泥水平衡頂管施工技術(shù)在碎石樁基礎(chǔ)中的應(yīng)用

馮向珍

【摘要】頂管施工可以避免傳統(tǒng)開挖施工所出現(xiàn)的影響交通、污染環(huán)境等不利因素，且具有快速、高效等特點(diǎn)，已經(jīng)應(yīng)用于越來(lái)越多的管道施工工程中。新鄉(xiāng)市南水北調(diào)中線配套工程穿越濟(jì)東高速采用泥水平衡頂管施工法施工，先創(chuàng)性的將該施工工藝應(yīng)用于碎石樁基礎(chǔ)中，取得了良好效果。

【關(guān)鍵詞】泥水平衡頂管施工技術(shù)；碎石樁基礎(chǔ)；南水北調(diào)中線配套

1、工程概況

新鄉(xiāng)市南水北調(diào)中線配套為輸水管道工程，其30號(hào)口門輸水管線向獲嘉縣供水，輸水管線長(zhǎng)22.94km，主管采用DN1200的PCP管。該工程在樁號(hào)17+511.765～17+621.765處穿越濟(jì)東高速公路，高速公路交叉里程為K98+784，穿越總長(zhǎng)度110.0m。為保證不影響濟(jì)東高速公路交通暢通，避免對(duì)道路進(jìn)行破壞、減少環(huán)境污染，穿越工程采用頂進(jìn)施工保護(hù)套管型式，即圓形混凝土套管+鋼管的穿越方式，頂管進(jìn)出口與閥門井連接。頂管用套管為DN1800的圓形混凝土管，內(nèi)設(shè)DN1200的鋼管；其中穿越高速公路限界部分總長(zhǎng)55米，其他頂管穿越位置均為農(nóng)田地。

穿越工程所在處地質(zhì)情況為少粘性地震液化土地基，高速公路施工中采用碎石樁對(duì)地基進(jìn)行處理，碎石樁嵌入液化土層深度約1m，采用粒徑20～50mm潔凈的碎石，成樁直徑0.5m，間距1.8m，梅花形布置。

泥水平衡頂管施工技術(shù)在穿越濟(jì)東高速碎石樁基礎(chǔ)中的應(yīng)用，先創(chuàng)性的將該技術(shù)成功用于復(fù)雜地質(zhì)條件下，技術(shù)安全可靠，取得了不錯(cuò)了工程效果。

2、穿越處工程條件

2.1、 地質(zhì)情況

30號(hào)供水管線穿越濟(jì)東高速公路中心樁號(hào)為17+570，地貌屬?zèng)_洪積平原，地形平坦。根據(jù)地層時(shí)代、巖性及空間分布特征，將建筑物場(chǎng)區(qū)地層劃分為4個(gè)工程地質(zhì)單元，分別為：砂壤土（alQ42）、細(xì)砂（alQ42）、輕壤土（alQ42）、黃土狀重粉質(zhì)壤土（al+plQ3）；其中液化土層為砂壤土（Q4），其下層的Q3輕粉質(zhì)壤土不液化，最大液化土層深度10m，液化等級(jí)嚴(yán)重。

土巖體的物理力學(xué)性指標(biāo)建議值表見(jiàn)表1。

2.2、 濟(jì)東高速地基處理方案

濟(jì)東高速公路施工中采用碎石樁對(duì)地基進(jìn)行處理，碎石樁嵌入液化土層深度約1m，采用粒徑20～50mm潔凈的碎石，成樁直徑0.5m，間距1.8m，梅花形布置，其處理施工圖如圖1圖2：

2.3、 問(wèn)題的提出

針對(duì)輸水管道穿越濟(jì)東高速部位面臨的少粘性地震液化土地基、碎石樁基礎(chǔ)、交通不能中斷等問(wèn)題，尋求一種安全、快捷、高效的優(yōu)化施工的新方法意義重大。

圖1 碎石樁擠實(shí)平面圖

圖2、 碎石樁擠實(shí)橫斷面圖

頂管施工技術(shù)是一種管道鋪裝技術(shù)，無(wú)需開挖面層，有具大推力的液壓千斤頂可用在有遙控裝置的頂管掘進(jìn)機(jī)的后方，使掘進(jìn)機(jī)及緊隨其后的管道穿越土層，達(dá)到預(yù)先設(shè)計(jì)的位置上，被挖掘物質(zhì)通過(guò)泥漿循環(huán)系統(tǒng)用泵排出，到達(dá)地表。該方法能穿越地面構(gòu)筑物和地下管線及公路、鐵路、河道，節(jié)省大量投資和時(shí)間，對(duì)城區(qū)的交通、噪音、粉塵的危害和影響大大降低，是真正的無(wú)污染、高效率的施工技術(shù)。由于采用泥水加壓，能使開挖面保持穩(wěn)定，對(duì)所頂管子周圍的土體擾動(dòng)比較小，施工引起的地面沉降也比較小。

目前國(guó)內(nèi)開展的泥水平衡頂管施工，主要適用于各種粘土、N值小于50的砂土或者礫徑小于20mm、礫石含量不大于30%的砂礫石，不大適用于滲透系數(shù)大和卵石含量多的砂卵石底層，在碎石樁基礎(chǔ)中開展的案例更是少見(jiàn)，可以借鑒的成功工程實(shí)例不多。

3、 研究?jī)?nèi)容

3.1、 施工工藝特點(diǎn)

泥水平衡頂管技術(shù)施工原理是將置于工作井中的頂管掘進(jìn)機(jī)通過(guò)主頂油缸向前推進(jìn)至止水圈后，由電動(dòng)機(jī)提供能量轉(zhuǎn)動(dòng)掘進(jìn)機(jī)頭刀盤來(lái)切削土層、粉碎石塊，并使之進(jìn)入泥水倉(cāng)與泥漿混合，然后由泥漿系統(tǒng)的排泥管泵送至地面；與此同時(shí)，機(jī)頭連同管道在持續(xù)頂進(jìn)力的作用下，最終穿過(guò)土層到達(dá)接收井。在挖掘過(guò)程中，采用泥水平衡裝置來(lái)維持水土平衡，使頂進(jìn)管道始終處于主動(dòng)與被動(dòng)土壓之間，可以達(dá)到消除地面的沉降和隆起的效果。

本工程選用的是頂管機(jī)選用D2630帶破碎功能的泥水平衡頂管機(jī)，泥水頂管刀盤設(shè)置耐磨的堆焊焊條焊縫，其破碎礫石大小為管徑的40%以下，強(qiáng)度可達(dá)200MPa。切削下來(lái)的泥土及碎石在泥土倉(cāng)內(nèi)形成塑性體，以平衡土壓力，而在泥水倉(cāng)內(nèi)建立高于地下水壓力10～20KPa的泥水、泥漿，以平衡地下水壓力。

圖3、現(xiàn)場(chǎng)主頂設(shè)備安裝圖

圖4、 泥水平衡頂管施工流程圖

3.2、 頂推力計(jì)算

根據(jù)本工程地質(zhì)勘察報(bào)告和水文地質(zhì)資料選取適當(dāng)參數(shù)，根據(jù)規(guī)范及有關(guān)資料進(jìn)行計(jì)算。

后座反力計(jì)算

忽略鋼制后座的影響，假定主頂千斤頂施加的頂進(jìn)力是通過(guò)后座墻均勻地作用在工作坑后的土體上，為確保后座在頂進(jìn)過(guò)程中的安全，后座的反力或土抗力R應(yīng)為總頂進(jìn)力的1.2～1.6。

式中：-總推力之反力，kN；

-系數(shù)，取a=1.5～2.5；

B-后座墻的寬度，m；

-土的容重，kN/m3；

-后座墻的高度，m；

-被動(dòng)土壓系數(shù)（見(jiàn)頂管施工技術(shù)及驗(yàn)收規(guī)范中表7.1.8），取1.42；

-土的內(nèi)聚力，kPa；

-地面到后座墻頂部土體的高度，m。

2）頂力計(jì)算：頂管的頂力就是頂管過(guò)程管道受的阻力，包括工具頭正面泥水壓力、管壁摩擦阻力。

①管材受力分析（混凝土管DN1800）

頂管傳力面允許的最大頂力按下式計(jì)算：

式中：- 鋼管管道允許頂力設(shè)計(jì)值（KN）；

-管材受壓強(qiáng)度折減系數(shù)，可取1.00；

-管材脆性系數(shù)，可取1.00；

-管材頂管穩(wěn)定系數(shù)，可取0.36：當(dāng)頂進(jìn)長(zhǎng)度<300m時(shí)，穿越土層又均勻時(shí)，可取0.45；

-頂力分項(xiàng)系數(shù)，可取1.3；

-管道的最小有效傳力面積（mm2）；

-鋼材受壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（N/mm2）。

②頂管段總推力

式中： F-總推力（kN）；

F0-初始推力（kN）；

f0-每米管子與土層之間的綜合摩擦阻力（kN/m）。

式中： -管外徑，取1.648m；

-挖掘面前土壓力（取=150kPa）；

-地下水壓力（kPa）；

△P-附加壓力（一般取20kPa）。

=

式中：-水的密度（kg/m3）；

-地下水位到挖掘機(jī)中心深度。

式中： -綜合摩擦阻力（kPa），采用觸變泥漿注漿值；

-管外周長(zhǎng)（m）；

-每米管子的重力（kN/m）；

-管子重力在土中的摩擦系數(shù)，取0.2。

3.3 施工工藝流程

泥水平衡頂管施工方案工序多，要求高，因此在施工過(guò)程中，應(yīng)做好施工計(jì)劃，嚴(yán)格按照施工順序、施工流程進(jìn)行。其施工順序如下：

測(cè)量引點(diǎn)→工作井施工→測(cè)量放樣→井下導(dǎo)軌機(jī)架、液壓系統(tǒng)、止水圈等設(shè)備安裝→地面輔助設(shè)施安裝→頂管掘進(jìn)機(jī)吊裝就位→激光經(jīng)緯儀安裝→掘進(jìn)機(jī)出工作坑→正常頂進(jìn)→頂管機(jī)進(jìn)接收坑，如圖4所示。

3.4、 施工細(xì)部注意事項(xiàng)

管線穿越濟(jì)東高速公路要求以“邊通車，邊施工”的方式進(jìn)行頂管工程建設(shè)，對(duì)施工技術(shù)、施工質(zhì)量要求更高，因此在施工中應(yīng)嚴(yán)格按照有關(guān)施工技術(shù)要求執(zhí)行。

1）工作井方法：根據(jù)對(duì)擬建場(chǎng)地的土層特征、地下水位及施工條件的綜合分析，本工程的工作井采用排水下沉和干封底的施工方法。

2）降水方法：根據(jù)本工程的沉井施工特點(diǎn)分析，采用管井降排水結(jié)合井內(nèi)泥漿泵明排水的降水方法。采用該方法降水不但施工方便、降水效果好，而且能有效防止粉細(xì)砂土層可能發(fā)生的流砂或管涌等不良現(xiàn)象發(fā)生，以此保證工作井施工的安全和順利進(jìn)行。

3）頂管軸線控制措施：頂管要按設(shè)計(jì)要求的軸線、坡度進(jìn)行。主要是掘進(jìn)機(jī)頭部測(cè)量與糾偏的相互配合。糾偏原則為勤測(cè)勤糾和小角度糾偏。

4）地面及建筑物沉降控制措施：地表監(jiān)控采用地表觀測(cè)的方法，沿頂進(jìn)軸線的管線保護(hù)和重要區(qū)段進(jìn)行沉降跟蹤觀測(cè)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理分析后作為及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)機(jī)參數(shù)的依據(jù)，減小地面沉降量。

5）管道的頂進(jìn)在不良地層情況中，采取如下措施：

①少出土、多頂進(jìn)，保持地層的穩(wěn)定。

②在頂進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)該隨時(shí)注意工具頭前端的土壓情況，保證使工具頭前端土體不發(fā)生坍塌。

③在地質(zhì)情況復(fù)雜的地層需要加注泥漿，以增加土體和易性和平衡土體的壓力。

4、 施工優(yōu)點(diǎn)

鑒于泥水平衡頂管施工法在新鄉(xiāng)市南水北調(diào)配套工程輸水管線穿越濟(jì)東高速中的成功應(yīng)用，對(duì)其先進(jìn)性和特點(diǎn)歸納入下：

1）頂進(jìn)過(guò)程中的全自動(dòng)化控制。機(jī)械式土壓平衡系統(tǒng)同排泥系統(tǒng)結(jié)合在一起，能有效地平衡土壓和地下水的壓力，同時(shí)機(jī)械自動(dòng)地把挖掘出來(lái)的碎石、泥渣等通過(guò)管道輸送出去，有效地解決了地下水、地下構(gòu)筑物等復(fù)雜地質(zhì)條件對(duì)施工的影響，使得施工更安全、施工工藝更先進(jìn)。

2）可有效地保持挖掘面的穩(wěn)定，對(duì)所頂管子周圍的土體擾動(dòng)比較小，不影響社會(huì)交通；

3）泥水平衡頂管機(jī)操作較大，施工速度快，較復(fù)雜的地質(zhì)條件也能夠?qū)嵤?，顯著提高了生產(chǎn)效率；

4）在地下水位比較高的情況下，頂進(jìn)施工不必進(jìn)行降水作業(yè)，徹底解決了降水難度較大及滲漏造成降水無(wú)效的難題。

5 、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于泥水平衡頂管施工方法，結(jié)合穿越濟(jì)東高速工程交通保通要求，穿越部位碎石樁基礎(chǔ)、高地下水位的特殊地質(zhì)情況，針對(duì)工程施工難點(diǎn)進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，提高了泥水平衡頂管施工方法應(yīng)用范圍和施工質(zhì)量，具有創(chuàng)新性，對(duì)于類似工程，可以參照采用。該施工方法在碎石樁基礎(chǔ)中的成功應(yīng)用，一方面體現(xiàn)了該方法的優(yōu)越性和可實(shí)施性，另一方面對(duì)國(guó)內(nèi)類似工程具有普遍的指導(dǎo)意義，彰顯了巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

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