超長(zhǎng)距離鋼頂管穿越富水砂層的關(guān)鍵技術(shù)

鄭守銘

(福州城建設(shè)計(jì)研究院有限公司，福建 福州 350001)

頂管作為一種環(huán)境友好型的非開挖技術(shù)，被廣泛用于穿越公路、鐵路、河流等敏感環(huán)境管道的鋪設(shè)[1]。鋼管作為常用供輸水管材，具有變形受力均勻、承受內(nèi)壓高以及密封性良好等特性，因而被推廣到頂管技術(shù)中。當(dāng)前，鋼頂管技術(shù)已有成功的應(yīng)用案例，如上海青草沙水源地嚴(yán)橋支線輸水管道、廈門高集海堤原水管道遷改工程以及上海黃浦江上游水源地連通管工程等。

鋼頂管作為一種薄壁結(jié)構(gòu)，軸向頂力過(guò)大時(shí)容易發(fā)生軸向屈曲失穩(wěn)[2]。張鵬[3-4]研究了深埋曲線鋼頂管的接觸壓力分布和管節(jié)受力特性，認(rèn)為應(yīng)合理控制頂力、使管節(jié)處于彈性變形范圍以保障結(jié)構(gòu)安全性。邵光輝[5]考慮軸線偏差，推導(dǎo)出鋼頂管允許頂力的計(jì)算方法。劉猛[6]利用Ansys/Ls-dyna對(duì)頂管施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了頂管各部位的頂力變化。馮銳[7]提出了適用于大口徑長(zhǎng)距離鋼頂管的注漿減阻技術(shù)。黃建華[8]通過(guò)配比設(shè)計(jì)與減阻效果試驗(yàn)，得出福州地區(qū)飽和砂土層中優(yōu)化的頂管泥漿配比。黃智剛[9]分析了鋼頂管的軸向應(yīng)力分布情況，總結(jié)出管節(jié)偏心度與頂管最大允許頂力之間的關(guān)系。陳昆鵬[10]認(rèn)為鋼頂管截面應(yīng)力與頂進(jìn)距離、覆土厚度及土體性質(zhì)有關(guān)。潘偉強(qiáng)[11]提出了鋼頂管接觸壓力的分布形式。綜上所述，鋼頂管頂力的合理設(shè)計(jì)、注漿減阻等技術(shù)的運(yùn)用，是保持鋼頂管穩(wěn)定受力狀態(tài)的重要條件。鋼頂管在頂力估算、注漿減阻技術(shù)以及受力狀態(tài)等方面的特性，是決定工程能否安全施工的重要因素。

本研究依托福建省平潭及閩江口水資源配置工程中穿越烏龍江的鋼頂管標(biāo)段，研究高滲透性富水砂層中鋼頂管的頂力估算、注漿減阻技術(shù)與中繼間設(shè)置等頂力控制措施，以及設(shè)備選型、管節(jié)質(zhì)量控制、進(jìn)出洞口加固等關(guān)鍵技術(shù)，并分析了實(shí)測(cè)管壁平均摩阻力與頂進(jìn)力的變化規(guī)律。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 項(xiàng)目概況

福建省平潭及閩江口水資源配置(一閘三線)工程的城門輸水管道，起于青口鎮(zhèn)中院村，在尚干鎮(zhèn)穿越烏龍江，經(jīng)四十八份島、龍祥島接入福州城門水廠，全長(zhǎng)4.845 km。管道沿途穿越烏龍江底總長(zhǎng)超過(guò)4 km，包括5座工作井、4段頂管區(qū)間，各段水平軸線軌跡如圖1所示。

圖1 穿越烏龍江頂管施工平面圖

1.2 工程地質(zhì)條件

城門輸水管道中，連接龍祥島與四十八份島的4#～3#頂管段全長(zhǎng)1.139 km，采用DN1600鋼管，管節(jié)長(zhǎng)度8.84 m、壁厚20 mm。根據(jù)鉆孔揭露，頂管沿線場(chǎng)區(qū)上部主要包括素填土、淤泥質(zhì)土與中砂。烏龍江河道水深5～15 m，區(qū)內(nèi)地下水類別主要為孔隙潛水、地下水位0～1.5 m。4#～3#頂管段管道穿越區(qū)地層縱剖面如圖2所示，管道軸線主要穿越地層的物理、力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖2 管道穿越區(qū)地層縱剖面(單位：m)

表1 穿越段地層參數(shù)

1.3 工程重難點(diǎn)

平潭引水工程城門支線4#～3#頂管段穿越富水砂層，且屬于連續(xù)頂進(jìn)超過(guò)1 000 m[12]超長(zhǎng)距離鋼頂管，存在如下設(shè)計(jì)與施工重難點(diǎn)：(1)在高水壓條件下頂管需要滿足工作井進(jìn)出洞口的防水要求，實(shí)現(xiàn)頂進(jìn)過(guò)程中管道密封性等安全保障。(2)需要合理估算頂進(jìn)力、運(yùn)用觸變泥漿減阻技術(shù)設(shè)置中繼間，確保最大頂力不超過(guò)工作井允許承受的最大頂力設(shè)計(jì)值。(3)長(zhǎng)距離頂管施工測(cè)量與頂管機(jī)姿態(tài)控制存在困難。

因此，工程在實(shí)施過(guò)程中應(yīng)關(guān)注管道埋深、總頂力以及中繼間間隔的設(shè)計(jì)，合理選用設(shè)備，嚴(yán)控管節(jié)質(zhì)量，加固進(jìn)出洞口并運(yùn)用注漿減阻技術(shù)，以保障超長(zhǎng)距離鋼頂管的工程質(zhì)量與施工安全。

2 超長(zhǎng)距離鋼頂管的設(shè)計(jì)

鋼頂管穿越富水砂層時(shí)，其設(shè)計(jì)應(yīng)滿足抗浮要求，保障充足的頂力來(lái)源，頂進(jìn)距離較長(zhǎng)時(shí)還應(yīng)設(shè)置中繼間，確保管道的整體穩(wěn)定性。

2.1 管道埋深設(shè)計(jì)

頂管穿越地下水地區(qū)或江河區(qū)域時(shí)，管頂覆蓋層的厚度應(yīng)滿足管道抗浮要求，相應(yīng)的上覆土層最小厚度d可根據(jù)式(1)推算。

(1)

式中，K表示頂管抗浮的安全穩(wěn)定系數(shù)，通常應(yīng)大于1.2；W表示單位長(zhǎng)度管片上覆土柱的有效重量，kN/m3；G表示單位長(zhǎng)度管道自重，kN/m3；Ff表示單位長(zhǎng)度管道所受浮力，N；R表示管道外半徑，m；r表示管道內(nèi)半徑，m；γc表示管片容重，kN/m3；γa表示土體飽和容重，kN/m3；γw表示水的容重，kN/m3；d表示上覆土層最小厚度，m。

管道穿越區(qū)段內(nèi)主要地層為中砂，根據(jù)鉆孔揭露，γa=21 kN/m3。取K=2，將γc=78.5 kN/m3、R=0.8 m、r=0.78 m代入式(1)，計(jì)算得滿足抗浮要求的最小覆土厚度約為2 m。

根據(jù)《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》[12](文中統(tǒng)一簡(jiǎn)稱《規(guī)程》)，覆蓋層最小厚度不宜小于外徑的1.5倍，即2.4 m，且不宜小于2.5 m。此外，挖掘機(jī)退潮后進(jìn)入烏龍江砂灘涂部分區(qū)域進(jìn)行挖砂，其開挖深度一般在8.0 m。綜上，管道上方覆土厚度設(shè)計(jì)值為10.0～10.5 m。

2.2 頂進(jìn)力估算

依據(jù)《規(guī)程》[12]，泥水平衡式頂管機(jī)單次頂進(jìn)工況下的總頂力F可按式(2)(3)計(jì)算：

F=πDLfk+NF

(2)

(3)

式中，D表示管道外徑，m；L表示頂進(jìn)長(zhǎng)度，m；fk表示管外壁與地層平均摩阻力，kPa，根據(jù)地層取值；NF表示頂管機(jī)的迎面阻力，kN；Dg表示頂管機(jī)外徑，m；γs表示土的重度，kN/m3；Hs表示平均覆蓋層厚度，m。

本段頂管工程中，平均覆蓋層厚度取10.0 m，將Dg=1.66 m，γs=21 kN/m3代入式(3)可得迎面阻力約為530 kN。根據(jù)《規(guī)程》[12]，鋼管與中砂的管壁平均摩阻力fk可取7～10 kPa，根據(jù)式(2)頂進(jìn)距離L=1 139 m相應(yīng)的最大頂力約40 000～57 000 kN。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，潤(rùn)滑條件較好時(shí)fk取5 kPa，由此計(jì)算得最大總頂力約29 000 kN。

2.3 中繼間設(shè)置

4#～3#頂管段采用的DN1600、壁厚20 mm鋼頂管屬于薄壁結(jié)構(gòu)，頂力過(guò)大時(shí)可能會(huì)發(fā)生軸向的屈曲失穩(wěn)。本工程頂進(jìn)距離超過(guò)1 000 m，需根據(jù)頂力設(shè)計(jì)值與鋼頂管的最大允許頂力合理設(shè)置中繼間，以保持鋼頂管的穩(wěn)定性。

設(shè)置中繼間距離時(shí)，相鄰中繼間間的頂管段分配的頂力應(yīng)不超過(guò)鋼頂管本身允許的最大頂力值。根據(jù)《規(guī)程》[12]，中繼間間距可按式(4)計(jì)算：

(4)

式中，S1表示中繼間的間隔距離，m；F表示單次頂進(jìn)情況下的總頂力，kN；k0表示頂力系數(shù)，宜取0.5～0.6。管壁平均摩阻力fk取5 kPa，即在F=29 000 kN，頂力系數(shù)取0.5的條件下，中繼間的間隔距離S1=560 m?？紤]到中繼間頂力富余量，應(yīng)設(shè)置3個(gè)中繼間。

3 超長(zhǎng)距離鋼頂管的施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 頂管機(jī)設(shè)備選型

4#～3#頂管段穿越地下水豐富、地層滲透率高的中砂地層，局部可能含有卵石或河床內(nèi)膠結(jié)障礙物，因此頂管機(jī)需要具備破碎功能。綜合工程地質(zhì)條件、設(shè)計(jì)要求以及不同類型頂管機(jī)的特點(diǎn)，參考國(guó)內(nèi)類似施工實(shí)例，選用具有破巖能力的泥水平衡式頂管機(jī)。

頂管機(jī)的刀盤布置在最前端，后方為破碎倉(cāng)與泥水倉(cāng)。頂進(jìn)過(guò)程中巖土體初次破碎由滾刀與切削刀具完成，二次破碎由刀盤破碎臂與外殼錐體上破碎條完成，碎渣通過(guò)進(jìn)泥孔進(jìn)入泥水倉(cāng)后再由輸送管道排出。設(shè)備基于變頻調(diào)速設(shè)計(jì)，刀盤的最低轉(zhuǎn)速為1.2 r/min，額定轉(zhuǎn)速2.0 r/min，最大轉(zhuǎn)速為2.8 r/min；驅(qū)動(dòng)采用4臺(tái)22 kW電機(jī)，最大轉(zhuǎn)矩為440 kN·m。

3.2 鋼管節(jié)質(zhì)量控制

本段鋼頂管在烏龍江高水頭砂層頂進(jìn)過(guò)程中，所采用的螺旋鋼管在砂層中可能發(fā)生旋轉(zhuǎn)從而增加了頂管施工控制難度和姿態(tài)調(diào)整風(fēng)險(xiǎn)，故選用直縫埋弧鋼管焊制，管道原材料采用Q235B鎮(zhèn)靜鋼。

鋼管外壁采用環(huán)氧防腐涂料，涂裝完成30 min后，其性能指標(biāo)需達(dá)到完全固化狀態(tài)的70%以上。內(nèi)防腐施工在管道檢驗(yàn)合格后進(jìn)行，噴涂無(wú)溶劑環(huán)氧材料，干膜厚度400 μm。管節(jié)焊接采用CO2氣體保護(hù)焊，定位焊縫的長(zhǎng)度為50～100 mm，間距為250～300 mm，保證焊縫在正式焊接過(guò)程中不致開裂；相鄰管節(jié)錯(cuò)位不大于2 mm，無(wú)未焊滿現(xiàn)象。外觀質(zhì)量檢測(cè)合格后進(jìn)行超聲波檢測(cè)。

3.3 進(jìn)出洞口加固與止水

頂管工作井的進(jìn)出洞口土體采用高壓旋噴樁加固，樁徑800 mm，搭接200 mm。高壓漿灌注壓力不小于25 MPa。漿液噴射鉆桿提升速度15～20 cm/min。為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)出洞口止水，工作井內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工時(shí)預(yù)留穿墻鋼套管，出洞鋼套管為DN1800管道，進(jìn)洞鋼套管為DN2000管道，法蘭寬度200 mm。設(shè)置兩道密封，第一道為可分段的通過(guò)人工調(diào)正壓力的橡膠密封，第二道為可整環(huán)保證壓力的氣囊加橡膠密封，第一道密封用于機(jī)頭未完全出洞和第二道更換密封圈時(shí)使用。所采用的橡膠止水密封的拉伸量大于300%，肖氏硬度在50±5度范圍以內(nèi)，同時(shí)具有一定的耐磨性和較大的扯斷拉力。

3.4 注漿減阻技術(shù)

每節(jié)鋼管內(nèi)設(shè)置一個(gè)注漿斷面，每個(gè)注漿斷面布置4個(gè)注漿孔，呈90°環(huán)向布置。注漿孔與鋼管呈90°，為鋼管卷管廠預(yù)留。孔內(nèi)設(shè)置單向閥，防止管壁外巖土體倒灌而堵塞注漿孔。觸變泥漿主要由膨潤(rùn)土與水組成，根據(jù)本工程地質(zhì)條件，加入純堿和CMC調(diào)節(jié)泥漿性能以滿足使用要求。膨潤(rùn)土、純堿、CMC和水的質(zhì)量比為100∶5∶1.2∶900。混合后的漿液PH值小于10，每30 min的失水量小于25 cm3，馬氏漏斗粘度不低于60 s。

管道沿線潤(rùn)滑漿液失水后導(dǎo)致泥漿套缺失，需在頂進(jìn)啟動(dòng)或停止時(shí)同步補(bǔ)漿。操由頂管機(jī)至工作井的順序依次開啟各注漿環(huán)閥門，每次只開啟一組以保證足夠的漿液注入。施工過(guò)程中的同步注漿量如圖3所示。

圖3 注漿量施工記錄

頂進(jìn)過(guò)程中，管-土平均摩阻力實(shí)測(cè)值如圖4所示。未形成穩(wěn)定泥漿套時(shí)，摩阻力最大值接近18 kPa。頂進(jìn)距離超過(guò)100 m后泥漿套逐漸穩(wěn)定，管-土平均摩阻力穩(wěn)定在5～6 kPa，遠(yuǎn)低于《規(guī)程》中鋼管與中砂地層摩阻力經(jīng)驗(yàn)值，所采用的膨潤(rùn)土泥漿減阻效果良好。

圖4 管-土平均摩阻力實(shí)測(cè)值

4 頂進(jìn)力實(shí)測(cè)分析

4#～3#頂管段頂進(jìn)力隨頂進(jìn)距離變化實(shí)測(cè)值如圖5所示。頂進(jìn)距離100 m內(nèi)，注漿減阻效果未完全發(fā)揮，頂進(jìn)力整體穩(wěn)步增長(zhǎng)；頂進(jìn)距離為100～500 m的區(qū)間段內(nèi)，膨潤(rùn)土泥漿持續(xù)注入、隧洞內(nèi)逐漸形成穩(wěn)定的泥漿套，頂進(jìn)力基本維持在1 000～1 500 kN。頂管主要在中砂層中頂進(jìn)，但頂進(jìn)至500～550 m時(shí)，泥漿池的廢液內(nèi)還包括大量木屑、卵石和碎石等，機(jī)頭受到的迎面阻力數(shù)值升高，造成總頂力的突增。清除上述障礙物后，頂進(jìn)速度受到影響，補(bǔ)充的膨潤(rùn)土泥漿未能充盈管道外壁的環(huán)空間隙，使距離在600～900 m區(qū)間內(nèi)總的頂進(jìn)力增長(zhǎng)至約為前5 00 m頂力的1.7～2.5倍。頂管機(jī)偶爾遭遇地基承載能力較小的淤泥層后，機(jī)頭標(biāo)高快速下降，偏心的管節(jié)受力狀態(tài)以及管壁平均摩阻力突變?cè)斐身斶M(jìn)力的波動(dòng)。

圖5 頂進(jìn)力實(shí)測(cè)值

整個(gè)頂進(jìn)過(guò)程中，未啟用中繼間，最大實(shí)測(cè)頂進(jìn)力不超過(guò)4 000 kN，遠(yuǎn)小于2.2節(jié)所述《規(guī)程》估算值29 000 kN。因此，頂進(jìn)力理論計(jì)算方法有待優(yōu)化，即《規(guī)程》[12]假設(shè)管-土全接觸，而良好潤(rùn)滑條件下泥漿套的存在將部分管-土接觸轉(zhuǎn)化為管-漿接觸，管-漿接觸產(chǎn)生的摩阻力近乎可被忽略[13]。將實(shí)測(cè)頂進(jìn)力數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出的管壁平均摩阻力僅為0.5 kPa，說(shuō)明實(shí)際頂進(jìn)過(guò)程中，管道外壁接觸環(huán)境中管-漿接觸占據(jù)主導(dǎo)，而管-土接觸的范圍有限。

5 結(jié)論

1)頂管穿越河道富水中砂地層關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)施，保障了工程安全推進(jìn)。選用泥水平衡式頂管機(jī)，并配置滾刀與刮刀結(jié)合的復(fù)合式刀盤，可對(duì)潛在障礙物進(jìn)行破碎。嚴(yán)控鋼管節(jié)制作、焊接與防腐質(zhì)量，保證了密封性及穩(wěn)定受力。采用高壓旋噴樁加固進(jìn)出洞口，以鋼套筒加兩道密封圈作為止水裝置。

2)超長(zhǎng)距離頂管工程，通過(guò)注漿減阻與合理設(shè)置中繼間的方式控制頂進(jìn)力。根據(jù)頂力設(shè)計(jì)值29 000 kN，1.139 km的超長(zhǎng)頂進(jìn)距離下，中繼間數(shù)量設(shè)計(jì)值為3。摻入純堿和CMC的膨潤(rùn)土泥漿使管-土平均摩阻力實(shí)測(cè)值維持在5～6 kPa。

3)良好注漿減阻效果下，本工程超長(zhǎng)距離鋼頂管的頂進(jìn)力總體保持在4 000 kN內(nèi)，管-漿接觸在管外壁接觸環(huán)境中占主導(dǎo)。機(jī)頭遇到卵石、孤石后頂進(jìn)力突增。地層環(huán)境變化與軸線偏差，可造成頂進(jìn)力波動(dòng)。