頂管工程施工方案的優(yōu)化

楊 靖 葛明坤 陳新洋

(1.昆山市水利建筑安裝工程有限公司，江蘇昆山 215300；2.蘇州市水利建設監(jiān)理有限公司，江蘇 蘇州 215100；3.昆山市城建發(fā)展建筑設計院有限公司，江蘇 昆山 215300)

1 工程概況

蘇州工業(yè)園區(qū)金雞湖及周邊區(qū)域水環(huán)境綜合治理工程是蘇州工業(yè)園區(qū)重大民生工程，其功能是將陽澄湖優(yōu)質(zhì)水源引入金雞湖及周邊區(qū)域水體，新建泵站增加水體流動，在水域口門設置控導建筑物來控流截污，從而改善園區(qū)金雞湖及周邊水環(huán)境，避免金雞湖水域大面積藍藻暴發(fā)。

由于在引清通道木沉港河道過婁江位置形成水系交叉，需設計水立交工程，在婁江河下部布設一個引清水道。在婁江兩側(cè)布設始發(fā)井和接收井兩個沉井之間，布設兩道直徑3.2m鋼頂管，兩端布設暗埋箱涵與木沉港和22號河道相連(見圖1)。

圖1 婁江水立交工程平面

2 工程地質(zhì)資料

工程場地最大勘探深度為40.50m,揭露的地基土層按地質(zhì)時代、成因類型、土性的不同和物理力學性質(zhì)的差異，主要土層由上到下分為7個大層(見表1)。

表1 土層主要物理力學指標

①-1層填土：灰黃色為主，以素填土為主，成分以粉質(zhì)黏土為主，含少量粉土，厚度一般為0.7～4.5m，局部為雜填土，含有少量生活垃圾及建筑垃圾。

②層灰黃色黏土：厚度一般為0.8～1.7m，呈可塑—硬塑狀態(tài)，底部稍軟，中等偏高壓縮性，主要分布在立交地涵南段陸域。

③層暗綠—灰黃色粉質(zhì)黏土：呈可塑—硬塑狀態(tài)，中等壓縮性，厚度一般為0.6～5.0m。

④-1層灰色砂質(zhì)粉土：厚度一般為2.5～5.0m，夾粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土及粉砂，土質(zhì)不均勻，中等壓縮性，普遍分布。

④-2層灰色粉細砂：上部中密，下部密實狀，厚度一般為6.5～11.0m，中等壓縮性，普遍分布。

⑤層灰色粉質(zhì)黏土：普遍分布，厚度一般為1.8～8.0m，含有機質(zhì)，夾薄層粉土，土質(zhì)不均勻，呈軟—可塑狀態(tài)，中等偏高壓縮性，普遍分布。

⑥層灰色粉質(zhì)黏土：普遍分布，厚度一般為1.2～6.0m，含有機質(zhì)，夾粉土薄層，混泥鈣質(zhì)結(jié)核，切面有光澤，韌性中等，中等干強度，普遍分布。

3 頂管設計

水立交采用兩根DN3200管道穿越婁江和312國道，頂管單根長度252m，穿越婁江距離約75m，穿越312國道約60m，管道間距4.4m。鋼管壁厚35mm。引水管采用分段焊接工藝連接，頂管兩端分別設置工作井和接收井。頂管位置處于④-2粉細砂層，高程范圍為-8.8～-12m，設計管道中心高程-10.4m。施工圖采用泥水平衡頂管施工方案，頂管設計總頂力為22400kN,工作井后背墻允許最大荷載為12000kN。設計在中間位置各設置一中繼間。

本工程工作井地面高程2.6m，地下水位2m，土體天然重度為19kN/m3,浮重度為9kN/m3。管道穿越婁江，江底最深處淤泥面高程為-2.65m，覆土厚度最小為6.15m。

4 頂管施工工藝流程

頂管施工工藝流程見圖2。

圖2 頂管施工工藝流程

5 方案優(yōu)化

考慮到管道為直線，且只有252m，可采用多種技術(shù)手段來減少管道的摩擦阻力，從而達到取消中繼間的目的。

5.1 頂力計算

根據(jù)中國工程建設標準化協(xié)會《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》(CECS 246—2008)12.4.1管道總頂力按下式估算：

F0=πD1Lfk+NF

式中F0——總推力,kN；

D1——管道的外徑,m；

L——管道設計頂進長度,m；

fk——管道外壁與土的平均摩阻力,kN/m2,查表采用觸變泥漿鋼管為3.0～4.0；

NF——頂管機的迎面阻力,kN，查表泥水平衡頂管機NF=π/4Dg2γsHS=3.14/4×3.3×3.3×(19×2+(19-10)×(10.4+2.6-2))=1171kN；

F0=πD1Lf+NF=3.14×3.27×252×3.5+1171=9056+1171=10227kN。

計算證明，采用減阻泥漿套方案可以取消中繼間。

5.2 施工主要技術(shù)措施

5.2.1 擴孔

本工程頂管施工機械采用NPD-3200型泥水平衡頂管機，頂管管道外徑為3270mm，按照管道外側(cè)擴孔15mm進行設備改造，實際孔道成孔直徑為3300mm，以減少鋼管道的土體摩擦阻力。

5.2.2 布設注漿孔和補漿孔

本工程每節(jié)頂管長度為7.2m，計劃每節(jié)管道設置一組壓漿孔，即縱向間距7.2m，每組壓漿孔在同一橫截面上設置3個，與鋼管圓心成120°角，底部不設注漿孔(詳見圖3)，底部的泥漿由兩側(cè)注漿孔注入后自動向下流動，使管道外側(cè)形成環(huán)形閉合的泥漿套，同時每隔50m設置一組補漿孔，以便在減阻泥漿因時間過長失效后進行有效補漿。

圖3 注漿孔布置

5.2.3 減阻泥漿

將納基膨潤土、水按質(zhì)量比1∶3制成減阻泥漿，考慮到本工程④-2為粉細砂層，同時摻入純堿、羧甲基纖維素(CMC)等化學穩(wěn)定劑進行有效減阻。最終試驗配合比為納基膨潤土∶水∶純堿∶CMC=24∶76∶0.8∶0.8，泥漿比重為1.17，黏度為80s，靜切力為21Pa，pH值為9，穩(wěn)定性達到靜置24h無離析水的要求。

5.2.4 連續(xù)施工

采用連續(xù)不間斷施工工藝，每班計劃8h，完成一節(jié)管道的頂進和焊接，防止間停時間過長泥漿套減阻效果變差。

5.2.5 增加后背墻剛度

設計采用鋼筋混凝土沉井井壁作為后背墻，后部用高壓旋噴樁進行了地基加固，設計后背墻承載力為12000kN。為確保背墻受力均勻，避免局部受壓破壞，在頂管施工前在鋼筋混凝土后背墻前增設35mm厚鋼板(平面尺寸5×5m)作為支墊，以分散千斤頂?shù)膲毫Α?/p>

5.2.6 水泥漿置換

頂管施工完成后，對已形成的泥漿套的漿液進行替換，替換漿液為摻入一定量粉煤灰的水泥砂漿，采用螺桿泵作業(yè)，漿液凝固后(一般為24h)拆除作業(yè)管路換上封蓋封堵，并對周邊進行必要的防腐處理。

6 頂力檢測與分析

6.1 頂力檢測

本工程采用5臺千斤頂進行工作，每臺千斤頂頂力為2500kN/臺,合計12500kN。通過減阻方案施工，過程中加強對液壓泵站壓力表的觀測，根據(jù)標定證書推算管道的摩阻力。

通過前100m的頂進觀測，認為本方案可行，可以不用中繼間，最終觀測頂進泵站油壓表最大讀數(shù)均是35MPa，實際最大頂進阻力為8750kN。實際頂進作用力比計算要小。

6.2 效果分析

經(jīng)過多年施工實踐，影響頂力的主要因素是土的性質(zhì)、管道材質(zhì)和施工技術(shù)水平高低，具有一定的波動性和誤差；擴孔后形成厚土拱，土壓力對孔道影響不大，工程實踐證明管道頂力與覆蓋土層厚度無關(guān)。

通過方案優(yōu)化，減少了中繼間2套，約40萬元，增加減阻措施費10萬元。最終方案優(yōu)化節(jié)約工程造價30萬元。