市政給排水工程中的長距離頂管施工技術(shù)的應(yīng)用分析

勞維挺

(湛江市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)院，廣東 湛江 524000)

0 引 言

本文依托湛江市某市政給排水長距離頂管施工項(xiàng)目，在分析目前長距離頂管施工技術(shù)的現(xiàn)狀和存在問題的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程地質(zhì)條件選取設(shè)備型號，對長距離頂管施工工藝進(jìn)行分析，研究了施工中的風(fēng)險以及相應(yīng)的防控措施。研究成果可為市政工程給排水管網(wǎng)的長距離敷設(shè)提供參考案例。

1 長距離頂管施工現(xiàn)狀問題分析

相比于普通的短距離頂管技術(shù)，長距離頂管技術(shù)面臨的施工問題更為復(fù)雜，施工難度更大。其中最大的施工難題主要集中在3個方面，分別為管壁摩阻力的降低、管道線形糾偏、地表沉降控制。

1.1 管壁摩阻力的降低

頂管頂進(jìn)過程中，長距離穿越不同軟硬程度的地層或巖層，需要克服巖土層對管壁的阻力大，降低管壁摩阻力，提供定進(jìn)施工進(jìn)尺及頂進(jìn)效率是頂管是施工最為重要的工作內(nèi)容。

在現(xiàn)有的減少阻力的手段中，最為常見的是采用注入泥漿的方法降低管壁與土體的摩擦系數(shù)。這是因?yàn)轫敼軝C(jī)設(shè)備的尺寸相比于管段的直徑要大，導(dǎo)致管段與原狀土體之間存在2～5 cm的縫隙，通過對縫隙注入泥漿，泥漿在滲透壓力和電化學(xué)吸附的作用下，在土體顆粒之間的孔隙內(nèi)滲透，將堵塞土顆粒間孔隙形成低滲透的泥皮，在管段周圍形成的泥皮相當(dāng)于一個密閉的防水體系，保證泥漿不會進(jìn)一步往土體內(nèi)滲透，因此管段在泥漿漿液柱壓力作用下懸浮，同時頂進(jìn)時，泥漿在管段與原狀土體之間的縫隙內(nèi)流動，具有潤滑和濕摩阻的作用，大大減小了管段的摩阻力。

1.2 管道線形糾偏

在頂管的頂進(jìn)過程中，管道的線形控制直接關(guān)系到管段的敷設(shè)質(zhì)量，由于在長距離的給排水管網(wǎng)頂進(jìn)時不可避免地遇到地下硬層、地下障礙物，導(dǎo)致管段的偏移，影響機(jī)頭的位置和前進(jìn)方向，當(dāng)偏角過大時，導(dǎo)致實(shí)際軸線偏離設(shè)計(jì)軸線過大，若沒有及時校正，將影響建造質(zhì)量或者增加施工工期，嚴(yán)重地則損害管接頭。

在管道線形糾偏方面，一般通過監(jiān)控量測的手段進(jìn)行預(yù)防，在糾正措施方面，依據(jù)監(jiān)控量測系統(tǒng)對頂進(jìn)線形進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，形成頂進(jìn)曲線，當(dāng)出現(xiàn)偏角過大時，對千斤頂?shù)捻斶M(jìn)推力、頂進(jìn)速率進(jìn)行調(diào)整，并減緩頂進(jìn)形成，逐步糾正頂進(jìn)方向。目前，一般對于嚴(yán)重的偏角還沒有有效的處理措施，最后的結(jié)果還是采用開挖糾偏，但這影響到工程建設(shè)周期和工程成本，所以，現(xiàn)在較多的研究學(xué)者針對糾偏展開大量的智能控制研究。

1.3 地表沉降控制

與一般的開挖工程類似，頂管工程也會對土體造成一定的擾動，在軟弱松散土層中，極易引起地面產(chǎn)生較大沉降，當(dāng)頂管上覆土層中存在空洞時，甚至引起地表坍塌的事故。因此頂管的進(jìn)尺控制、土層損失率控制、出土速率以及頂管刀盤土壓力控制方面嚴(yán)格把控。對地表和周邊建筑物進(jìn)行監(jiān)控量測和做好風(fēng)險預(yù)案等。

在地表沉降的研究方面，目前關(guān)于沉降的計(jì)算方法比較成熟。在地表內(nèi)土體擾動程度的計(jì)算方面，Hansmier等人提出了擾動區(qū)范圍和重疊擾動區(qū)范圍的計(jì)算公式；在地表沉降計(jì)算方面，Peck提出了地表沉降槽理論，如公式(1)所示。

(1)

式中：s為地表的沉降值，mm；smax為地表最大沉降值，mm；x為計(jì)算距離，m；i為沉降槽寬度，m。

2 工程案例

2.1 工程簡介

湛江市某市政給排水長距離頂管施工項(xiàng)目，起止樁號為K0+144.210～K11+047.730，全長約10.8 km，全線管道施工以頂管方式為主，部分地段含少量明挖段。其中，K6+514.172～K7+238.547、K7+238.547～K8+778.663、K8+778.663～K10+287.99采用D4000鋼筋混凝土管頂進(jìn)，總長約3.77 km。全線共43座豎井均采用沉井法施工。豎井深19.6～25.2 m，頂管埋深9.2～17.2 m。工作內(nèi)容見表1。

表1 主要工程量

2.2 工程地質(zhì)條件

工程場區(qū)沿線現(xiàn)狀主要為渠道、市政道路、荒地、駕校場地、菜地、湖塘等，場地現(xiàn)狀地形有一定起伏，高程在15.35～32.17 m變化。廠區(qū)內(nèi)由上而下主要由7個單元層構(gòu)成，第一單元層為人工填土(含現(xiàn)狀道路及路基)及湖積淤泥層；第二單元層為一般黏性土、淤泥質(zhì)土層；第三單元層為老黏性土、老黏性土夾碎石以及黏質(zhì)砂、礫卵石層；第四單元層為紅黏土及紅黏土夾碎石；第五單元層為泥質(zhì)粉砂巖、角礫巖；第六單元層為灰?guī)r；第七單元層為炭質(zhì)泥巖、灰?guī)r等。各層土的力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 場區(qū)各層土力學(xué)參數(shù)

2.3 設(shè)備選型

D4000 mm鋼筋混凝土頂管內(nèi)徑4.0 m、外徑4.8 m，共分三段頂進(jìn)，分別為725 m、1 540 m、1 509 m，設(shè)工作井、接收井共4座，其中1#、3#、4#為始發(fā)豎井，采用圓形截面，內(nèi)直徑為13 m，2#為接收豎井，采用圓形截面，內(nèi)直徑為8 m。

1#(K6+514.172)～2#(K7+238.547)井段：頂管穿越地層上軟下硬，管道上部主要分布有粉質(zhì)黏土夾粉土、黏質(zhì)中細(xì)砂，底部主要為強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化泥巖。

2#(K7+238.547)～3#(K8+778.663)井段： K8+320為軟硬交界處；在2#(K7+238.547)～K8+320井段，地層上軟下硬，管道上部主要分布有黏土、粉質(zhì)黏土，底部主要為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖；K8+320～3#(K8+778.663)井段，地層主要有黏土、粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾粉土。部分段穿越黏質(zhì)中細(xì)砂、礫卵石層。

3#(K8+778.663)～4#(K10+287.99)井段：頂管穿越地層黏土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。

根據(jù)頂管機(jī)穿越不同地層對刀盤進(jìn)行合理選型。如果地層條件為黏性土，刀具主要以刮刀為主；如果地層條件為全強(qiáng)風(fēng)化巖，刀具主要以滾刀為主。刮刀輔助削切，刀盤在千斤頂?shù)淖饔孟屡c巖體接觸擠壓并旋轉(zhuǎn)，滾刀在刀盤驅(qū)使作用下對巖石破碎和切削，巖石在刮刀的作用下進(jìn)一步細(xì)化顆粒，能夠滿足在巖層中掘進(jìn)需求。

根據(jù)各頂管段所穿越土層的情況、頂管的穿越深度以及《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》(CECS 246—2008)，綜合考慮項(xiàng)目的建設(shè)周期、工程質(zhì)量和安全、造價成本等，項(xiàng)目采用泥水平衡頂管施工。泥水平衡頂管機(jī)是在護(hù)盾的保護(hù)下，通過刀盤對巖土體的切削攪拌進(jìn)行開挖掘進(jìn)，同時設(shè)備還配備了進(jìn)水排漿體系、線形糾偏設(shè)備以及監(jiān)控量測體系以保證頂進(jìn)的正確施工。頂管機(jī)分為三個部分：刀盤、前筒、后筒，整機(jī)設(shè)備外觀如圖1所示。

圖1 泥水平衡頂管機(jī)示意

3 長距離頂管施工工藝及風(fēng)險分析

3.1 長距離頂管施工工藝

泥水平衡頂管機(jī)頂進(jìn)系統(tǒng)主要由主千斤頂、主頂油泵、頂鐵、掘進(jìn)機(jī)頭、進(jìn)排泥系統(tǒng)、泥水分離裝置以及微機(jī)操作室等設(shè)備組成。頂管施工工藝流程如圖2所示。

圖2 頂管施工工藝流程

3.2 長距離頂管施工風(fēng)險分析

3.2.1 頂管管道軸線偏差過大

在頂管頂進(jìn)過程中，不可避免地遇到硬層、巖土交界面或者地下障礙物導(dǎo)致管道的推進(jìn)曲線與設(shè)計(jì)不符，出現(xiàn)不同程度的偏差，使得管道扭曲變形，嚴(yán)重時使得管節(jié)段之間相互錯位，破損滲漏。

原因分析：①刀盤正面切削巖土層遇到的阻力過大，造成導(dǎo)向偏離，最終使得管段的中心軸線出現(xiàn)不同程度偏角；②后背墻不穩(wěn)定、不平整，當(dāng)頂進(jìn)壓力過大時，后背墻產(chǎn)生位移使得千斤頂?shù)氖芰Σ痪鶆?，頂進(jìn)合理方向偏離預(yù)定管道軸線方向，最終產(chǎn)生偏角和位移。

圖3 頂管頂進(jìn)時墻背穩(wěn)固

預(yù)防措施及治理措施：①在頂管施工的準(zhǔn)備階段，通過對頂進(jìn)沿線的地質(zhì)條件進(jìn)行掌握，分析不良地質(zhì)作用和特殊地層，在施作工程中依賴設(shè)備儀器的監(jiān)控量測，調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，以保證線形指標(biāo)參數(shù)的正確；②為保證后背墻不影響頂進(jìn)過程合力方向，在頂進(jìn)前應(yīng)檢查后背墻的工程質(zhì)量，同時對其進(jìn)行平整度檢查，使得千斤頂設(shè)備的安裝準(zhǔn)確，如圖3所示，如果發(fā)現(xiàn)后背墻在頂推力作用下發(fā)生變形和位移，應(yīng)及時采用加固措施，防止墻背位移產(chǎn)生的不良后果；③在實(shí)施過程中，依據(jù)監(jiān)控量測系統(tǒng)對頂進(jìn)線形進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，形成頂進(jìn)曲線，當(dāng)出現(xiàn)偏角過大時，對千斤頂?shù)捻斶M(jìn)推力、頂進(jìn)速率進(jìn)行調(diào)整，并減緩頂進(jìn)形成，逐步糾正頂進(jìn)方向。

3.2.2 在頂進(jìn)過程中頂進(jìn)壓力突然增大

頂管施工過程中，表現(xiàn)為頂進(jìn)壓力突然增大，頂進(jìn)困難。

原因分析：①當(dāng)頂進(jìn)過程中擾動土層導(dǎo)致塌方將管段抱箍，或者是刀盤遇到硬質(zhì)地層或孤石等障礙物，使得頂進(jìn)壓力迅速增加，另外管道的偏移，導(dǎo)致行進(jìn)曲線蛇形也會導(dǎo)致摩阻力增加；②摩阻力減小措施不恰當(dāng)或不及時，在頂進(jìn)過程中需要配置一定量的膨潤土泥漿液對管段進(jìn)行潤滑，如果采取的配置泥漿比例不當(dāng)或者沒有在摩阻力增加時及時注漿均會導(dǎo)致頂進(jìn)壓力增加；③頂進(jìn)設(shè)備油泵、油缸、油路發(fā)生故障。

預(yù)防措施及治理措施：①在施作過程中，加強(qiáng)監(jiān)控量測措施，保證頂進(jìn)的曲線正確，實(shí)際行走曲線與設(shè)計(jì)曲線相符，偏差在容許范圍內(nèi)；②根據(jù)地層條件的不同，配置不同比例的泥漿，為了保證泥漿的及時供應(yīng)，應(yīng)具有一定的儲備量；③頂進(jìn)施工前對頂進(jìn)設(shè)備進(jìn)行認(rèn)真的檢修保養(yǎng)，如果出現(xiàn)異常，應(yīng)及時查明原因并維修合格后方可進(jìn)行下一步的操作。

3.2.3 頂管機(jī)叩頭

由于地層不均或者頂進(jìn)壓力失去平衡，在頂進(jìn)過程中機(jī)頭的推進(jìn)呈現(xiàn)不斷往下的趨勢，并采用糾偏措施后仍未有明顯改觀。

原因分析：①一般而言，頂管機(jī)的叩頭現(xiàn)象主要發(fā)生在粉細(xì)砂或者軟土層中，這是因?yàn)槟嗨胶忭敼軝C(jī)的重量較大，在施作頂進(jìn)時不可避免地產(chǎn)生振動，振動加上重荷載使得飽水粉細(xì)砂振動液化，而軟土則失去結(jié)構(gòu)特性導(dǎo)致強(qiáng)度折減，土層承載力喪失，引起頂進(jìn)下沉；②上下土層剛度呈現(xiàn)明顯差異，并明顯表現(xiàn)出上層硬下沉軟，在頂進(jìn)施工時機(jī)頭往往在下層中掘進(jìn)快，而上層掘進(jìn)慢，導(dǎo)致頂管機(jī)頭下移；③泥水壓力控制不好。

預(yù)防措施及治理措施：①在頂進(jìn)前，對場區(qū)沿線的地質(zhì)勘察報告進(jìn)行研讀，分析場區(qū)內(nèi)的粉細(xì)砂層和軟土的分布，以控制掘進(jìn)參數(shù)和調(diào)配合適地層的泥漿；②當(dāng)遇到土層性質(zhì)差異大，土層的剛度表現(xiàn)為上硬下軟，在頂進(jìn)時調(diào)整千斤頂?shù)氖芰Γ沟庙斶M(jìn)機(jī)頭上抬，以控制頂進(jìn)方向和偏角。

3.2.4 地表沉降過大

在頂進(jìn)施工時不可避免地對巖土層進(jìn)行結(jié)構(gòu)擾動，使得其強(qiáng)度和位移發(fā)生變化，發(fā)生地表位移，甚至在工后一定時間內(nèi)，地表的沉降仍未有完全穩(wěn)定，沉降的寬度的深度不斷增加。

原因分析：①在施工期間，對泥漿液的泥水比例較小，導(dǎo)致頂進(jìn)時土體損失率較大，土體超挖，進(jìn)而引起空隙的壓密和坍塌，傳遞至地面引起沉降；②由于頂管施工振動引起的擾動而產(chǎn)生沉降；③由于潤滑漿套內(nèi)的漿液流失所造成的沉降；④由于采取了輔助的降水施工所造成的沉降。

預(yù)防措施及治理措施：①膨潤土泥漿液的泥水比例應(yīng)更具地層條件配比，應(yīng)保證一定的稠度。在周邊環(huán)境敏感區(qū)域或者地表沉降控制嚴(yán)格區(qū)域，在頂管施工完成后對管段周圍進(jìn)行水泥注漿，以置換膨潤土泥漿并加固土層；②盡量少采用降水這一輔助施工手段。

4 總 結(jié)

城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷加大，對市政管網(wǎng)的建設(shè)要求也不斷增加。長距離頂進(jìn)管道面臨諸多挑戰(zhàn)，施工難度更大，需要克服長距離頂管技術(shù)中的管壁摩阻力的降低、管道線形糾偏、地表沉降控制難題。本文依托湛江市某市政給排水長距離頂管施工項(xiàng)目，在分析目前長距離頂管施工技術(shù)的現(xiàn)狀和存在問題的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程地質(zhì)條件選取設(shè)備型號，對長距離頂管施工工藝進(jìn)行分析，研究了施工中的風(fēng)險以及相應(yīng)的防控措施。研究成果提高了頂管施工效率、保證了管線頂進(jìn)質(zhì)量，為發(fā)展城區(qū)長距離給排水管網(wǎng)頂進(jìn)施工工藝提供了案例參考。