城鎮(zhèn)市政道路下泥水平衡式頂管機(jī)施工質(zhì)量控制

楊開放 韓 治 牟雨龍 盧國營 馬 勇

（中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100000）

1 工程概況

該項目位于臺山市大江鎮(zhèn)公益圩。計劃鋪設(shè)生活污水管網(wǎng)總長度為11200 m，其中頂管總長5050 m采用III級鋼筋混凝土管。臺山市屬亞熱帶季風(fēng)氣候，該地常年雨水量豐富，施工點地下水位較高，其中大江鎮(zhèn)公益圩場地內(nèi)及其附近有密集的坑塘、溝渠分布，坑塘內(nèi)水深0.5 m～1.0 m，北側(cè)緊鄰譚江。

2 泥水平衡式頂管施工

2.1 施工基本原理

泥水平衡式頂管施工通過頂進(jìn)裝置產(chǎn)生推力克服土體與管道間的摩阻力，將設(shè)備沿著既定的路線從工作坑行進(jìn)到接收坑中，并將與頂管機(jī)相連的管道埋置在路線間完成管道施工。在頂進(jìn)過程中，通過刀盤對開挖面的土體進(jìn)行切削，再通過注入的泥水將棄土運(yùn)送出去。注入的泥水須保持一定的壓力與土層壓力達(dá)到動態(tài)平衡，通過泥水包裹頂管機(jī)外側(cè)形成一層泥套維持開挖面土體的穩(wěn)定性，防止開挖面出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象。

2.2 施工工藝流程

該泥水平衡式頂管工程主要施工步驟包括施工準(zhǔn)備、頂管坑，接收坑施工、初始頂進(jìn)、循環(huán)頂進(jìn)、頂管機(jī)出洞以及頂管結(jié)束。具體施工工藝流程如圖1所示。

圖1 施工工藝流程圖

3 施工常見質(zhì)量問題及控制措施

3.1 管底高程偏差較大

在頂進(jìn)完成后對頂管高程及時進(jìn)行復(fù)測發(fā)現(xiàn)測得的高程與設(shè)計值偏差較大。

造成管底高程偏差過大的原因主要包括后背墻的力學(xué)性能、泥水壓力值和管材材料3個方面：1）后背墻的剛度、強(qiáng)度、表面的平直度以及材質(zhì)均勻性未達(dá)到頂進(jìn)施工要求。2）施加的泥水壓力不能有效平衡土壓以及地下水的壓力。3）使用的管材本身有外觀質(zhì)量缺陷。

由以上原因造成的管底高程偏差過大的問題，可對后座墻在材料和平整度上進(jìn)行改進(jìn)，在不同施工段落應(yīng)對應(yīng)計算出理論上的泥水平衡壓力值，再在實際施工中進(jìn)行修正，以及對管材質(zhì)量進(jìn)行把控。具體防治措施如下：1）后座墻完成后，應(yīng)保證其強(qiáng)度能承受千斤頂?shù)淖畲蠛笞Χ槐黄茐?，在后座墻的材料選擇上用壓縮作用下回彈量小的，使其卸除荷載后能恢復(fù)原樣。對后座墻進(jìn)行再次找平滿足其表面能垂直于頂進(jìn)管道的軸線。2）針對不同施工段落應(yīng)根據(jù)實際施工情況計算對應(yīng)的泥水平衡壓力值，再由計算結(jié)果調(diào)整泥水倉內(nèi)的泥水壓力，避免開挖斷面土體失穩(wěn)，造成超挖及高程偏差大的現(xiàn)象。取W～W段頂管進(jìn)行計算，泥水平衡壓力的計算如公式（1）所示。

式中：為泥水平衡壓力；為頂部的泥水壓力；為底部泥水壓力；γ為水的容重，此處取9.8 kN/m；為地下水位與頂管機(jī)底部的高差，根據(jù)地勘報告此處為5.8m；為頂管機(jī)頂部與地下水位的高差，此處為5.2m；Δ為泥水倉的泥水壓力高出地下水的水頭差，此處為2.03m；為泥漿的容重，此處取為11kN/m；為頂管機(jī)的外徑，此處為0.6m。

=0.5×[9.8×（5.2+2.03）+9.8×（5.8+2.03）+11×0.6]=77.1 kPa

由計算結(jié)果可知，對W29～W31段頂管施工時將泥水平衡壓力值保持在77.1 kPa左右，頂進(jìn)施工可正常運(yùn)行，同理可計算出其他段落所需的泥水平衡壓力。

3）管道進(jìn)場應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗收和抽檢，并應(yīng)附帶出廠的檢驗報告，如經(jīng)驗收不合格不應(yīng)采用。

3.2 頂管機(jī)前進(jìn)中發(fā)生姿態(tài)偏差

頂進(jìn)施工中頂管機(jī)出現(xiàn)滾動偏差及方向偏差造成出土困難以及產(chǎn)生軸線偏差。

頂管機(jī)發(fā)生姿態(tài)偏差可分為滾動偏差、方向偏差和曲線段測量偏差3個方面：1）出現(xiàn)滾動偏差的原因，對土體進(jìn)行切削中產(chǎn)生的扭矩與頂管機(jī)和土層之間的摩擦力矩不能達(dá)到平衡，未被平衡掉的力矩使頂管機(jī)產(chǎn)生滾動偏差，如果滾動幅度過大會導(dǎo)致激光靶不能保持在正常位置，對糾偏、測量以及出土造成不利影響，頂管軸線也會因此產(chǎn)生偏斜。2）出現(xiàn)方向偏差的原因，頂進(jìn)施工中由于頂進(jìn)千斤頂在各個部位設(shè)定參數(shù)時出現(xiàn)偏差，造成頂進(jìn)方向也發(fā)生偏差。開挖面土體由于性質(zhì)差異也易產(chǎn)生方向偏差。即使開挖中土體性質(zhì)十分均勻，由于頂管機(jī)自重對其自身產(chǎn)生向下低頭的趨勢也會有一定影響。3）該項目頂進(jìn)路線平面圖中為避開原有建筑物基礎(chǔ)，路線平面圖有局部曲線，曲線段測量導(dǎo)線誤差大導(dǎo)致行進(jìn)路線出現(xiàn)偏差。

在頂進(jìn)中可通過控制系統(tǒng)實時查看是否發(fā)生滾動偏差及方向偏差，當(dāng)偏差發(fā)生時須及時根據(jù)發(fā)生的原因?qū)?yīng)進(jìn)行糾正。在曲線段施工時需要對測量導(dǎo)線的精度進(jìn)行把控，防止出現(xiàn)人為誤差，具體防治措施如下：1）發(fā)生滾動偏差時，因為刀盤正向與反向均可以進(jìn)行切削作業(yè)，在超過規(guī)范允許的滾動偏差范圍時，頂管機(jī)的控制系統(tǒng)會發(fā)出警告，此時操作人員應(yīng)改變切削方向，起到反轉(zhuǎn)方向糾偏作用。2）發(fā)生豎直方向偏差時，操作人員應(yīng)及時減緩?fù)七M(jìn)速度，并根據(jù)雙光靶測量導(dǎo)向系統(tǒng)反映出的偏差值判斷此時頂管機(jī)是出現(xiàn)磕頭或者上仰的情形，加大頂部或底部千斤頂產(chǎn)生的力度對頂管機(jī)頭部的豎直角度進(jìn)行糾正。3）在發(fā)生水平方向偏差時，同樣根據(jù)系統(tǒng)反饋的偏差值判斷出頂管機(jī)此時是左偏還是右偏，并調(diào)節(jié)對應(yīng)方向千斤頂?shù)牧Χ葘λ椒较蜻M(jìn)行糾正。4）在曲線段對測站的布置及頂進(jìn)誤差須嚴(yán)格控制。測量原理如圖2所示。

圖2 測量原理圖

以曲線施工段W31-W33為例。測量距離公式如下。

式中：為最大一次測量距離；為管內(nèi)徑，此處為0.5 m；為曲率半徑，由設(shè)計圖紙查為300 m。

由設(shè)計圖紙查得該段曲線弦長為32 m，所以在該段管內(nèi)應(yīng)增設(shè)一個測站C。在現(xiàn)場測量中點的坐標(biāo)可由幾何關(guān)系按式（3）算出。

式中：為測站到間的距離；為測站到間的距離；為測站到被測點間的距離；為直線與軸的夾角；為直線延長線與間的夾角。

再由誤差公式（4）算得誤差值，控制在誤差允許范圍內(nèi)。

式中：為誤差值；為被測點點向坐標(biāo)到坐標(biāo)原點的距離；為被測點點向坐標(biāo)到坐標(biāo)原點的距離；為曲率半徑。

通過上述公式計算出誤差值后，如果超出規(guī)范允許值，須按照先上下糾偏后左右糾偏的方法進(jìn)行校正，校正時應(yīng)多次微調(diào)，糾偏角度應(yīng)小于1°。經(jīng)過計算誤差值為-2mm，滿足規(guī)范要求，通過對導(dǎo)向點的合理布置及精度把握為施工頂進(jìn)奠定良好的基礎(chǔ)。

3.3 頂進(jìn)困難

施工中出現(xiàn)頂管機(jī)頂進(jìn)困難，頂進(jìn)長度達(dá)不到預(yù)期值。

由于土體性質(zhì)不同，觸變泥漿注入的方法、壓力不當(dāng)或配比出現(xiàn)問題導(dǎo)致土體與頂管機(jī)間摩擦阻力偏大，因此導(dǎo)致頂進(jìn)困難，無法達(dá)到預(yù)期進(jìn)度。

對觸變泥漿在注入方法上應(yīng)根據(jù)施工情況科學(xué)選擇，應(yīng)先根據(jù)施工段落計算注漿壓力，得到初始值，在頂進(jìn)過程中根據(jù)壓力監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行調(diào)整。對混凝土配和比的選擇應(yīng)先進(jìn)行對比試驗，根據(jù)試驗結(jié)果選擇出觸變泥漿性能最佳時的配合比，確定后再進(jìn)行施工。具體控制措施如下：注漿孔的位置應(yīng)根據(jù)實際情況合理選擇，保證注入的漿液能均勻包裹住管道外壁，現(xiàn)場注漿過程中應(yīng)做到先注入泥漿后再開始頂進(jìn)作業(yè)，隨著頂進(jìn)過程均勻的注入泥漿并注意隨時補(bǔ)充。壓力值控制在0.3 MPa～0.4 MPa。

對不同性質(zhì)的土體配置對應(yīng)的觸變泥漿，觸變泥漿的參數(shù)見表1。

表1 觸變泥漿配比（1 m3）及主要性能指標(biāo)

根據(jù)現(xiàn)場施工情況提前計算出觸變泥漿的注入壓力值。取W29～W31段頂管進(jìn)行計算，觸變泥漿壓力值計算公式如下。

式中：為觸變泥漿壓力；γ為水的容重，此處取9.8 kN/m；為頂管機(jī)頂部以上的水柱高，由地勘報告查得為5.2 m；為土的重度，此處取16.9 kN/m；為管道覆土厚度，此處為5 m；為土的內(nèi)摩擦角，此處為4.2°；為土的凝聚力，此處為5.5 kPa。

考慮到實際施工有部分誤差，實際注漿壓力值取計算值的1.6倍即為0.18 MPa。同理，其他施工段計算對應(yīng)的注漿壓力值，根據(jù)隔膜式壓力表反應(yīng)的數(shù)值對壓力進(jìn)行監(jiān)控，從而保證正常頂進(jìn)施工。

對觸變泥漿配合比進(jìn)行試驗，研究外摻劑PAM和腐蝕酸鉀在不同占比條件下對觸變泥漿性能的影響，根據(jù)試驗確定最佳的配合比。試驗開始前初始配合比定為膨潤土∶CMC∶純堿∶ PAM∶腐殖酸鉀=8%∶0.1%∶0.3%∶0.05%∶0.1%。對PAM和腐蝕酸鉀占比進(jìn)行調(diào)整，其試驗見表2和表3。

表2 觸變泥漿配合比試驗1（PAM含量變化）

表3 觸變泥漿配合比試驗2（腐殖酸鉀含量變化）

試驗結(jié)果如圖3所示。根據(jù)試驗結(jié)果可知，其他材料占比保持不變情況下，隨著PMP占比增大，泥漿的析水率和失水量變化不明顯，泥漿的黏度變化較為敏感，當(dāng)PMP占比在0.05%時，泥漿的黏度指標(biāo)處于一個較優(yōu)的狀態(tài)（表1），超過0.05%后泥漿黏度進(jìn)一步增大，流動性降低，不利于觸變泥漿發(fā)揮性能。

圖3 觸變泥漿配合比試驗圖

當(dāng)腐殖酸鉀占比增大，泥漿析水率無變化為0，泥漿剛開始隨著腐殖酸鉀占比增加黏度和失水量降低，流動性表現(xiàn)良好，占比增大到0.15%后，泥漿黏度和失水量無明顯變化，證明腐殖酸鉀在一定范圍內(nèi)能降低泥漿失水量和黏度，提高泥漿的性能參數(shù)。綜合2個外加劑試驗結(jié)果，PMP和腐殖酸鉀最佳占比確定為0.05%和0.1%。

4 結(jié)論

該文對現(xiàn)場施工過程中在質(zhì)量上容易出現(xiàn)的問題進(jìn)行成因分析，進(jìn)而解決問題。對泥水平衡壓力、測站布置、觸變泥漿壓力值計算和觸變泥漿配合比進(jìn)行研究，驗證了施工可靠度，并在質(zhì)量控制方面提出針對性的措施，保障了頂管施工的正常作業(yè)，積累了寶貴項目經(jīng)驗，提升了施工質(zhì)量。