廣東某城區(qū)污水管網(wǎng)改造工程QC小組活動(dòng)在減少淺覆土大口徑頂管施工地表隆起中的應(yīng)用

徐云浦 黎大鵬

（中交四航局第七工程有限公司）

1 工程背景

廣東某城區(qū)污水管網(wǎng)改造工程（首期）項(xiàng)目包括完善排水管工程、改造排水管工程、城中村污水管工程、完善污水管及堤岸加固工程。項(xiàng)目實(shí)施排水管網(wǎng)總長120.76km。其中頂管施工17km，占施工排水管網(wǎng)總長的很大比重，頂管施工按照管徑分類主要有：DN800、DN1000、DN1200、DN1500、DN1800、DN2400、DN3000。其中大口徑頂管總長度4.5km，主要集中在建設(shè)一路、三都街工點(diǎn)，平均覆土深度2.5m，其中三都街Y1-Y5段、建設(shè)一路Y50-Y55段頂管覆土最淺，約為1.5m。

質(zhì)量控制小組由施工、技術(shù)及測(cè)量等工作崗位的員工加入，運(yùn)用質(zhì)量管理的理論和方法[1]展開小組活動(dòng)，基于客觀事實(shí)，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法為解決問題的基本原則[2]。

2 課題選擇

本項(xiàng)目頂管施工覆土層淺且距離建筑物比較近，部分頂管施工段地下水位較高，傳統(tǒng)的施工工藝容易造成路面開裂，從而引發(fā)附近建筑物地基沉降等問題[3]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，以及小組會(huì)議討論論證后，決定選擇“減少淺覆土大口徑頂管施工地表隆起”為課題。該小組在2021 年3 月1 日至6 月10 日，圍繞該課題展開活動(dòng)共計(jì)20次。

3 目標(biāo)設(shè)定及可行性分析

2021 年3 月11 日，對(duì)Y68-Y65 路 段DN3000 頂管 進(jìn)行試頂，全程監(jiān)測(cè)頂管沿線路面開裂情況、隆起沉降情況。本段施工場(chǎng)地較為空曠，周邊無建筑物。沿線在固定距離取共計(jì)6 個(gè)點(diǎn)，通過對(duì)本段頂進(jìn)數(shù)據(jù)的采集，結(jié)合路面實(shí)際變化情況，制成表1 進(jìn)行分析。本試頂段頂進(jìn)距離150m，覆土深度在2.2-2.6m 之間，相較于《頂管技術(shù)規(guī)程》[4]中要求的1.5D覆土深度明顯不足。

表1 試頂段路面變化情況匯總

本次QC 活動(dòng)的目標(biāo)是減少頂管過程中地表隆起，由原來的150m 間引起地面隆起平均值5.4cm，減少至2.0cm 以內(nèi)。QC 小組主要成員學(xué)歷較高，具有良好的科研技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并且多次邀請(qǐng)相關(guān)領(lǐng)域的專家進(jìn)行專題授課，了解相關(guān)技術(shù)，為本次QC 課題攻關(guān)提供良好的基礎(chǔ)。此外，參與頂管施工的隊(duì)伍均為長期進(jìn)行頂管施工的專業(yè)工程公司，配備多名經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)頂管操作手以及國內(nèi)先進(jìn)的頂管設(shè)備，具有多個(gè)高難度頂管施工的經(jīng)驗(yàn)。因此此次QC活動(dòng)的目標(biāo)是能夠?qū)崿F(xiàn)的。

4 原因分析及要因確認(rèn)

4.1原因分析

通過現(xiàn)狀調(diào)查及原因分析，梳理造成頂管施工質(zhì)量低的因素，歸納起來有人、材、機(jī)、環(huán)、法、測(cè)六個(gè)方面。QC 小組采用頭腦風(fēng)暴法展開討論和分析研究，繪制因果圖（見圖1）對(duì)問題產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析。

圖1 原因分析魚骨圖

4.2要因確認(rèn)

經(jīng)過小組成員分工后，通過查閱資料[5]、現(xiàn)場(chǎng)勘查、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方式，對(duì)產(chǎn)生的原因逐一排查，最后確認(rèn)造成頂管施工質(zhì)量低的因素主要有頂進(jìn)速度過快，排泥量不足；地質(zhì)情況復(fù)雜以及土質(zhì)較硬導(dǎo)致頂管阻力較大。

5 對(duì)策制定及實(shí)施

5.1對(duì)策制定

通過驗(yàn)證找出影響頂管變形量的要因后，小組成員經(jīng)過反復(fù)討論，總結(jié)了頂管施工對(duì)路面變形產(chǎn)生影響的原因：地質(zhì)情況復(fù)雜，部分區(qū)域土體較硬，導(dǎo)致頂進(jìn)阻力增大；同時(shí)在施工過程中，又無法很好地控制排泥量，強(qiáng)行加大頂力，導(dǎo)致在頂進(jìn)過程中路面變形難以控制。針對(duì)這一系列原因，制定了相應(yīng)的對(duì)策，具體對(duì)策措施見表2。

表2 對(duì)策措施

5.2對(duì)策實(shí)施

5.2.1對(duì)策實(shí)施一：控制頂進(jìn)速度或增大排泥量

QC 小組成員首先向頂管操作人員進(jìn)行交底，在保證頂管施工質(zhì)量的情況下，盡可能控制頂進(jìn)速度，同時(shí)采取其他方法，增加排泥量：吸取試頂階段的經(jīng)驗(yàn)，在堅(jiān)硬的粘性土層中采用高壓水槍沖洗機(jī)頭前部土體，使之可以更快地進(jìn)入排泥艙，有效地減少了頂力，提升了頂進(jìn)速度，見表3。

表3 高壓水槍減阻前后效果情況對(duì)比

5.2.2對(duì)策實(shí)施二：換填處理復(fù)雜土質(zhì)

首先，QC 小組成員整理了建設(shè)一路、三都街的地勘資料，針對(duì)所有覆土層淺、地質(zhì)情況復(fù)雜的區(qū)段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，將實(shí)際情況整理反饋，結(jié)合數(shù)據(jù)利用Midas 進(jìn)行模擬分析，見圖2。

圖2 Midas模擬示意圖

⑴通過地勘等方式獲取頂管施工區(qū)域土層性質(zhì)參數(shù)，建立模型。

⑵利用試頂數(shù)據(jù)，模擬大頂管施工工況，對(duì)該工況下的土壓力進(jìn)行模擬。

⑶對(duì)薄弱或多石塊的地段進(jìn)行開挖換填處理，換填后及時(shí)、反復(fù)壓實(shí)，并通過Midas復(fù)核覆土壓力。

通過在覆土層淺、地質(zhì)情況復(fù)雜的地方進(jìn)行換填，可以避免土層中的雜物、石塊影響頂進(jìn)，防止雜物堵塞刀盤上的排泥孔，從而影響泥水平衡循環(huán)。從施工速度的角度考慮，刀頭沒有配備滾刀，因而無法切削石塊，石塊進(jìn)入泥水倉后，極易堵塞排泥管，不僅會(huì)引發(fā)出泥速度過慢，還會(huì)導(dǎo)致頂力過大，引發(fā)其他各類問題。

對(duì)石塊過多的地塊進(jìn)行換填之后，需要進(jìn)行反復(fù)壓實(shí)，否則覆土過于松軟，不能為頂管機(jī)頭提供足夠的覆土壓力，在機(jī)頭周邊土壓力的作用下，易使機(jī)頭前部上浮，難以控制頂進(jìn)姿態(tài)。因此，在換填、壓實(shí)之后，利用Midas進(jìn)行模擬復(fù)核，保證頂管施工的順利進(jìn)行。

通過模擬大頂管的工況，判斷出頂管中軸線的最上方最容易出現(xiàn)開裂，針對(duì)性地采取復(fù)壓等措施，從而順利完成頂管施工，并且可以對(duì)開裂、變形出現(xiàn)的部位提前做出預(yù)案，一旦施工造成了路面變形，可以第一時(shí)間進(jìn)行修復(fù)，避免造成更大的影響。

5.2.3對(duì)策實(shí)施三：減少頂進(jìn)過程中的阻力

⑴在頂管施工過程中最通用的減阻措施就是觸變泥漿的使用。QC 小組成員首先對(duì)當(dāng)前使用的觸變泥漿各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定，又結(jié)合當(dāng)前土質(zhì)情況對(duì)泥漿的各項(xiàng)參數(shù)提出了理論上的優(yōu)化方案，并通過實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于施工現(xiàn)場(chǎng)。通過查閱相關(guān)資料并結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)，小組成員確定了影響泥漿最主要的各項(xiàng)指標(biāo)有：

①失水量：一定體積的泥漿在0.69MPa 的壓力下濾出的溶液體積。失水后泥漿固相顆粒附著在一起形成“濾餅”。頂管施工中要求觸變泥漿的失水量≤25cm3/30min，濾餅致密完整。

②析水率：觸變泥漿靜置24h 后從漿液中離析出來水的體積與原泥漿體積的比值。施工中要求觸變泥漿析水率為零。

③密度和pH：泥漿密度過低無法支撐地層，過高則會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)性較差。泥漿呈強(qiáng)堿性時(shí)，泥漿不穩(wěn)定，會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象，而過酸則會(huì)腐蝕管材。通常要求密度為1.05～1.16g/cm3，pH在8～10之間。

④表觀黏度和塑性黏度：反映泥漿網(wǎng)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的大小，其大小適中時(shí)泥漿網(wǎng)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高。

⑤靜切力和動(dòng)切力：觸變泥漿在靜置狀態(tài)時(shí)克服其內(nèi)部摩擦作用而發(fā)生流動(dòng)所需要的最小剪切力為靜切力(初切力和終切力)，其中使泥漿處于層流流動(dòng)狀態(tài)時(shí)所需要的最小剪切力為動(dòng)切力。

⑥觸變性：評(píng)價(jià)泥漿質(zhì)量良好與否的重要性能指標(biāo)，觸變性較強(qiáng)的泥漿減阻效果較好。

⑦動(dòng)塑比：衡量泥漿剪切稀釋特性的重要性能指標(biāo)，反映剪切稀釋作用的強(qiáng)弱。

QC 小組成員經(jīng)過一系列的實(shí)驗(yàn)，測(cè)定了原用泥漿及優(yōu)化方案，見表4。

表4 泥漿優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比

⑵在管壁外側(cè)進(jìn)行刷蠟減阻，所涂蠟油是一種液體聚合物，能夠快速提高泥漿黏度。按照蠟油與水的比例約為1:2.5 將蠟油化開，調(diào)整pH 值至9，使蠟油整體呈弱堿性。

在加入膨潤土?xí)r將一部分蠟油，以緩慢、穩(wěn)定的速度加入，并充分?jǐn)嚢杈鶆?，將另一部分蠟油均勻涂抹在管壁周圍。這種做法可以保證觸變泥漿的參數(shù)不會(huì)受到蠟油太大影響，同時(shí)將蠟油涂抹于管壁周圍，當(dāng)觸變泥漿隨注漿管流至管壁周圍時(shí)，又可以與蠟油充分融合，提升黏度。

⑶使用鋼片將1～5 節(jié)管節(jié)連接起來，此方法有效地增強(qiáng)了機(jī)頭部分管節(jié)的連接性，使之成為一個(gè)整體，更有利于控制頂管頂進(jìn)的方向，使之在軟弱地層中可以穩(wěn)定頂進(jìn)。頂管管節(jié)的接縫處需要采用水泥砂漿進(jìn)行抹平，其作用為：第一可以防止接縫處滲漏地下水；第二可以保持各個(gè)管節(jié)之間相互連接成為一個(gè)整體，更有利于維持良好的頂進(jìn)姿態(tài)，使管道保持一個(gè)穩(wěn)定的坡度。

⑷為防止觸變泥漿在注漿孔發(fā)生滲漏，項(xiàng)目部針對(duì)注漿孔進(jìn)行了創(chuàng)新性的改進(jìn)。相比于在注漿孔內(nèi)只設(shè)置止逆閥的現(xiàn)有方案，增加了鴨嘴閥并用延長管將鴨嘴閥與止逆閥連通為整體，通過鴨嘴閥和止逆閥組合的雙重單向閥門結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)止逆效果，增強(qiáng)了注漿孔的密封性，避免管道外側(cè)的減阻泥漿或微膨脹水泥砂漿沿止逆閥與注漿孔內(nèi)壁之間的縫隙滲透進(jìn)管道內(nèi)。見圖3。

圖3 新型注漿孔剖面圖

6 效果檢查

6.1質(zhì)量檢查

QC 小組成員對(duì)在實(shí)施對(duì)策階段（2021 年5 月1 日-30日）完成的Y1-Y5段、Y39-Y65段頂管施工質(zhì)量進(jìn)行了全面統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果見表5。

表5 大頂管施工穩(wěn)定情況匯總

從表5 可以看出，路面平均隆起值為1.11㎝，只有Y52-Y53 段出現(xiàn)輕微隆起開裂，項(xiàng)目整體達(dá)到了預(yù)期效果，實(shí)現(xiàn)了課題目標(biāo)，效果對(duì)比見圖4。

圖4 QC實(shí)施前后頂管施工地表隆起值對(duì)比圖

從圖4可知，QC活動(dòng)的實(shí)施有效地提升了頂管頂進(jìn)姿態(tài)的穩(wěn)定性，提高了施工質(zhì)量，并且對(duì)于頂進(jìn)的精準(zhǔn)度有很大的提升，最大程度地減小了頂管施工對(duì)路面及周邊區(qū)域造成的影響。

6.2經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估

對(duì)三都街Y1-Y5 段、建設(shè)一路Y39-Y65 段頂管施工進(jìn)行成本費(fèi)用統(tǒng)計(jì)，見表6。本次QC活動(dòng)能夠產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益為256680元。

表6 QC活動(dòng)經(jīng)濟(jì)效益

7 結(jié)語

此次QC 小組活動(dòng)，有效地減少了路面隆起、開裂，保證了頂管施工的穩(wěn)定性，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。為提高成果的有效性和持續(xù)性，QC 小組舉行培訓(xùn)班和成果交流活動(dòng)，使全體施工管理人員和作業(yè)人員熟悉大頂管施工工藝和質(zhì)量控制措施，使活動(dòng)成果得以在整個(gè)工程施工中全面推廣，同時(shí)為其他同類工程提供借鑒。