砂礫石地層人工頂管施工頂力分析以及摩阻力探討

趙全峰

中國水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司，中國·四川 成都 611130

論文介紹了中國成都新都區(qū)人工頂管施工砂礫石地層施工工藝技術(shù)、產(chǎn)生偏差的原因以及糾偏措施，并對砂礫石地層人工頂管施工頂力計算進行分析，取得了良好效果。

砂礫石地層人工頂管；影響因素；頂力分析

1 引言

人工頂管即手掘式頂管是最早發(fā)展起來的一種頂管施工工藝，由于它采用了一定的輔助措施后便具有施工操作簡便、設(shè)備少、施工成本低、可同時進行多個工作面、施工進度快等優(yōu)點。論文介紹了中國成都市新都區(qū)具有明顯代表性的砂礫石地層人工頂管施工技術(shù)。雖然不斷有先進的頂管技術(shù)被運用，且效果很好，但是手掘式頂管施工仍在被廣泛運用。這是因為手掘式頂管法具有頂管的普遍優(yōu)點，即土方開挖少、作業(yè)人員少、建設(shè)公害少、文明施工程度高、不影響交通及其上構(gòu)（建）筑物、不需拆遷、覆土深時節(jié)省投資等，而在地下障礙較多且較大的條件下，手掘式頂管法是首選方式。

2 工程概況與特點

三河片區(qū)3#線（金河灣小區(qū)片區(qū)管線）主要收集貨運大道繞城立交至萬石路連接線污水及金河灣小區(qū)污水，起點為金河灣小區(qū)西南側(cè)現(xiàn)狀污水檢查井，沿貨運大道繞城立交至萬石路連接線旁綠化帶敷設(shè)，經(jīng)金河灣小區(qū)外綠化帶，在寶成鐵路上游約132m處垂直下穿毗河，最后排入斑竹園污水處理廠。污水管網(wǎng)工程在下穿毗河后至斑竹園污水廠范圍（24#～31#井段），埋深約5.1m～8.2m，設(shè)計采用頂管施工，管徑DN800，鋼筋混凝土鋼承口Ⅲ級管，全長共285m，最大頂進長度56m，最小頂進長度16m，根據(jù)地勘資料管道主要穿越砂卵石地層，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，根據(jù)經(jīng)驗采用人工手掘式頂管進行施工，24#～31#頂管施工位于毗河流域左岸，地下水豐富，沿線布置8處降水井全過程進行降水。

2.1 施工總平面布置圖

圖1 平面布置圖

2.2 場地工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

地基土由填土、粉土、淤泥質(zhì)粉土、砂土及卵石等物理力學(xué)性質(zhì)差異懸殊的多種土層組成，場地為不均勻地基。各地基土的工程特征與適宜性分述如下。

（1）人工填土層（Q4ml）：場地內(nèi)主要為雜填土，成分雜而不均，結(jié)構(gòu)松散，為近期堆填，具較大的濕（震）陷性，屬特殊性巖土，未經(jīng)換填、碾壓夯實處理，不能作為管道地基持力層。

圖2 地勘資料剖面圖

（2）粉土（Q4al）：分布不均，厚度變化較大，呈松散、稍密狀，稍濕，承載力較低，屬中壓縮性土，可作為管道地基持力層及下臥層。

（3）砂土（Q4al）：場地內(nèi)所見砂土，主要為細砂，呈不規(guī)則的透鏡狀零星分布于卵石層頂部及其中，呈松散狀，承載力低，位于卵石層頂部厚度≥1.0m的細砂具中等液化性，不能作為管道地基持力層，并為場地內(nèi)的不良地質(zhì)體。

（4）淤泥質(zhì)土（Q4al）：場地內(nèi)局部少量分布，厚度較小，呈軟塑-流塑狀，屬高壓縮性土及特殊性軟土。在場地內(nèi)分布于管道基底設(shè)計標(biāo)高之下，不能直接作為地基持力層，若作為地基下臥層，須進行強度驗算。

（5）卵石層（Q4al）：呈松散、密實狀，濕度飽和，分布穩(wěn)定，厚度大，力學(xué)強度高，屬中、低壓縮性，是良好的天然地基持力層及下臥層[1]。

3 影響頂力的因素分析

3.1 各項參數(shù)記錄

在砂礫石頂管施工過程中，項目部技術(shù)人員全程進行高程、軸線、頂力、以及各項參數(shù)記錄，內(nèi)容如下。

（1）根據(jù)千斤頂壓力表的讀數(shù)計算頂力，并繪制出頂力頂距變化曲線圖。

（2）根據(jù)頂進過程高程、軸線測量數(shù)據(jù)，并繪制出高程、軸線變化曲線圖。

（3）實時跟蹤頂管施工，記錄并分析沿途地層的變化。

圖3 三河3#線砂礫石地層頂管施工頂力與頂距曲線關(guān)系圖

3.2 頂力產(chǎn)生偏差的原因

根據(jù)工程特點、地質(zhì)情況及現(xiàn)場實測頂力變化情況，對測定結(jié)果進行分析，總結(jié)出在砂礫石地質(zhì)條件下人工手掘式頂管施工中影響頂力的主要因素。

3.2.1 頂進過程連續(xù)性

砂礫石地層雖然強度高，但整體穩(wěn)定性差、頂部自穩(wěn)時間短，隨著時間暴露越長砂礫石沉降加大，導(dǎo)致頂力明顯增加。查閱資料在2018年3月7日26#-27#頂進至11m時，由于客觀條件，需暫停施工，當(dāng)時壓力表讀數(shù)0.3mpa，到2018年3月25日恢復(fù)施工，頂力增加至3.0mpa，增加了10倍。

3.2.2 地質(zhì)條件的影響

砂礫石的松散、緊密程度、堅硬程度以及粗細料含量將直接影響頂進過程頂力，根據(jù)現(xiàn)場收集資料，26#-27#，27#-28#為密實的砂礫石地層，25#-26#，28#-29#砂礫石地層（含砂偏多），在頂進過程由于擾動，管頂砂礫會不同程度沉降，明顯含礫石偏多的地層對頂進過程頂力影響較大。

3.2.3 地下水的影響

地下水對砂礫石地層頂管施工的影響主要表現(xiàn)在過程中是否持續(xù)進行，過程中斷會造成地下水涌入管道內(nèi)部，管頂以上砂礫含水量加大，加大頂力，頂管施工沿線布置8處降水井，降水井深度17.5m，間距30m，根據(jù)現(xiàn)場記錄在27#-28#管道頂進至34.5m時，由于系統(tǒng)電故障，降水井停止降水，在繼續(xù)頂進過程中頂力明顯加大。通過現(xiàn)場試驗，地下水是頂力主要因素之一。

3.2.4 管線偏差的影響

因手掘式頂管在施工中對管道的軸線及高程的控制較為困難，在頂進中不斷出現(xiàn)偏差，在校正過程中，阻力增加也會使頂力增大，糾偏次數(shù)越多，頂力增加越大[2]。

圖4 三河3#線砂礫石地層26#-27#頂管施工軸線偏差曲線圖

圖5 三河3#線砂礫石地層26#-27#頂管施工高程偏差曲線圖

4 頂力曲線圖分析頂力

圖6 三河3#線砂礫石地層頂管施工頂力曲線關(guān)系圖

通過四段砂礫石地層頂力與距離關(guān)系曲線，可以得出一條平均值曲線，并用公式表達：Y=0.5771x2+12.92x（y代表頂力，x代表頂進距離）；本工程井距最大為56m，實際頂進長度為51m，通過公式計算理論頂力y=2159.96KN。

5 反算摩阻力

根據(jù)GB50268—2008《給排水管道工程施工及驗收規(guī)范》頂進阻力計算應(yīng)按當(dāng)?shù)氐慕?jīng)驗公式，或按式（6.3.4）計算：

式中：FP——頂進阻力（kN）；

D0——管道外徑（m）；

L——管道設(shè)計頂進長度（m）；

fk——管道外壁與土的單位面積平均摩阻力（kN/m2）（試驗確定）；

NF——頂管機的迎面阻力（kN）（人工掘進施工不考慮迎面阻力）。

根據(jù)實測頂力來反算管道與周圍地層的摩阻力，通過計算得出管道與砂礫石的摩擦阻力FK=14.1 KN/m2，可為類似工程提供參考[3]。