷載作用，荷載主要有管道自重、土壓力、水壓力、注漿壓力、交通荷載、頂推力、管壁摩阻力、掘進(jìn)機(jī)的迎面阻力等。頂推力是一種循環(huán)荷載，不斷地變換，由零上升到最高值，又由最高值下降到零。因此管道的受力非常復(fù)雜，處于三向應(yīng)力狀態(tài)[1]。

本項(xiàng)目的雜填土質(zhì)地不均勻，其中不僅存在對管道約束能力差的生活垃圾，同時存在約束能力較大的建筑垃圾、石塊等。在這種情況下，管道受到離散性較大的周邊荷載，使折曲角變大，管道間的應(yīng)力集中現(xiàn)象更為嚴(yán)重，更加容易產(chǎn)生失穩(wěn)情況。

更進(jìn)一步分析，雜填土不均勻土壓力帶來的管道偏移會導(dǎo)致管道周圍土壓力分布不均勻，從而更加嚴(yán)重的加劇了管道不規(guī)則偏移，從而形成惡性循環(huán)，對工程的正常施工帶來了巨大的難度。

雜填土復(fù)雜地質(zhì)條件下頂管失穩(wěn)原因主要為：

(1)管道受到對角荷載作用；

(2)頂進(jìn)力達(dá)到一定值；

(3)管道的頂推力偏心距較大；

(4)土體的承載力較差。失穩(wěn)通常會出現(xiàn)在離中繼間較近、管線偏斜方向突然改變的管節(jié)處，此處管節(jié)受到對角荷載作用且頂推力較大。

三、雜填土條件下長距離、大管徑泥水平衡頂管工藝研究

3.1雜填土條件下長距離頂管防止失穩(wěn)、保證工程質(zhì)量措施

課題組通過對雜填土條件下頂管管道受力情況的分析，提出了防止管道失穩(wěn)、保證或提高工程質(zhì)量的措施如下：

（1）針對雜填土的特點(diǎn)，采用設(shè)備改造等手段設(shè)計(jì)合理的注漿減摩方案減小摩阻力；

（2）縮短中繼間之間的距離減小摩阻力；

（3）減小管道偏斜，在頂進(jìn)施工時做好監(jiān)測方案，做到邊施工邊監(jiān)測，基于雜填土的不均勻性特點(diǎn)，一定要提高監(jiān)測頻率；

（4）采取合理的糾偏措施，基于雜填土的不均勻性特點(diǎn)，一定要提高隨時糾偏頻率，同時提高糾偏精度，降低需要糾偏的誤差值標(biāo)準(zhǔn)；

（5）減小中繼間的偏斜，保證管道的偏斜在合理范圍內(nèi)；

（6）采用鋼承口管橡膠圈接口，它的最大張角可達(dá)30左右，也不會產(chǎn)生接口滲漏，可靠性較好。

3.2 雜填土條件下大管徑泥水平衡頂管難點(diǎn)及質(zhì)量保證措施

3.2.1 雜填土條件下大管徑泥水平衡頂管難點(diǎn)

本項(xiàng)目研究的是管徑D2800mm鋼筋混凝土單向頂進(jìn)504m的管道鋪設(shè)。雜填土條件下結(jié)合大管徑對施工帶來了相當(dāng)?shù)睦щy，主要表現(xiàn)在：

（1）大管徑頂管會產(chǎn)生更大的滑行阻力，需要更大的推力，對注漿減摩水平要求更高；

（2）大管徑頂管會產(chǎn)生較大的土體反力，對周圍土體及地面產(chǎn)生不利擾動影響的可能性增大；

（3）上述雜填土對頂管帶來的不利影響對于大管徑頂管將更加明顯和突出。

3.2.2 雜填土條件下大管徑泥水平衡頂管質(zhì)量保證措施

根據(jù)上述難點(diǎn)，項(xiàng)目組提出了大管徑質(zhì)量保證措施方案如下：

（1）針對雜填土及大管徑的特點(diǎn)，采用設(shè)備改造等手段在合理范圍內(nèi)適當(dāng)提高注漿量，減小頂進(jìn)滑行阻力；

（2）提高了中繼間布置的可靠性，縮短了中繼間間距，減小頂力，當(dāng)總推力達(dá)到設(shè)計(jì)推力的50%，安裝第一個中繼間，以后當(dāng)總推力達(dá)到設(shè)計(jì)推力的70%時放置第二個中繼間。

（2）在中繼間頂力控制方面，比常規(guī)土質(zhì)提前開啟中繼間，使整段頂管的頂力更加均勻，提出雜填土條件下中繼間控制方案。

3.3 雜填土條件下大管徑、長距離泥水平衡頂管注漿減摩的困難及解決方案

3.3.1 雜填土條件下大管徑、長距離泥水平衡頂管注漿減摩的困難

經(jīng)項(xiàng)目組分析，一污二期工程區(qū)域雜填土具有空隙大、材質(zhì)分布不均勻，存在跑漿（漿流入雜填土內(nèi)部）的現(xiàn)象，常規(guī)的注漿量不能滿足該工程的注漿需要，因此，應(yīng)提高注漿量。

同時，基于前文的研究，大管徑、長距離等因素影響下，也應(yīng)適當(dāng)增加注漿量。

3.3.2 雜填土條件下大管徑、長距離泥水平衡頂管注漿減摩解決方案

為了達(dá)到提高注漿量的目的，項(xiàng)目組對施工工藝、設(shè)備進(jìn)行了研究，提出了以下解決方案：

（1）通過機(jī)頭改造提高注漿量、減少水平摩阻力

本項(xiàng)目對原有泥水平衡頂管設(shè)備機(jī)頭直徑擴(kuò)大1.5cm，在頂管時，土體與管體之間的距離便增加1.5cm，從而注入更多的減摩漿。見圖1.

圖1 機(jī)頭改造示意圖

通過實(shí)踐證實(shí)，改造后的設(shè)備施工比原有設(shè)備的推力更小，壓力更穩(wěn)定，更易施工，從而使雜填土條件下大管徑、長距離泥水平衡頂管施工得到了保障。

（2）增加注漿孔密度

項(xiàng)目組通過相關(guān)研究，考慮到土體材質(zhì)不均勻性、空隙大的特點(diǎn)，增加了注漿孔的數(shù)量，常規(guī)土體進(jìn)行施工時，注漿孔的數(shù)量為每三節(jié)相鄰管材設(shè)一節(jié)有注漿孔的管子，每根管材長2.5米，因此常規(guī)土體注漿時注漿密度為每7.5米設(shè)一組注漿孔，由于雜填土的特點(diǎn)需要提高注漿量，本項(xiàng)目注漿孔數(shù)量為每兩個相鄰管材設(shè)置一節(jié)有注漿孔的管子，即注漿密度為每5米設(shè)一組注漿孔。

圖2 注漿孔密度增加前示意圖 圖3 注漿孔密度增加后示意圖

注漿孔密度的增大彌補(bǔ)了土體材質(zhì)不均勻等不利影響。

（3）增大注漿機(jī)注漿能力

由于注漿量的增大，為了保證注漿壓力的均衡，必須增大注漿機(jī)的注漿能力，本項(xiàng)目注漿機(jī)由原來的揚(yáng)程為100m的UBH型螺桿泵注漿機(jī)更換為揚(yáng)程為300m的1-1B型螺桿泵注漿機(jī)。

四、施工關(guān)鍵參數(shù)

4.1頂力計(jì)算結(jié)果及單個油缸頂力確定

本工程管徑D2800mm，壁厚28mm，頂管頂力計(jì)算長度為單向頂進(jìn)長度504米，根據(jù)頂力計(jì)算公式計(jì)算，總頂力為2714.3t，D2800鋼筋混凝土管最大允許頂力為4321.6t，采用保守最大允許頂力值2200t。

經(jīng)計(jì)算得知總推力F=2714.3t，大于鋼筋混凝土管傳力面允許的最大頂力2200t，頂管時頂力最大值不應(yīng)超過混凝土管傳力面允許的最大頂力2200t的80%，即不應(yīng)超過2200×80%=1760t。

頂管施工時采用八臺油缸，在推進(jìn)時，每臺油缸的最大頂力不得超過1760t/8=432t剩余頂力需要中繼間來解決

4.2中繼間布設(shè)與控制

因頂管時鋼筋混凝土管傳力面允許的最大頂力2200×80%=1760t，為了鋼筋混凝土管不致破損，當(dāng)頂力達(dá)到中繼間設(shè)計(jì)推力的50%時，即需設(shè)置中繼間1760t ×50%=880t。經(jīng)計(jì)算，第一個中繼間應(yīng)設(shè)置在156.3m以內(nèi)，同理第二個中繼間應(yīng)設(shè)置在312.6m以內(nèi)。同時第一個中繼間頂力富裕量不宜小于40%，即中繼間頂力不宜小于1478t，第二個中繼間頂力富裕量不宜小于30%，即中繼間頂力不宜小于1372.8t。設(shè)計(jì)值均為1500t，由此可知，由兩個中繼間組成系統(tǒng)頂進(jìn)系統(tǒng)，且布置位置合理，中繼間設(shè)計(jì)頂力1500t能滿足要求。考慮理論計(jì)算與實(shí)際施工的差距，綜合施工經(jīng)驗(yàn)，將第一個中繼間設(shè)置在80米處，第二個中繼間設(shè)置在140米處。

為提高工程的可靠性，由于地下土質(zhì)為雜填土及其它因素，提前開啟中繼間，具體方案為：第一中繼間在頂進(jìn)過程中，當(dāng)頂力達(dá)到總頂力的60%時，第一個中繼間啟動20%頂力。第二個中繼間在第一個中繼間頂力達(dá)到60%時，啟動第二個中繼間。該控制方案的實(shí)施具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）使整個管道的受力更加均勻，降低或消除了雜填土土質(zhì)不均勻帶來的負(fù)面影響，管道更加不易偏斜，工程質(zhì)量更易保證，。

（2）壓力的均勻分布使集中荷載對混凝土管道產(chǎn)生的影響降低。

（3）壓力的均勻分布使得頂進(jìn)安全性提高，保證了頂進(jìn)過程的安全性。

4.3測量控制管理技術(shù)

基于雜填土的不均勻特點(diǎn)，根據(jù)前文提出的雜填土條件下長距離大管徑泥水平衡頂管成套技術(shù)方案。提高高程與軸線偏差的測量頻率，對于管道軸線控采用紅外線經(jīng)緯儀測量，為糾偏提供依據(jù)，管道高程則采用，水準(zhǔn)儀，每節(jié)管道測量2個點(diǎn)。

4.4糾偏技術(shù)

以建筑垃圾為主，生活垃圾，磚瓦塊，灰渣，碎瓷磚，破木板及碎石組成的回填土層的復(fù)雜地質(zhì)條件下頂進(jìn)過程中糾偏難度較大，在頂進(jìn)過程中嚴(yán)格控制頂進(jìn)測量頻率，管道的糾偏影響到整個管道的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，施工中以出洞口中心點(diǎn)為后視點(diǎn)，分別測出前標(biāo)水平角、后標(biāo)水平角，并分別計(jì)算出前標(biāo)、后標(biāo)的平面偏離值（經(jīng)轉(zhuǎn)角改正）然后計(jì)算出切口的偏離值。通過測量前標(biāo)和后標(biāo)的豎直角分別計(jì)算出前、后標(biāo)高程偏離值（經(jīng)轉(zhuǎn)角改正）然后計(jì)算出切口偏離值。頂進(jìn)施工中，操作人員應(yīng)隨時監(jiān)測監(jiān)視器各項(xiàng)數(shù)據(jù)的變化，并及時記錄，在分析記錄數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行糾偏。施工中，當(dāng)高程或中線超出標(biāo)準(zhǔn)值40mm以上時，根據(jù)監(jiān)視器內(nèi)的光點(diǎn)位置變化趨勢進(jìn)行糾偏[2]。糾偏過程中，可每隔頂進(jìn)30cm測量一次，每項(xiàng)糾偏角度應(yīng)保持10′～20′不得大于1°。

五、施工效果

通過以上對復(fù)雜地質(zhì)大管徑長距離機(jī)械頂管施工工藝的研究、應(yīng)用，一污二期頂管工程已經(jīng)完成2個頂進(jìn)區(qū)間共計(jì)984米頂管施工，質(zhì)量控制良好，達(dá)到了規(guī)范要求。表4-10為各頂進(jìn)區(qū)間質(zhì)量統(tǒng)計(jì)情況。

表1 各頂進(jìn)區(qū)間質(zhì)量情況

六、小結(jié)

本研究以西安市第一污水廠二期退水工程為背景，主要對雜填土復(fù)雜地質(zhì)情況下長距離大管徑泥水平衡機(jī)械頂管進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

（1）通過雜填土復(fù)雜地質(zhì)條件下的頂管受力及失穩(wěn)荷載、施工難點(diǎn)等分析，提出了雜填土復(fù)雜地質(zhì)條件下長距離大管徑泥水平衡頂管施工防止失穩(wěn)、保證工程質(zhì)量相關(guān)措施；

（2）分析了雜填土復(fù)雜地質(zhì)條件下大管徑、長距離泥水平衡頂管注漿減摩的困難，提出了包括設(shè)備改造、增加注漿孔密度、增大注漿機(jī)注漿能力一整套注漿減摩方案。

（3）基于上述研究及通過觸變泥漿、頂力計(jì)算、中繼間技術(shù)、測量控制管理技術(shù)、頂進(jìn)姿態(tài)管理等方面的研究，提出了雜填土復(fù)雜地質(zhì)條件下大管徑、長距離泥水平衡頂管施工成套技術(shù)方案。

（4）通過一污二期工程的實(shí)施驗(yàn)證，證實(shí)了上述成套技術(shù)方案的可行性。

[1]頂管工程土與結(jié)構(gòu)的性狀及理論研究 魏綱2005年11月 浙江大學(xué)博上學(xué)位論文

[2]給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范 GB50268-2008

TU75

B

1007-6344（2017）06-0259-02

潘國富（1973-）男 漢族 研究生 工程師 研究方向：從事市政建設(shè)、維護(hù)和管理