淺析大直徑砼圓形頂管在綜合管廊中的應(yīng)用

薛孟斌 雷超雯 惠寅濤 何加陽(yáng)

中建新疆建工（集團(tuán)）有限公司西北分公司 陜西 710000

1 前言

1.1 管廊建設(shè)存在的困難

地下綜合管廊是保障城市運(yùn)行的重要基礎(chǔ)設(shè)施和生命線，其作用能夠有效解決市政管線維修時(shí)在城市道路中不斷反復(fù)開(kāi)挖，避免城市地上“馬路式拉鏈”、空中“蜘蛛網(wǎng)”等問(wèn)題，在節(jié)約市政管線維修費(fèi)用的同時(shí)還可以避免由于重復(fù)開(kāi)挖道路對(duì)交通、市容以及周邊居民生活所造成的不良影響。目前國(guó)家正在大力推進(jìn)綜合管廊的建設(shè)，在建設(shè)過(guò)程中也遇到一些問(wèn)題，如遇到城市交通繁忙、環(huán)境景觀要求高、無(wú)法實(shí)施開(kāi)挖作業(yè)的地區(qū)、地質(zhì)條件差等問(wèn)題。這時(shí)頂管施工技術(shù)與地下綜合管廊的相結(jié)合有效解決建設(shè)過(guò)程中所遇到的困難。

1.2 頂管施工技術(shù)

頂管施工作為非開(kāi)挖敷設(shè)管道施工方法。頂管法施工就是在工作井內(nèi)借助于頂進(jìn)設(shè)備產(chǎn)生的頂力，克服管道與周?chē)馏w摩擦力，將管道按設(shè)計(jì)的坡度頂入土中。第一節(jié)管節(jié)完成頂入土層之后，再下第二節(jié)管節(jié)繼續(xù)頂進(jìn)。其原理是借助于主頂油缸及中繼間等推力，把工具管或掘進(jìn)機(jī)從工作井內(nèi)穿過(guò)土層一直推進(jìn)到接收井內(nèi)吊起。管道緊隨工具管或掘進(jìn)機(jī)后，埋設(shè)在兩口工作井之間。

1.3 頂管施工在管廊工程中的優(yōu)勢(shì)

城市地下綜合管廊建設(shè)為解決城區(qū)內(nèi)架空線網(wǎng)落地、恢復(fù)城市面貌及道路空間的利用等問(wèn)題，其建設(shè)往往均在老舊城區(qū)內(nèi)施工，如使用明挖開(kāi)挖方法勢(shì)必造成城市的交通擁堵、環(huán)境污染、影響周邊居民等負(fù)面影響。使用頂管施工非開(kāi)挖施工方法具有經(jīng)濟(jì)、高效、保護(hù)環(huán)境的綜合功能，其優(yōu)點(diǎn)為：開(kāi)挖地面道路小、拆遷破壞地面建構(gòu)筑物范圍小、施工作業(yè)面小、保證周邊建筑物安全和地面交通正常運(yùn)行，減少對(duì)社會(huì)的影響等優(yōu)點(diǎn)。

通過(guò)大直徑砼圓形頂管管節(jié)與預(yù)埋槽道技術(shù)相結(jié)合，其斷面尺寸大可包含電力、通信、使用功能性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性與宜施工性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，將BIM技術(shù)全面應(yīng)用綜合管廊的設(shè)計(jì)、施工全過(guò)程，通過(guò)方案模擬、深化設(shè)計(jì)、資源配置、管線綜合、碰撞檢查和虛擬漫游等應(yīng)用，避免設(shè)計(jì)錯(cuò)誤及施工返工，使建造過(guò)程取得良好的經(jīng)濟(jì)、工期效益，并為后期運(yùn)營(yíng)提供了信息化基礎(chǔ)。

2 工程應(yīng)用案例

2.1 工程概況

西安市地下綜合管廊建設(shè)PPP項(xiàng)目Ⅰ標(biāo)段蓮湖區(qū)桃園路纜線管廊。纜線管廊主要收納管線為電力、通信電纜，全長(zhǎng)1967米。全線采用頂管施工，艙室斷面尺寸為圓形內(nèi)直徑2.4米，纜線管廊內(nèi)電纜、通信支架采用預(yù)埋槽道安裝技術(shù)。

2.2 地質(zhì)水文

根據(jù)勘察資料，依據(jù)巖性、顆粒組成、成因、工程特性等指標(biāo)，基坑開(kāi)挖深度范圍內(nèi)地基土自上而下劃分為：素填土、黃土狀土、中粗砂。

根據(jù)地區(qū)地下水潛水位的一般動(dòng)態(tài)變化規(guī)律分析，勘察期間為高水位期，測(cè)得穩(wěn)定水位埋深4.00～8.50m，相應(yīng)標(biāo)高389.65～396.90m。

3 頂進(jìn)施工關(guān)鍵點(diǎn)控制

3.1 設(shè)備選型

本工程頂管段地質(zhì)主要為砂層，地下水豐富。根據(jù)計(jì)算土體穩(wěn)定系數(shù)，并參照《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》（CECS246-2008）設(shè)計(jì)管線主要位于中粗砂層?？紤]其經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、地下管線、可實(shí)施操作性、地質(zhì)情況等多項(xiàng)重要因素，本工程確定對(duì)砂層較厚區(qū)間段采用泥水平衡。

3.2 進(jìn)出洞口加固

工作井進(jìn)出洞口加固采用高壓旋噴樁進(jìn)行加固，樁徑50cm，樁間距40cm，排間距40cm。加固范圍為頂管方向0.9m（即兩排高壓旋噴樁），垂直頂管方向加固尺寸與節(jié)點(diǎn)井寬度相同，豎向加固范圍為上下各超出洞口3m。樁體固化劑選用強(qiáng)度等級(jí)為42.5的普通硅酸鹽水泥，其水泥摻量應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)確定，用量不小于200kg/m，高壓漿液壓力不小于20MPa，水灰比宜采用1：1，加固土體強(qiáng)度應(yīng)大于2MPa。

3.3 頂管進(jìn)洞止水方式

頂管施工工作井進(jìn)洞與出洞、管節(jié)與洞口之間應(yīng)進(jìn)行間隙預(yù)留，并做好封閉工作。為防止掘進(jìn)機(jī)入洞時(shí)地下水涌入工作坑，在頂進(jìn)方向的墻壁上安裝止水環(huán)。首先，進(jìn)行測(cè)量，確定止水環(huán)安裝的位置；其次，將止水環(huán)底圈固定到墻壁上，封閉底圈與墻壁之間的縫隙；然后，在底圈上固定防水橡膠板；最后，安裝止水圈壓板。

3.4 頂進(jìn)測(cè)量

1）由激光經(jīng)緯儀、全站儀、水準(zhǔn)儀組成測(cè)量系統(tǒng)。

2）頂管機(jī)機(jī)頭的方向主要受導(dǎo)軌安裝方向控制，一方面要減慢主頂推進(jìn)速度；另一方面要不斷地調(diào)整油缸糾偏。

3）嚴(yán)格控制前5-10m的管道頂進(jìn)偏差，其中心偏差不得大于3mm，高低偏差0～+3mm。在頂進(jìn)過(guò)程中堅(jiān)持“勤測(cè)、緩糾”的原則。糾偏角度保持在10′～20′，不大于1°。

4）頂進(jìn)過(guò)程中根據(jù)頂力變化和偏差情況隨時(shí)調(diào)整頂進(jìn)速度，速度一般控制在50mm/min左右，最大不超過(guò)70mm/min。

5）頂進(jìn)中嚴(yán)密注意頂進(jìn)時(shí)的方向及頂力的大小變化，對(duì)于頂管處于不良地層時(shí)，出現(xiàn)機(jī)具兩側(cè)的受力不均勻現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)調(diào)整機(jī)具的工作狀態(tài)，以保證頂管方向準(zhǔn)確。

3.5 頂進(jìn)糾偏

1）頂進(jìn)中發(fā)現(xiàn)管位偏差10mm左右，即應(yīng)進(jìn)行校正。糾偏校正應(yīng)緩慢進(jìn)行，使管節(jié)逐漸復(fù)位，不得猛糾硬調(diào)。

2）穿墻和糾偏階段要求每頂進(jìn)10～30cm測(cè)量一次，正常頂進(jìn)階段為50～100cm測(cè)量一次。

3）頂管機(jī)糾偏過(guò)程中，要在網(wǎng)格底上繪制頂管機(jī)的測(cè)點(diǎn)軌跡，推算出其行進(jìn)軌跡，根據(jù)行進(jìn)軌跡及時(shí)調(diào)整糾偏角度，避免糾偏過(guò)大產(chǎn)生過(guò)度彎曲，管軸線偏差不允許大起大落。

4）糾偏控制由糾偏千斤頂進(jìn)行，頂管機(jī)共有糾偏千斤頂4個(gè)，糾偏角度為2.5°，能上、下、左、右4個(gè)方向進(jìn)行全方位糾偏。一般情況下，每次糾偏角度≤0.5°，以適當(dāng)?shù)那拾霃街鸩交氐捷S線上，做到精心施工。

5）糾偏由激光經(jīng)緯儀發(fā)出的激光束照射在位于鉆掘系統(tǒng)的光靶上。根據(jù)測(cè)得的偏斜數(shù)據(jù)，操縱液體糾偏系統(tǒng)，使掘進(jìn)系統(tǒng)前部鉸接的機(jī)頭產(chǎn)生偏擺，從而實(shí)現(xiàn)鋪管方向的調(diào)節(jié)。

3.6 泥漿減阻及注漿

頂管施工中注漿作用機(jī)理主要為：一是起潤(rùn)滑作用，二是起填補(bǔ)和支撐作用。泥漿能將管道與土體之間的干摩擦變?yōu)闈衲Σ?，從而減小頂進(jìn)時(shí)的摩擦阻力。漿液在填補(bǔ)管道與土體之間空隙的同時(shí)，還可在注漿壓力下減小土體變形，使土體穩(wěn)定。

本工程注漿采用膨潤(rùn)土泥漿。膨潤(rùn)土泥漿又稱(chēng)觸變泥漿，是由膨潤(rùn)土、粉末化學(xué)漿糊（CMC）、純堿和水按一定比例配方組成。

現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，采用注漿管頂進(jìn)。注漿管與一般管道搭配比為1：1。注漿管每節(jié)管設(shè)置注漿孔8個(gè)，注漿孔在管內(nèi)45°布置，注漿孔采用DN50不銹鋼管帶翼環(huán)在管節(jié)預(yù)制澆筑時(shí)預(yù)埋，注漿完成后應(yīng)立即封堵注漿孔。

頂進(jìn)施工完成以后，應(yīng)及時(shí)對(duì)頂管外側(cè)孔隙進(jìn)行注漿填充，以防止上部路面、管道或建構(gòu)筑物出現(xiàn)沉降變形。

3.7 漿液置換

1）泥漿置換

泥漿置換即在單段頂管完成后及時(shí)采用水硬性材料置換管道外壁膨潤(rùn)土泥漿，使管道外壁形成強(qiáng)度較大的漿壁，能承受上覆土壓力的作用，避免孔壁的坍塌；另外，摻入膨脹劑具有補(bǔ)償收縮性能的水泥漿還能降低原注泥漿的收縮，從而減少沉降發(fā)生；本頂管施工置換泥漿是由高鈣粉煤灰、水泥和石膏拌制的粉煤灰水泥漿。

2）置換原理：每二節(jié)混凝土管編為一組，分為注漿孔與排漿孔。將注漿泵清洗干凈，帶閥門(mén)的吸漿管放入灰漿池內(nèi)；開(kāi)啟注漿泵，打開(kāi)第一組注漿孔進(jìn)行注漿；當(dāng)?shù)谝唤M排漿孔冒出灰漿后關(guān)閉閥門(mén)，再打開(kāi)第二組；以此類(lèi)推，直到全線完成，再關(guān)閉所有閥門(mén)，保壓三十分鐘，保壓壓力1MPa。

3）封孔

（1）清除注漿孔管壁外側(cè)的置換水泥漿，清除范圍為：注漿孔周圈5cm，管壁垂向深度1.5cm。將注漿孔和管壁清洗干凈，不得破壞保護(hù)層，待監(jiān)理工程師驗(yàn)收合格后方可注入瀝青。

（2）注入熱瀝青：瀝青充滿(mǎn)清除范圍及管壁開(kāi)孔，宜采取壓注工具及排氣措施。

（3）待瀝青在自重狀態(tài)下失去流動(dòng)性時(shí)立即將配套的不銹鋼螺栓擰入，利用螺桿推力將塑性瀝青壓出管壁。

（4）將不銹鋼螺桿外露部分刷涂瀝青防銹、防腐。

4應(yīng)用情況

以西安市地下綜合管廊建設(shè)PPP項(xiàng)目I標(biāo)段蓮湖區(qū)桃園路纜線管廊為載體全線采用圓形砼頂管施工，本工程位于老城區(qū)內(nèi)施工，其地質(zhì)條件差、道路交通繁忙、地下不明管線復(fù)雜、周邊環(huán)境影響壓力大、施工工期緊張等問(wèn)題，通過(guò)采用圓形砼頂管施工技術(shù)以少開(kāi)挖方式縮短施工區(qū)域緩解交通壓力進(jìn)行機(jī)械頂管施工，做到了少開(kāi)挖、少污染將對(duì)周邊影響降到最低，有效解決在老舊城區(qū)內(nèi)施工交通繁忙、地下管線復(fù)雜、施工難度大、工期緊張等問(wèn)題，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益，也為周邊居民商戶(hù)早日提供綜合管廊建設(shè)所帶來(lái)的民生需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著國(guó)家大力發(fā)展市政公用基礎(chǔ)設(shè)施地下化和集約化，綜合管廊正如火如荼建設(shè)中，大直徑圓形頂管具有施工安全、施工質(zhì)量高、使用壽命時(shí)間長(zhǎng)、施工速度快、經(jīng)濟(jì)效益高、對(duì)地面環(huán)境影響小的優(yōu)勢(shì)，更能體現(xiàn)設(shè)計(jì)施工“以人為本”的理念，將在未來(lái)的管廊建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，為老城區(qū)更好、更快的建設(shè)貢獻(xiàn)技術(shù)力量。