趙山渡引水工程頂管施工效率及影響因素分析

鄭瑞文，陳明豪

(浙江珊溪水利水電開(kāi)發(fā)股份有限公司，浙江 溫州 325200)

0 引 言

地面土地資源的占有率隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長(zhǎng)逐漸增多，由于具有不破壞地表建筑物和無(wú)需地面開(kāi)挖等特點(diǎn)，在地下工程施工中頂管施工技術(shù)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1]。當(dāng)前，機(jī)械和人工頂管為頂管施工的兩大類型，其中人工頂管是液壓油頂向前頂進(jìn)輔助人工管道開(kāi)挖的施工技術(shù)，具有糾偏、挖土保護(hù)和操作靈活簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，但施工過(guò)程中存在人員安全風(fēng)險(xiǎn)且勞動(dòng)強(qiáng)度大；機(jī)械頂管是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種具有安全性高、管理方便、施工速度快和適用范圍廣等特點(diǎn)的工藝方法，目前氣壓平衡、土壓平衡、泥水平衡機(jī)械頂管為常用的頂管施工方法，其中應(yīng)用最為廣泛的為泥水平衡機(jī)械頂管[2-5]。

在地下工程施工中機(jī)械頂管和人工頂管均具有廣泛的實(shí)用性，兩者的施工效率因地質(zhì)條件的不同存在較大差異。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)資料和研究成果，當(dāng)前涉及機(jī)械和人工頂管施工效率影響因素及其變化規(guī)律的研究較少，為更好的控制工程進(jìn)度和保障工程質(zhì)量有必要開(kāi)展頂管施工效率的研究[6-9]。鑒于此，以趙山渡引水渡槽除險(xiǎn)加固工程為例，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘查資料和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，探討了泥水平衡機(jī)械頂管和人工頂管的施工效率影響因素及其變化規(guī)律，為提升頂管施工效率提出了有效的建議措施。

1 工程概況

1.1 工程布置

趙山渡引水工程是一座集防洪、發(fā)電、供水和灌溉等功能于一體的大(II)型水利樞紐工程，工程等級(jí)為Ⅱ等，主要有引水樞紐和輸水渠系等建筑物構(gòu)成。其中，沿飛云江左岸布置的輸水渠系包括總干渠、南北干渠、渠首進(jìn)水閘、瑞北和溫州分渠6個(gè)部分，主要有隧洞、渡槽、倒虹吸、暗渠、節(jié)制閘等建筑物。

自2001年6月趙山渡引水渠系投運(yùn)以來(lái)，由于各種因素影響渠系建筑物老化病害問(wèn)題突出，渡槽伸縮縫漏水、表面滲水、裂縫和支座老化等現(xiàn)象普遍存在，嚴(yán)重威脅著渠系的安全運(yùn)行。另外，由于趙山渡輸水渠系沒(méi)有相應(yīng)的替代水源且為單線供水，若發(fā)生運(yùn)行事故將嚴(yán)重影響著城市供水安全，無(wú)法保證渠系的正常供水。為提高輸水線路的供水保證率和滿足城市供水要求，有必要對(duì)渡槽工程開(kāi)展除險(xiǎn)加固整治。

渡槽應(yīng)急檢修通道和除險(xiǎn)加固工程包括兩大部分，其中渡槽除險(xiǎn)加固包括沙門、張染-固前、金潮港、高樓及桐溪丁岙渡槽，設(shè)置沙門段、張染-固前段2座檢修應(yīng)急通道，總長(zhǎng)度1.4km，應(yīng)急檢修通道的主體工程為頂管段、倒虹吸、槽身和灌注樁施工等。其中，頂管段埋深為6.50-11.36m，施工段編號(hào)為DG0+215-DG0+755，長(zhǎng)度約1082.4m，將2座圓形頂管工作井設(shè)置于DG0+620和DG0+215處，以F型鋼承口作為管道接口形式，雙排鋪設(shè)Ⅲ級(jí)鋼筋DN2200型混凝土管。選取DG0+215-DG0+620段為研究對(duì)象，探討分析其施工效率極其影響因素。

1.2 地質(zhì)條件

1)地形地貌：結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果和區(qū)域工程地質(zhì)資料，工程區(qū)位于南雁蕩山脈向溫州沖海積平原的過(guò)渡區(qū)，西部為南雁蕩山脈的支脈，海拔高程為500-800m，屬低山區(qū)，中部過(guò)渡為低山丘陵，中間或出現(xiàn)山間平原，飛云江曲折東流，河道兩側(cè)分布有階地及河漫灘，東部地形平坦，海拔高程在5.0-10.0m，為山間濱海平原地貌。

2)地層巖性：根據(jù)本次勘探孔揭露的地層情況分析，可將場(chǎng)地在勘察深度范圍以內(nèi)地基土按其物理力學(xué)性質(zhì)、巖性特征、埋藏分布規(guī)律，劃分為7個(gè)工程地質(zhì)層，若干地質(zhì)層又細(xì)分為亞層、夾層。土層自上而下分別為①1雜填土、①2素填土、②粉質(zhì)黏土、③1含砂淤泥、③2淤泥、③21卵石、④粉質(zhì)黏土、⑤1礫砂、⑤2卵石、⑤21含圓礫黏性土、⑤3卵石、⑤31粉砂、⑨1含角礫黏性土、⑨2含黏性土角礫、⑩1全風(fēng)化凝灰?guī)r、⑩2強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r、⑩3中風(fēng)化凝灰?guī)r、⑩11全風(fēng)化花崗巖、⑩22強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、⑩33中風(fēng)化花崗巖。

3)水文地質(zhì)：為加快施工進(jìn)度和保證工程質(zhì)量，根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告DG0+315-DG0+400段的石灰?guī)r孤石、石英質(zhì)砂巖的含量較高，該端擬選取人工頂管施工方案；而DG0+400-DG0+620和DG0+215-DG0+315段孤石含量較少，以穩(wěn)定原狀黏土層為主，選取泥水平衡機(jī)械頂管工藝作為這兩段的施工方案。

2 頂管施工工藝

2.1 人工頂管施工

液壓油頂向前頂進(jìn)輔助施工人員管道內(nèi)挖掘工藝為人工頂管施工的主要環(huán)節(jié)，施工過(guò)程中安全風(fēng)險(xiǎn)大且工人勞動(dòng)強(qiáng)度高。另外，人工頂管施工的工作效率偏低，施工時(shí)很容易造成地面下沉的現(xiàn)象。其優(yōu)點(diǎn)是地下管線處理方便、操作靈活簡(jiǎn)單且具糾偏和挖土保護(hù)的作用，在地下管線工程施工中人工頂管技術(shù)具有良好的應(yīng)用效果[10]。

2.2 泥水平衡機(jī)械頂管施工

在頂進(jìn)管道前安裝機(jī)械切削式頂管機(jī)為泥水平衡機(jī)械頂管施工的基本條件，為保證開(kāi)挖面的穩(wěn)定應(yīng)在施工時(shí)往泥水壓力室輸入加壓的泥水，通過(guò)排泥管道將刀盤切削下來(lái)的土砂以泥水的方式輸送至地面，按照以上流程即可完成頂管施工。具有雙重平衡功能的頂管機(jī)具為泥水平衡頂管工法廣泛應(yīng)用的主要原因，采用泥水平衡理論設(shè)計(jì)的全斷面大刀片可以實(shí)現(xiàn)正面土體土壓力的自動(dòng)平衡頂進(jìn)，在保證土層穩(wěn)定的情況下實(shí)現(xiàn)向前掘進(jìn)。較其它頂管工藝，該方法施工后的地面沉降較小，尤其適用于穿越河流、保護(hù)沉降要求高的重要構(gòu)筑物等，能夠顯著降低勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度，提高管道的施工效率和質(zhì)量等功能[11]。

3 施工效率及影響因素

3.1 施工效率

單邊管道泥水平衡機(jī)械頂管和人工頂管在實(shí)際施工工程中的頂進(jìn)程度-時(shí)間關(guān)系曲線見(jiàn)圖1，施工速度變化見(jiàn)圖2。根據(jù)圖1、2可以看出，人工頂管施工的全段平均頂進(jìn)速度為2.4m/d，施工段DG0+380-DG0+400、DG0+315-DG0+328的速度較低，整體處于0.7m/d水平。人工頂管曲線的波動(dòng)起伏較大且頂進(jìn)速度不穩(wěn)，總體呈現(xiàn)出先緩慢再快速上升后急劇下降的變化趨勢(shì)。

泥水平衡機(jī)械頂頂管的整體頂進(jìn)速度為10.4m/d，其中DG0+400-DG0+620和DG0+215-DG0+315段的頂進(jìn)速度平均值為11.6m/d、8.1m/d。機(jī)械頂管施工末期和初期的速度較低，DG0+400-DG0+620段和DG0+215-DG0+315段的后期頂進(jìn)速度快速下降至5m/d、4m/d，這兩段的頂進(jìn)速度呈現(xiàn)出先緩慢再快速上升后急劇下降的變化趨勢(shì)。

圖1 頂進(jìn)程度-時(shí)間變化曲線

圖2 頂管頂進(jìn)速度條形圖

3.2 影響因素

從測(cè)量、環(huán)境、機(jī)械、材料和人工5個(gè)方面分析頂管施工效率影響因素，為更好的反映各要素的作用過(guò)程將其整合成魚(yú)骨圖，見(jiàn)圖3。

圖3 頂管施工效率原因分析

1)人工因素。影響泥水平衡機(jī)械頂管和人工頂管施工的主要因素有作業(yè)人員技術(shù)培訓(xùn)、施工經(jīng)驗(yàn)，其中施工人員為泥水平衡機(jī)械頂管和人工頂管施工的主要?jiǎng)趧?dòng)力，但前者主要是參與有關(guān)設(shè)備的維護(hù)操作。為避免無(wú)證人員上崗和作業(yè)操作不當(dāng)?shù)男袨榘l(fā)生，現(xiàn)場(chǎng)施工人員必須在施工準(zhǔn)備階段接受技術(shù)交底和培訓(xùn)，從而確保施工效率。對(duì)工程培訓(xùn)資料和三級(jí)技術(shù)交底現(xiàn)場(chǎng)查閱，掌握培訓(xùn)資料和技術(shù)交底的完善程度，具備長(zhǎng)期頂管施工經(jīng)驗(yàn)且人員資格證書(shū)齊全。

2)材料因素。頂管施工效率在很大程度上受到吊裝效率、供貨情況、管材抗壓性能等因素的影響，趙山渡引水渡槽加固工程的頂管質(zhì)量達(dá)標(biāo)，管徑為2.0m。通過(guò)計(jì)算分析，頂管施工過(guò)程中的最大頂進(jìn)壓力未超過(guò)管材最大抗壓值范圍，能夠滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。采用吊車將管材吊入工作井，頂管后期管材因交通運(yùn)輸問(wèn)題存在無(wú)法保證供貨的現(xiàn)象，大大降低了施工效率。

3)機(jī)械因素。機(jī)械設(shè)備本身性能、型號(hào)選用和調(diào)水等均可對(duì)頂管施工效率產(chǎn)生較大的影響，人工頂管施工時(shí)掘進(jìn)速度應(yīng)與油缸頂力大小保持一致。若出現(xiàn)排泥速度慢、頂力不足等機(jī)械設(shè)置不當(dāng)?shù)那闆r，將在一定程度上降低機(jī)械頂管施工效率。依據(jù)勘察資料定制的趙山渡引水渡槽加固工程機(jī)械設(shè)備，均滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，由于油缸故障造成的頂力不足問(wèn)題，使得DG0+380-DG0+400段的頂進(jìn)效率顯著下降。

4)環(huán)境因素。地質(zhì)條件為影響機(jī)械頂管和人工頂管施工效率的關(guān)鍵性因素，趙山渡引水渡槽工程位于山坡處，其地質(zhì)條件較為復(fù)雜，地質(zhì)勘查資料顯示石英砂巖孤石存在于頂管作業(yè)段，泥水平衡機(jī)頭對(duì)于該段的頂進(jìn)施工效率極低。為完成該孤石段頂管施工，最終選用人工頂管施工和更換挖掘工具等技術(shù)[12]。

5)測(cè)量因素。測(cè)量工作為頂管機(jī)沿設(shè)計(jì)軸線頂進(jìn)，保證頂管機(jī)頂進(jìn)方向精確度的前提和基礎(chǔ)，該過(guò)程直接決定著頂管工作能否順利貫通以及管線線形是否平順，必須確保無(wú)誤及精細(xì)實(shí)施。頂管中心的測(cè)量基線為人工頂管施工的管道中心，頂管高程測(cè)量的臨時(shí)水準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)定為地面上的臨時(shí)水準(zhǔn)點(diǎn)。采用激光經(jīng)緯儀測(cè)量泥水平衡機(jī)械頂管，管口正中處安置經(jīng)緯儀，機(jī)頭倉(cāng)內(nèi)“靶”上顯示通過(guò)管道后激光，由此可實(shí)現(xiàn)操作人員的實(shí)施監(jiān)測(cè)。微糾偏、勤糾偏、勤測(cè)量為泥水平衡機(jī)械頂管和人工頂管都應(yīng)遵循的原則。為保證趙山渡工程的測(cè)量精度，在施工前完成業(yè)主所提供的其它控制點(diǎn)、水準(zhǔn)網(wǎng)和導(dǎo)線網(wǎng)的檢核。同時(shí)，為加快施工精度和降低勞動(dòng)強(qiáng)度及人工測(cè)量誤差，頂管機(jī)頂進(jìn)施工時(shí)配備激光導(dǎo)向系統(tǒng)，并對(duì)頂管軸線利用全自動(dòng)全站儀測(cè)量控制。施工過(guò)程符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，儀器監(jiān)測(cè)記錄合格且復(fù)檢記錄完善，測(cè)量資料完善。

根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)文獻(xiàn)，泥水平衡機(jī)械頂進(jìn)和人工頂進(jìn)的理想進(jìn)度為10-15m/d、5m/d，趙山渡工程的頂進(jìn)施工效率明顯偏低。從測(cè)量、環(huán)境、機(jī)械、材料和人工5個(gè)方面分析影響每一段樁號(hào)頂管施工效率的因素，“×”、“√”分別代表產(chǎn)生和未產(chǎn)生影響，見(jiàn)表1。

表1 趙山渡引水工程頂管施工效率影響因素分析

根據(jù)表1可知，在頂進(jìn)施工初期時(shí)泥水平衡機(jī)械頂進(jìn)效率處于正常水平，頂進(jìn)速度接近人工頂進(jìn)施工時(shí)顯著下降，其原因?yàn)榈刭|(zhì)條件嚴(yán)重制約了該區(qū)域的施工效率。人工頂管施工初期的地質(zhì)情況惡劣程度大于設(shè)計(jì)預(yù)期，因準(zhǔn)備不足使得頂進(jìn)效率大大減少。由于在DG0+325-DG0+380施工段耿冠了火燒、風(fēng)鉆和電鎬等施工工具，在一定程度上提高了施工效率。管內(nèi)施工時(shí)因DG0+380-DG0+400段深度的增加，增大了管內(nèi)人工施工難度，隨著頂進(jìn)距離的增大管材供應(yīng)出現(xiàn)不足、排泥速度減慢等現(xiàn)象，大大降低了施工效率。在以上各因素的綜合作用下，環(huán)境因素即地質(zhì)條件為影響趙山渡引水工程頂管施工效率的最大要素。

4 結(jié) 論

以趙山渡引水渡槽頂進(jìn)施工為例，分析了泥水平衡機(jī)械頂管和人工頂管施工效率在復(fù)雜地質(zhì)條件下的變化規(guī)律，通過(guò)分析其影響因素提出了有效的建議措施如下：

1)人工頂管的施工效率顯著低于泥水平衡機(jī)械頂管，且后者的頂進(jìn)施工速度穩(wěn)定。泥水平衡機(jī)械頂管施工一般適用于地質(zhì)條件較好的標(biāo)段，對(duì)于存在大型孤石等地質(zhì)條件較差的標(biāo)段，為保證頂進(jìn)工作的順利實(shí)施可選用人工頂管。

2)環(huán)境因素即地質(zhì)條件為影響趙山渡引水工程頂管施工效率的最大要素，頂管施工勘察工作為施工準(zhǔn)備階段的重要內(nèi)容，必要時(shí)可補(bǔ)勘地質(zhì)條件復(fù)雜的標(biāo)段，為提升施工效率可依據(jù)地質(zhì)資料適當(dāng)調(diào)整施工方案。為提升人工頂管施工效率在保障管內(nèi)施工安全的前提下可采用人工頂管施工，遇大型孤石等情況時(shí)可采用火燒、風(fēng)鉆、電鎬等措施。

3)施工人員為影響頂管施工安全和效率的重要因素，在施工準(zhǔn)備和實(shí)施中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)作業(yè)人員的技術(shù)交底和培訓(xùn)。