復(fù)雜地質(zhì)條件下頂管施工效率及影響因素研究

(中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢 430010)

隨著人口快速增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)快速提升，地面土地資源的占用率日益增多，頂管施工技術(shù)因不需要地面開(kāi)挖[1-2]、不破壞地表建筑物[3-4]而在地下工程施工中被廣泛使用。頂管施工分為人工頂管和機(jī)械頂管施工[5]，人工頂管施工主要通過(guò)人工在管道內(nèi)進(jìn)行挖掘的同時(shí)由液壓油頂向前頂進(jìn)，操作簡(jiǎn)單靈活且具有挖土保護(hù)和糾偏功能，但施工中人的勞動(dòng)強(qiáng)度大，且具有一定的人員安全風(fēng)險(xiǎn)[6]。機(jī)械頂管施工是在我國(guó)掘進(jìn)設(shè)備研究水平逐漸提升的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，適用范圍更廣、 施工速度更快、管理更加方便、安全性更高[7-8]，目前常用的機(jī)械頂管等施工方法有泥水平衡、土壓平衡、氣壓平衡機(jī)械頂管等施工方法， 其中泥水平衡機(jī)械頂管施工應(yīng)用最為廣泛。

人工頂管和機(jī)械頂管均廣泛應(yīng)用于地下工程施工，不同的地質(zhì)條件下兩者的施工效率差別很大，查閱文獻(xiàn)后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有研究較少深入分析人工頂管和機(jī)械頂管施工效率的變化規(guī)律及其影響因素，而提高頂管施工效率對(duì)保障工程質(zhì)量和控制工程進(jìn)度有著非常重要的作用?；诖耍疚囊院笔∥錆h市江夏區(qū)清水入江二期工程——山洪外引之齊心水庫(kù)引流工程為例，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究了人工頂管與泥水平衡機(jī)械頂管施工效率的變化規(guī)律，深入分析了不同類型頂管施工效率的影響因素，并提出了提升頂管施工效率的建議，可為類似工程提供參考借鑒。

1 工程概況

1.1 工程布置

湖北省武漢市清水入江二期工程——山洪外引之齊心水庫(kù)引流工程起點(diǎn)位于武咸城際鐵路東側(cè)，途經(jīng)齊心水庫(kù)至向陽(yáng)巷，全長(zhǎng)約1.74 km，服務(wù)匯水面積為1.2 km2，終端匯合流量18 m3/s。齊心水庫(kù)引流工程下游自齊心水庫(kù)新建溢流涵開(kāi)始，出水沿江花大道向北400 m后向東排入向陽(yáng)港，管道埋深為6.64～11.38 m。頂管施工段為DK0+216～DK0+765，在DK0+216及DK0+623處設(shè)置2座圓形頂管工作井，施工全長(zhǎng)約1 092.4 m，鋪設(shè)雙排DN2200 的Ⅲ級(jí)鋼筋混凝土管，管道接口形式為 F 型鋼承口，頂管段平面布置見(jiàn)圖1。DK0+623～DK0+765早期已頂進(jìn)完成，本文主要分析DK0+216～DK0+623段頂管施工效率。

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)施工勘察報(bào)告，現(xiàn)場(chǎng)主要特殊性巖土為素填土、紅黏土和風(fēng)化巖。素填土主要為人工堆填而成，松散，由黏性土、碎塊石組成，塊石母巖主要為石英質(zhì)砂巖和石灰?guī)r，塊徑及含量不均，含量在40%～65%之間，粒徑0.6～1.0 m。堆填時(shí)間小于10 a。填土呈總體松散狀，欠固結(jié)，均勻性及穩(wěn)定性差，透水性較強(qiáng)。

圖1 頂管段平面布置Fig.1 Layout of pipe-jacking section

該工程頂管地處山體滑坡體，地質(zhì)情況非常復(fù)雜，勘察難度較大加之現(xiàn)有勘察手段鉆孔間距精度較低，且數(shù)量有限，難以準(zhǔn)確判定地下孤石的情況。為保證施工質(zhì)量的同時(shí)加快施工進(jìn)度，最終依據(jù)勘察報(bào)告中所述DK0+316～DK0+400段存在較多石英質(zhì)砂巖和石灰?guī)r孤石含量，選用人工頂工藝；而DK0+216～DK0+316和DK0+623～DK0+400段以原狀穩(wěn)定黏土層為主，孤石含量較少，因而這兩段采用泥水平衡機(jī)械頂管施工。

2 頂管施工工藝

2.1 人工頂管施工

人工頂管施工主要通過(guò)施工人員在管道內(nèi)挖掘的同時(shí)由液壓油頂向前頂進(jìn)，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大且在施工過(guò)程中存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)。另外，人工頂管施工易形成地面下沉，工作效率偏低。其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單靈活，具有挖土保護(hù)和糾偏功能，較容易處理地下管線。人工頂管施工技術(shù)在地下管線工程施工的應(yīng)用效果良好[9]，其施工工藝示意見(jiàn)圖2。

圖2 人工頂管工藝示意Fig.2 Sketch of manual pipe-jacking technology

2.2 泥水平衡機(jī)械頂管施工

泥水平衡機(jī)械頂管施工是在頂進(jìn)管道前安裝機(jī)械切削式頂管機(jī)，施工時(shí)將加壓的泥水送入機(jī)頭內(nèi)的泥水壓力室，以保證開(kāi)挖面的穩(wěn)定，同時(shí)將刀盤(pán)切削下來(lái)的土砂以泥水的形式由排泥管道輸送到地面的頂管工法。泥水平衡頂管工法的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，主要是因?yàn)椴捎媚嗨胶饫碚撛O(shè)計(jì)的頂管機(jī)具有雙重平衡功能，即它的全斷面大刀盤(pán)能自動(dòng)平衡頂進(jìn)正面土體的土壓力，穩(wěn)定土層的同時(shí)向前掘進(jìn)[10]。相比其他頂管方式，此方式極大提高了管道施工質(zhì)量和施工效率，減少了人工勞動(dòng)力。本文中的機(jī)械頂管特指泥水平衡機(jī)械頂管，施工工藝示意見(jiàn)圖3。

圖3 泥水平衡機(jī)械頂管工藝示意Fig.3 Sketch of mechanical pipe-jacking technology

3 施工效率及影響因素分析

3.1 人工頂管與泥水平衡機(jī)械頂管施工效率

圖4為實(shí)際施工工程中單邊管道人工頂管和泥水平衡機(jī)械頂管頂進(jìn)時(shí)間-頂進(jìn)長(zhǎng)度曲線圖，圖5為單邊全標(biāo)段人工和泥水平衡機(jī)械頂管施工速度變化圖。由圖4～5可知，人工頂管施工頂進(jìn)初期(DK0+316～DK0+326)和末期(DK0+390～DK0+400)速度極低(0.8m/d)，全段平均頂進(jìn)速度為2.5m/d。人工頂管頂進(jìn)速度呈現(xiàn)出先慢后快再顯著降低的特征，且人工頂管曲線圖較為曲折，頂進(jìn)速度不穩(wěn)定，起伏較大。

圖4 人工和泥水平衡機(jī)械頂管頂進(jìn)時(shí)間/頂進(jìn)長(zhǎng)度曲線Fig.4 Manual and mechanical pipe-jacking time and length graph

泥水平衡機(jī)械頂管頂進(jìn)速度遠(yuǎn)大于人工頂管，整體頂進(jìn)速度為10.6m/d，其中DK0+216～DK0+316和DK0+623～DK0+400段平均頂進(jìn)速度分別為8.3

圖5 人工和泥水平衡機(jī)械頂管頂進(jìn)速度條形圖Fig.5 Bar chart of manual and mechanical pipe-jacking velocity

m/d和11.7m/d。機(jī)械頂管頂進(jìn)速度初期和末期亦較低，呈現(xiàn)出先慢后快再顯著降低的特征，其中DK0+216～DK0+316段后期頂進(jìn)速度顯著降低為4m/d，DK0+623～DK0+400段后期頂進(jìn)速度顯著降低為5 m/d。

3.2 影響因素

將影響該工程頂管施工效率的5個(gè)主要因素——人工、材料、機(jī)械、環(huán)境和測(cè)量整合成魚(yú)骨圖(見(jiàn)圖6)，分別分析人工和泥水平衡機(jī)械頂管施工效率的影響因素。

圖6 人工頂管和泥水平衡機(jī)械頂管效率原因分析魚(yú)骨圖Fig.6 Efficient analysis of manual pipe-jacking andmechanical pipe-jacking

(1) 人工影響。施工人員的施工經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)培訓(xùn)等是人工頂管和泥水平衡機(jī)械頂管施工中的主要因素。人工頂管中施工人員是主要?jiǎng)趧?dòng)力，泥水平衡機(jī)械頂管也需全程人工，但僅僅是操作維護(hù)相關(guān)設(shè)備。施工準(zhǔn)備時(shí)現(xiàn)場(chǎng)施工人員均應(yīng)接受培訓(xùn)和交底，否則會(huì)導(dǎo)致，作業(yè)操作不當(dāng)、施工效率大幅降低、甚至無(wú)證人員上崗的違規(guī)行為?，F(xiàn)場(chǎng)查閱該工程三級(jí)交底和培訓(xùn)資料，了解到交底和培訓(xùn)資料完善，人員資格證書(shū)齊全且具備長(zhǎng)期頂管施工經(jīng)驗(yàn)。

(2) 材料影響。頂管管材的抗壓性能、吊裝效率和供貨是否及時(shí)極大影響頂管施工效率。該工程采用直徑2.2 m的鋼筋混凝土管，管材質(zhì)量達(dá)標(biāo)。根據(jù)計(jì)算，可知頂進(jìn)中最大頂進(jìn)壓力小于管材最大抗壓值，符合規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。管材由吊車吊裝進(jìn)入工作井，因交通問(wèn)題，頂管后期管材出現(xiàn)供貨不足現(xiàn)象，這影響了施工效率。

(3) 機(jī)械影響。頂管工藝中機(jī)械設(shè)備的調(diào)試、選用和本身性能對(duì)頂管效率影響較大。人工頂管中油缸頂力的大小需和人工挖掘速度配合一致。機(jī)械頂管中如果機(jī)械設(shè)置不當(dāng)導(dǎo)致頂力不足或排泥速度慢，頂管效率均會(huì)大幅降低。該工程所使用機(jī)械均根據(jù)勘察資料定制，符合規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。在DK0+390～DK0+400段人工頂管施工期間因油缸故障導(dǎo)致頂力不足，降低了頂進(jìn)效率。

(4) 環(huán)境影響。對(duì)于人工頂管和機(jī)械頂管，地質(zhì)條件均為影響施工效率的決定性的因素。該工程頂管段地處山坡上，地質(zhì)情況非常復(fù)雜，現(xiàn)有的勘察技術(shù)很難準(zhǔn)確判定地質(zhì)情況，補(bǔ)充勘查資料顯示，頂管段存在石英砂巖孤石，導(dǎo)致泥水平衡機(jī)頭根本無(wú)法頂進(jìn)，施工效率極低。最終采取更換挖掘工具、人工頂管施工等措施，完成了該孤石段頂管施工。

(5) 測(cè)量影響。測(cè)量工作是頂管工程施工質(zhì)量的關(guān)鍵，將直接影響到管線線形的平順，甚至影響到頂管的順利貫通，因此需精細(xì)實(shí)施，確保無(wú)誤。人工頂管由測(cè)量人員將管道中心作為頂管中心的測(cè)量基線，將地面上的臨時(shí)水準(zhǔn)點(diǎn)作為頂管高程測(cè)量的臨時(shí)水準(zhǔn)點(diǎn)。泥水平衡機(jī)械頂管采用激光經(jīng)緯儀進(jìn)行測(cè)量，將激光經(jīng)緯儀置于管口正中，激光通過(guò)管道打到機(jī)頭倉(cāng)內(nèi)“靶”上，操作人員可以在操作室影像屏幕上實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。無(wú)論是人工頂管還是泥水平衡機(jī)械頂管，都要做到勤測(cè)量、勤糾偏、微糾偏。該工程頂管測(cè)量資料齊全，復(fù)檢記錄完善，儀器檢測(cè)記錄合格，全過(guò)程施工測(cè)量均滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

文獻(xiàn)和相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)表明，人工頂管的理想頂進(jìn)速度是5 m/d，泥水平衡機(jī)械頂管是10～15 m/d，而該工程中實(shí)際頂管效率明顯偏低。將頂管施工效率穩(wěn)定的每一段樁號(hào)對(duì)照人、材、機(jī)、環(huán)、測(cè)五大影響因素列出示于表1，未產(chǎn)生影響的因素標(biāo)記“√”，產(chǎn)生影響的因素標(biāo)記“×”。

從表1可以看出泥水平衡機(jī)械頂管頂初期效率正常，而頂進(jìn)至接近人工頂管區(qū)域時(shí)，效率大幅降低，這是因?yàn)槭苋斯ろ敼軈^(qū)域內(nèi)的地質(zhì)條件影響顯著。人工頂管頂進(jìn)初期，地質(zhì)情況的惡劣程度超出預(yù)期，導(dǎo)致施工人員準(zhǔn)備不足，頂進(jìn)效率較低，在DK0+326～DK0+390標(biāo)段時(shí)更換了施工工具和措施，如電鎬、風(fēng)鉆和火燒等，施工效率明顯提高，但DK0+390～DK0+400標(biāo)段因深度增加導(dǎo)致人工在管內(nèi)施工困難增大，頂管管材出現(xiàn)短缺，隨著頂進(jìn)距離的增加，排泥速度減慢等問(wèn)題，施工效率再次大幅降低。綜合所有影響因素，對(duì)該工程頂管施工效率影響最大的因素是環(huán)境影響，也即地質(zhì)條件。

表1 齊心水庫(kù)引流工程頂管效率低的五大因素分析Tab.1 Five influence factors of low pipe-jacking efficiency in Qixin Reservoir drainage engineering

4 結(jié)論與建議

本文以江夏區(qū)清水入江二期工程——山洪外引之齊心水庫(kù)引流工程中人工頂管與泥水平衡機(jī)械頂管施工為例，分析復(fù)雜地質(zhì)條件下不同類型頂管施工效率及其影響因素，并據(jù)此提出提升頂管施工效率的建議，主要結(jié)論與建議如下。

(1) 泥水平衡機(jī)械頂管施工效率遠(yuǎn)高于人工頂管，且泥水平衡機(jī)械頂管頂進(jìn)速度比較穩(wěn)定，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較好時(shí)應(yīng)優(yōu)先選擇泥水平衡機(jī)械頂管施工。當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較差如遇大型孤石等機(jī)械頂管無(wú)法使用時(shí)，可選用人工頂管施工。

(2) 地質(zhì)條件是影響頂管施工效率的最主要因素。施工準(zhǔn)備階段需重視頂管施工勘察工作，地質(zhì)條件復(fù)雜地段有必要進(jìn)行補(bǔ)勘，并根據(jù)施工過(guò)程中獲取的地質(zhì)資料及時(shí)調(diào)整施工方案，以提高施工效率。

(3) 當(dāng)遇大型孤石等采用人工頂管施工時(shí)，在保障管內(nèi)施工安全的情況下，可以采用電鎬、風(fēng)鉆和火燒等措施提高人工頂管施工效率。

(4) 頂管施工中施工人員是影響施工效率和安全的關(guān)鍵因素之一，施工前期與過(guò)程中要注重施工人員的技術(shù)培訓(xùn)和交底。