淺覆土富水軟弱地層拉頂管關(guān)鍵技術(shù)研究

文/中交四航局第七工程有限公司 劉永鴻

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，城市管網(wǎng)建設(shè)已被提上日程。2014年國務(wù)院辦公廳提出堅(jiān)持先地下、后地上的城市地下管線規(guī)劃基本原則，用10年左右時(shí)間建成較為完善的城市地下管線體系。城中既有建（構(gòu)）筑物眾多，當(dāng)新建管線穿越既有建（構(gòu)）筑物時(shí)，往往采用非開挖施工工藝，在不對(duì)地表造成破壞的情況下敷設(shè)各種地下管線。非開挖管線敷設(shè)技術(shù)體現(xiàn)工程施工水平及城市的現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程。

在市政污水管道施工中，施工非開挖工藝主要包括頂管工藝和定向鉆拖拉管工藝。頂管工藝主要用于800mm及以上口徑的管道施工，施工面大，且對(duì)管道覆土有要求；定向鉆拖拉管工藝主要應(yīng)用于800mm以下口徑的管道施工[1]，但該工藝易導(dǎo)致地面塌陷，對(duì)施工附近路面和居民的生產(chǎn)生活造成不利影響。針對(duì)肇慶市地下水豐富的軟弱地層情況，加之?dāng)M敷設(shè)的管道覆土較淺，常規(guī)頂管和拖拉管工藝無法有效應(yīng)用于現(xiàn)場施工。

近年來，綜合法小口徑頂管（拉頂管）工藝在珠三角地區(qū)多項(xiàng)截污次支管工程中已得到成功應(yīng)用，該工藝具有其他傳統(tǒng)施工方法無法比擬的優(yōu)勢：地質(zhì)適應(yīng)廣、對(duì)管道覆土要求低、次生災(zāi)害小、施工速度快、精度高、對(duì)交通和周邊建（構(gòu)）筑物的影響較小等，給本項(xiàng)目淺覆土富水軟弱地層條件下的管道施工提供新型可靠的施工工藝選擇。

1 工程概況

肇慶市某污水管網(wǎng)改造工程項(xiàng)目實(shí)施排水管網(wǎng)總長約120km，其中綜合小頂管施工工程量為35km，占比29%，主要存在于市政道路和城中村，通過前期現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)，建筑場地地質(zhì)情況如下。

工程地質(zhì)綜合剖面共分主層10層及9個(gè)夾層，主層依次是：①人工填土；②粉質(zhì)黏土、黏土；③淤泥、淤泥質(zhì)土；④粉質(zhì)黏土、黏土、粉土；⑤淤泥、淤泥質(zhì)土；⑥粉砂；⑦殘積土；⑧全風(fēng)化巖帶；⑨強(qiáng)風(fēng)化巖帶；⑩中風(fēng)化巖帶。夾層包括：②1粉砂夾層；③1（淤質(zhì)）粉砂夾層；③2粉質(zhì)黏土、粉土夾層；④1淤泥質(zhì)土夾層；④2中砂夾層；④3礫砂、圓礫夾層；⑤1粉質(zhì)黏土、粉土夾層；⑨1中風(fēng)化巖夾層；⑩1全風(fēng)化巖夾層。

鉆探期間測得初見水位埋深為0.50～2.60m，標(biāo)高3.410～43.720m；鉆孔終孔24h后測得各鉆孔地下水相對(duì)穩(wěn)定水位埋深為0.65～3.80m，標(biāo)高2.510～42.920m；地下水水位隨地勢而變，地勢高處地下水位相對(duì)較高，沿山坡向低位水位順勢變低，地下水位變化幅度多在0.40～2.00m。

2 拉頂管工藝在污水管網(wǎng)中的應(yīng)用

2.1 前期準(zhǔn)備

按現(xiàn)場環(huán)境制定施工方案，定好坑道機(jī)井位，裝管井位，提前與當(dāng)?shù)鼐用駵贤▍f(xié)調(diào)，解決用水、相關(guān)設(shè)備及渣土臨時(shí)存放問題。

2.2 制作井位

先施工工作井和接收井，工作井井體可采用圓形或矩形。采用圓形時(shí)，直徑為2.5m；采用矩形時(shí)，長邊為2.5m（針對(duì)軸線方向長一段），短邊為1.5m。接收井一般采用圓形，直徑為1.5m。由于施工管道采用短管節(jié)（通常為1.0m），新建檢查井所需空間較小，局部緊張地區(qū)也可采用0.5m短管節(jié)，從而相應(yīng)縮小管道安裝井的尺寸（見圖1）。

圖1 2．5m×1．5m綜合法小口徑頂管工作井結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)拖拉管工藝是井完成后，一次拖拉管道穿過多個(gè)檢查井；拉頂管工藝是鉆桿一次穿過多個(gè)檢查井，從最后1個(gè)檢查井裝管拉頂完前兩井之間的距離后，再從前1個(gè)井裝管拉頂前一段，保證每個(gè)井都可裝管。

2.3 導(dǎo)向鉆孔

設(shè)備安裝好導(dǎo)向鉆，在入鉆方向井位中開中心位小洞或安裝定位輪，以保證管道的流水標(biāo)高。地面放若干絕對(duì)標(biāo)高點(diǎn)，導(dǎo)向時(shí)在井內(nèi)復(fù)合標(biāo)高并計(jì)算出誤差值，修正數(shù)據(jù)后繼續(xù)施工至下一井位（見圖2，3）。

圖2 利用定向鉆先導(dǎo)施工中

圖3 斜掌導(dǎo)向鉆進(jìn)原理

2.4 復(fù)測預(yù)判

復(fù)測到位導(dǎo)向桿的標(biāo)高，根據(jù)土層承載力判斷是否需預(yù)擴(kuò)孔及安裝止泥環(huán)。土質(zhì)抗壓強(qiáng)度較大時(shí)，適當(dāng)擴(kuò)孔，減少頂進(jìn)壓力；當(dāng)進(jìn)出洞位置位于透水層時(shí)（如砂層），必須在井外注漿或施打止水樁，同時(shí)在井體進(jìn)出洞方向增加密封板（見圖4）。

圖4 密封板應(yīng)用

2.5 回?cái)U(kuò)掘進(jìn)頂拉

在末端井安裝掘進(jìn)機(jī)頭，回?cái)U(kuò)掘進(jìn)，接著在機(jī)頭后安裝管節(jié)，利用鉆桿穿過管道中心，在管道尾端拉頂管道。掘進(jìn)機(jī)頭負(fù)責(zé)掘進(jìn)扭矩和迎面阻力，設(shè)備余力通過機(jī)頭后分動(dòng)裝置和傳力桿傳到管尾，實(shí)現(xiàn)頂進(jìn)目的。前一節(jié)管節(jié)頂拉完成后，將下一管節(jié)從地面吊至井底，與前一管節(jié)承插連接，再通過掘進(jìn)頭繼續(xù)進(jìn)行頂拉，依次完成本步驟，直至掘進(jìn)頭到達(dá)前段井，管道成型。掘進(jìn)頂拉時(shí)，需根據(jù)土層情況選擇相對(duì)應(yīng)的化學(xué)泥漿，鉆進(jìn)并回拖頂拉管道施工時(shí)應(yīng)配備真空泥漿車，泥漿直接進(jìn)管，平衡地下壓力，減輕頂進(jìn)阻力（見圖5，6）。

圖5 復(fù)式頂管安裝示意

圖6 回頂安裝施工

該工藝采用自密封承插接口短管，將傳統(tǒng)的管道回拖改為拉頂工藝，在末端井下安裝管節(jié)，利用鉆桿穿過管道中心，在管道尾端拉頂管道。掘進(jìn)頭與管并不鎖死而達(dá)到泥水平衡中繼間的功能。掘進(jìn)頭負(fù)責(zé)掘進(jìn)扭矩和迎面阻力，設(shè)備余力通過機(jī)頭后分動(dòng)裝置和傳力桿傳到管尾，實(shí)現(xiàn)頂進(jìn)目的，管材只承受頂進(jìn)過程中產(chǎn)生的摩擦阻力。

3 拉頂管施工在管網(wǎng)工程中的應(yīng)用優(yōu)勢分析

隨著“雨污分流”環(huán)保理念日漸推廣，全國各地都在開展管網(wǎng)工程。從客觀角度分析，在非開挖法管道埋設(shè)技術(shù)中，拉頂管逐漸替代定向鉆牽引管施工，成為800mm以下口徑管道的主流施工工藝。與牽引管施工工藝相比，拉頂管具有較大優(yōu)勢。

3.1 節(jié)省空間資源，有效保護(hù)地層

拉頂管施工占用施工場地小，地面機(jī)位可靈活擺放，造斜只借道不擴(kuò)孔。與傳統(tǒng)的拖拉管工藝不同，其采用頂進(jìn)工藝，無須擴(kuò)孔，不會(huì)形成孔道內(nèi)壁與管道間的空隙，大大降低路面的塌陷概率[2]，對(duì)地層破壞可忽略不計(jì)。

3.2 提高施工精度與施工效率

采用拉頂管工藝，單段施工距離短，兩井人為第二次約束，先導(dǎo)桿受旋轉(zhuǎn)拉伸自動(dòng)糾偏，有效控制管道標(biāo)高；且拉頂管工藝采取保值頂進(jìn)，平直度高，當(dāng)管道投入使用后，內(nèi)部也極少出現(xiàn)淤積。

3.3 施工質(zhì)量好，確保管道施工壽命

回?cái)U(kuò)掘進(jìn)拉頂施工為平行推進(jìn)，無拉伸變形，壓力自平衡。管材自鎖后加鎖緊桿成為相對(duì)整體，在相對(duì)張拉預(yù)應(yīng)力（作用在傳力桿）情況下形成超長扶正器，除作用在管壁的側(cè)摩阻力外，整個(gè)工藝無徑向變形外力，確保成品管道的設(shè)計(jì)使用壽命。

4 拉頂管施工路段的檢測結(jié)果

在本工程淺覆土富水軟弱地層段的拉頂管施工路段中抽取29個(gè)點(diǎn)進(jìn)行CCTV檢測，檢測拉頂管的施工質(zhì)量。其中建設(shè)二路10個(gè)點(diǎn)，和平路8個(gè)點(diǎn)，廠排街6個(gè)點(diǎn)，友誼路3個(gè)點(diǎn)，躍龍中路2個(gè)點(diǎn)。

根據(jù)GB 50268—2008《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》中定向鉆施工管道規(guī)定：管段的線性應(yīng)平順、無突變、變形現(xiàn)象，實(shí)際曲率半徑符合設(shè)計(jì)要求；管道內(nèi)底高程中的無壓管道高程允許偏差是+20mm，-30mm[3]。針對(duì)牽引管施工易造成水土流失及引起地面塌陷的問題，亦列入檢查項(xiàng)。如表1所示，從檢測結(jié)果可看出，拉頂管工藝在淺覆土富水軟弱地層段管網(wǎng)施工中的成品質(zhì)量較好，該工藝可用于同類型條件下的管網(wǎng)施工。

表1 現(xiàn)場各拉頂管施工區(qū)域標(biāo)高合格率

5 結(jié)語

隨著近年來城市經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展與環(huán)保意識(shí)的日益提高，城市雨污水管網(wǎng)的完善勢在必行。大量市政管網(wǎng)工程即將開展，或?qū)⒂龅降貙拥叵滤S富、管道覆土淺的施工條件。拉頂管工藝具有定向鉆地質(zhì)適應(yīng)廣、對(duì)管道覆土要求低、次生災(zāi)害小、頂管標(biāo)高控制準(zhǔn)等優(yōu)勢，可有效解決傳統(tǒng)施工工藝在此類條件下施工困難的問題。