談復(fù)雜施工環(huán)境下頂管工程施工技術(shù)

董 冠 群

(中鐵二十五局集團(tuán)第一工程有限公司，廣東 廣州 510010)

1 工程簡介

珠海西部中心城區(qū)(B片區(qū))污水匯集主管頂管工程呈東—西走向，西起西湖北路，東至WA30污水檢查井，最終匯入西湖1號污水泵站。本工程污水主干管為管徑D1 000的鋼筋混凝土管，管位布置在道路中心線南側(cè)21.5 m處，范圍為金湖大道樁號K0+069～K1+217處，設(shè)計(jì)坡度為0.8‰，頂管施工長度約1 148 m，管底埋設(shè)深度約在6.3 m～7.4 m之間，采用頂進(jìn)施工，其中最大頂程155 m，最小頂程75 m。工作井采用圓形工作井5座(D=6.5 m)，分別為WA1,WA8,WA16,WA23,WA29；接收井采用圓形井5座(D=5 m)，分別為WA4，WA12，WA19，WA27，WA30；其余井為中間井，采用圓形井22座(D=2 m)，均采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，分兩節(jié)制作及下沉，均深在9 m，最深為9.958 m(WA29)。

2 問題的提出

在從4號工作井向8號工作井頂進(jìn)過程中，頂進(jìn)至第44節(jié)管時遇到障礙物，里程為K0+307(包含頂管鉆頭)，當(dāng)時頂力在兩臺320 t千斤頂同時頂進(jìn)時達(dá)到9 MPa，刀盤電流達(dá)到40 A，刀盤被卡死，無法啟動機(jī)器。按現(xiàn)在這種土層的土質(zhì)，沒有障礙物的情況下，正常勻速頂進(jìn)過程中，刀盤電流一般在10 A左右，電流不會波動。而本次在頂進(jìn)至里程K0+306.5時電流慢慢升到25 A，電流波動較大，之后又慢慢頂進(jìn)幾厘米,停了下來，但電流一直降不下來，后又繼續(xù)向前頂進(jìn)了約50 cm，到里程約K0+307時，電流突然漲到40 A，刀盤被卡死，無法再啟動機(jī)器。

3 出現(xiàn)問題的原因

1)根據(jù)設(shè)計(jì)資料，場地地層按自上而下的順序可分3個工程地質(zhì)層，共4小層?，F(xiàn)按由上至下的順序分述如下：①填筑土、②淤泥、③1粗砂、③2亞粘土。其中頂進(jìn)范圍均位于淤泥層，現(xiàn)頂進(jìn)設(shè)備無法啟動，鉆頭被卡死，說明實(shí)際地質(zhì)情況與設(shè)計(jì)不符，鉆頭前方有塊石，影響設(shè)備正常頂進(jìn)。

2)頂進(jìn)過程中，操作手急功近利，特別是剛剛接觸障礙物的時候，千斤頂頂力過大，刀盤轉(zhuǎn)速太快造成卡死。

3)因管位范圍地下水位高于管線，管井施工過程中地下水滲入涵管內(nèi)導(dǎo)致管內(nèi)外壓力失衡，頂管偏離設(shè)計(jì)位置。

4 處理方案及結(jié)果

4.1 方案選擇

遇到這種情況，必須取出障礙物，方能斷續(xù)向前頂進(jìn)，而且處理時間不宜過久，因?yàn)闀r間越長，土體對混凝土管握緊力越大，使頂力不斷增大，容易造成混凝土管承受不住壓力而破壞。

為取出鉆頭前方障礙物，擬采取打豎井(天窗)取出障礙物的處理方法，由于目前遇到障礙物處位于8號井附近，管道埋設(shè)深度為6.5 m，開挖深度較深，又因管道上方有高壓線，為確保安全，考慮降低既有地面標(biāo)高后采用4 m×4 m的9 m拉森Ⅳ型鋼板樁支護(hù)，并沿四個直角設(shè)置[12.6槽鋼角撐，共設(shè)置兩層?；?0 m范圍內(nèi)的挖土應(yīng)及時運(yùn)離現(xiàn)場，并禁止作為堆放材料及器械的場地，施工中應(yīng)注意進(jìn)行位移、沉降、隆起觀測，若發(fā)現(xiàn)異常情況，及時采取有效施工措施處理，確保施工安全，見圖1，圖2。

由于施工現(xiàn)場上空受高壓線限制，為預(yù)留安全距離，宜打設(shè)9 m長鋼板樁。設(shè)原地面標(biāo)高為h0,開挖后地面標(biāo)高為h1,設(shè)計(jì)管底標(biāo)高為h2，為滿足受力要求，保證h1-h2=4.5 m。本天窗h0=2.95 m,h2=3.6 m,故開挖深度Δh=h0-h2-4.5=2.05 m。

4.2 方案驗(yàn)算

4.2.1鋼板樁受力模型分析

鋼板樁主要受力情況：挖機(jī)在基坑邊作業(yè)的施工荷載、圍堰內(nèi)外土層對鋼板樁壓力差、圍檁對鋼板樁的支撐力的作用。開挖時土方即挖即運(yùn)，不計(jì)堆土的荷載。

回填土：內(nèi)摩擦角φ=20°，粘結(jié)力c=0 kPa，天然容重γ=20 kN/m3。

支護(hù)擬采用拉森Ⅳ型鋼板樁，抗彎強(qiáng)度值：[f]=215 MPa，W=2 037 cm3。施工荷載取30 kN/m2，距離基坑邊1 m范圍外。

則主、被動土壓力系數(shù)Ka,Kp為[1,2]：

鋼板樁受力分布如圖3所示。

4.2.2驗(yàn)算鋼板樁的入土深度

為使鋼板樁保持穩(wěn)定，在B點(diǎn)的力矩必須滿足EaHa+E土H土-EpHp≤0，先按經(jīng)驗(yàn)假設(shè)鋼板樁入土深度為4.5 m，可知：

E土=P荷×(4.5-1.43)=45.1 kN；

代入數(shù)據(jù)可得下式：

EaHa=E土H土-EpHp=

396.9×4+45.1×1.25-413.1×5.5=-628.1≤0。

故鋼板樁的入土深度能滿足要求。

4.2.3計(jì)算圍檁支撐的反力RB

根據(jù)上式EaHa+E土H土-EpHp=0，現(xiàn)對A點(diǎn)求力矩。則有:

EaHa-E土H土-EpHp=RBHB;

E土=P荷×(4.5-1.43)=45.1 kN;

可計(jì)算得RB=32.27 kN。

4.2.4鋼板樁抗彎穩(wěn)定性驗(yàn)算

可知拉森Ⅳ型鋼板樁能滿足要求。

4.2.5內(nèi)支撐強(qiáng)度檢算

圍檀采用HW300×300×10×15，斜支撐采用[12.6槽鋼，經(jīng)分析知，圍檀最大彎矩在跨中Mmax=32.27×22-32.27×1=96.81 kN·m，圍檀的抗彎模量W=902 cm3。

由此可知圍檁支撐能滿足要求。

4.3 方案實(shí)施

4.3.1施工準(zhǔn)備

鋼板樁進(jìn)場前需要檢查整理，發(fā)現(xiàn)缺陷隨時調(diào)整，整理后在運(yùn)輸和堆放時盡量不使其彎曲變形，尤其不能將連鎖口碰壞。樁打入前將樁尖處的凹槽底口封閉，避免泥土擠入，鎖口宜涂以黃油或其他油脂，對鎖口變形、銹蝕嚴(yán)重的鋼板樁，整修矯正。轉(zhuǎn)角處采用90°的轉(zhuǎn)角樁。

4.3.2施工放樣

先由技術(shù)人員計(jì)算鉆頭的位置，以鉆頭為中心，外擴(kuò)2 m定出基坑的四個角點(diǎn)，然后撒石灰線或者掛繩線作為導(dǎo)線，打樁時利用導(dǎo)線控制鋼板樁的軸線。

4.3.3插打鋼板樁

插打鋼板樁之前需破除混凝土路面，用挖掘機(jī)挖至標(biāo)高h(yuǎn)1后再進(jìn)行鋼板樁施工。鋼板樁采用液壓振動錘插打，插打鋼板樁時須有專人指揮，并人工扶正就位；插打順序從鉆頭一側(cè)向另一側(cè)合龍，每邊由一角插至另一角；插打時先將全部鋼板樁逐根插打穩(wěn)定，然后依次打至設(shè)計(jì)高程，注意樁頂高程不宜相差太大，且鋼板樁須比地面至少高出30 cm，以防物體墜落基坑。

4.3.4基坑開挖及支撐焊接

鋼板樁插打到位后，然后開始基坑開挖，開挖過程中應(yīng)分層開挖，避免破壞頂進(jìn)設(shè)備及混凝土涵管。首先挖至1 m深后，再進(jìn)行第一層圍檁焊接及角撐施工。確保安全穩(wěn)固后繼續(xù)開挖至3 m，然后施工第二層圍檁及角撐。然后繼續(xù)開挖，直至找到阻礙設(shè)備前進(jìn)的障礙物。開挖過程中，對于挖機(jī)挖不到位的地方，可先用人工清理。開挖好以后，基坑四周須做好排水溝和集水井，及時抽排基坑內(nèi)的地下水。

4.3.5取障礙物

開挖至鉆頭處發(fā)現(xiàn)障礙物后，先用鐵錘將其擊碎，然后分塊取出來，直至清理干凈，確保鉆頭前方無堅(jiān)硬石塊。

4.3.6基坑回填及拔鋼板樁

在鉆頭前方石塊清理干凈后需及時回填基坑，回填料為粘土，切不可含有堅(jiān)硬石頭。由于基坑開挖較深，需基坑全部回填壓實(shí)以后方可拔除。在拔除前，先將基坑回填至圍檁底部，然后將圍檁支撐拆除并回填至地面標(biāo)高，最后拔除鋼板樁。

4.3.7涵管頂進(jìn)

鋼板樁拔除并按要求分層壓實(shí)后即可進(jìn)行涵管頂進(jìn)。開始頂進(jìn)時，頂力不宜過大，必須緩慢提高鉆頭刀盤轉(zhuǎn)速直至電流穩(wěn)定。設(shè)備正常啟動后，施頂過程中，為減小地面沉降和管外壁與土層的摩擦力，在施頂過程中應(yīng)向管外壁注送膨脹潤土泥漿，每隔兩節(jié)管安裝一組注漿管系。

5 結(jié)語

珠海西部中心城區(qū)(B片區(qū))污水匯集主管頂管工程地質(zhì)復(fù)雜，地下水位高，與設(shè)計(jì)資料不符。施工過程中，項(xiàng)目部全體人員勇于探索，敢于嘗試，于2017年12月底全部頂通，如期完成了業(yè)主和金灣區(qū)的工期目標(biāo)。在地下頂進(jìn)作業(yè)中，由于勘探資料不詳細(xì)，或者勘探資料更新不及時等，頂進(jìn)時經(jīng)常會遇到實(shí)際地質(zhì)與設(shè)計(jì)地質(zhì)資料不符的情況。因此在施工前要組織較強(qiáng)的技術(shù)力量做好現(xiàn)場勘查與驗(yàn)證，同時做好必要的預(yù)控方案，避免類似情況的發(fā)生，施工過程中出現(xiàn)問題，及時采取措施，避免窩工而增加成本。本工程的研究在地下暗挖、頂進(jìn)方面積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，也為以后其他類似工程提供了參考依據(jù)，具有廣泛的推廣應(yīng)用價值。

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