復(fù)雜管線環(huán)境下頂管法施工在智慧城市建設(shè)中的應(yīng)用

肖 敏

(亳州市重點(diǎn)工程建設(shè)管理服務(wù)中心,亳州 236800)

隨著城市化進(jìn)程的快速發(fā)展,智慧城市建設(shè)在地下綜合管廊建設(shè)、地下管線改造、城市供水管網(wǎng)建設(shè)、城市燃?xì)夤艿澜ㄔO(shè)等方面得到了快速發(fā)展,城市地下空間的管線網(wǎng)絡(luò)越來越復(fù)雜,傳統(tǒng)的開挖施工方式往往需要大面積的地面掘進(jìn),給城市交通和居民生活帶來極大的不便和干擾[1]。頂管法作為一種非開挖施工技術(shù),可以最大限度地減少對地表和現(xiàn)有管道的破壞,大大減少了對交通和環(huán)境的影響,可以實(shí)現(xiàn)地下管道的快速建設(shè)和優(yōu)化,提高施工效率和安全性,提高管網(wǎng)設(shè)施的可持續(xù)發(fā)展水平[2-5]。因此,研究頂管法施工在智慧城市建設(shè)中的應(yīng)用對于推動城市管網(wǎng)設(shè)施的建設(shè)和升級具有重要意義。

1 工程概況

湯遜湖污水處理廠尾水排江工程為智慧城市水網(wǎng)工程建設(shè)的重要內(nèi)容,主要為削減污水處理廠尾水入湖污染,新建尾水排江管道將尾水從污水處理廠排至東港,再轉(zhuǎn)至巡司河后入江。工程范圍起點(diǎn)為湯遜湖污水處理廠,途經(jīng)濱湖路、武大園路、華師園北路、華師園一路、華師園路、湯遜湖,止點(diǎn)為東港,起止樁號為K0+144.21～K11+047.73,全長約10.8 km。線路主要分為陸地段和穿湖段,全線管道施工以頂管方式為主。陸地段含少量明挖段,陸地段采用雙排DN1 240×20 mm焊接鋼管頂進(jìn),總長約7.06 km;穿湖段采用D4 000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。陸地段豎井編號W1(W2合并:K0+148.6)～1#(K6+514.172)、4#(K10+287.99)～W45(K11+047.73),井深約5.8～16.6 m,管埋深大約7～11 m;穿湖段豎井編號1#(K6+514.172)～4#(K10+287.99),井深約19.6～25.2 m,頂管埋深9.2～17.2 m。項目主要包括頂管施工、沉井施工、電氣及自控設(shè)備安裝,主要工程量如表1所示。

表1 頂管施工主要工程量

2 場區(qū)工程地質(zhì)條件

工程場區(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。

3 頂管機(jī)械設(shè)備的選型

穿湖段采用D4 000 mm鋼筋混凝土頂管,頂管內(nèi)徑4.0 m、外徑4.8 m,共分3段頂進(jìn),頂進(jìn)長度分別為725 m、1 540 m、1 509 m,設(shè)工作井、接收井共4座,1#、3#、4#為始發(fā)豎井,平面凈尺寸為Φ13 m,2#接收豎井平面凈尺寸為Φ8 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。

3#(K8+778.663)～2#(K7+238.547)井段:頂管穿越地層3#(K8+778.663)～K8+320主要有黏土、粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾粉土,在K8+320為軟硬交界處;在K8+320～2#(K7+238.547)上軟下硬,管道上部主要分布有黏土、粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾粉土,底部主要為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。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,穿越黏土層頂管機(jī)正面刀盤主要布置刮刀;對于穿越巖層地段頂管機(jī)正面刀盤合理布置滾刀、刮刀等刀具,刮刀進(jìn)行切削巖層,能夠滿足在巖層中掘進(jìn)需求[6]。根據(jù)相關(guān)資料查閱,該工程頂管段埋深在7～16 m范圍變化,湖泊規(guī)劃控制常水位17.65 m,對頂管施工存在較大影響。根據(jù)各頂管段所穿越土層的情況、湯遜湖水位以及《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》(CECS246),并結(jié)合安全、進(jìn)度、經(jīng)濟(jì)等因素綜合考慮,選用泥水平衡施工工藝[7]。

陸地段長約7.1 km,布置雙排2-DN1 240壓力管,材質(zhì)為焊接鋼管,管道凈間距1.2 m。壓力管埋深大約7～11 m變化,根據(jù)相關(guān)資料查閱,大部分屬于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、黏土、黏土夾碎石等地層,地下常水位較高,對頂管施工存在影響。根據(jù)各頂管段所穿越土層的情況、地下水位以及《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》(CECS246),并結(jié)合安全、進(jìn)度、經(jīng)濟(jì)等因素綜合考慮,選用泥水平衡施工工藝。

在《語言、語境和語篇》（Halliday&Hasan 1985）一書中，Hasan擴(kuò)大了銜接概念的覆蓋范圍，把銜接分為非結(jié)構(gòu)銜接和結(jié)構(gòu)銜接。非結(jié)構(gòu)銜接中的成分銜接包括指稱、省略、連接詞語和詞匯銜接。結(jié)構(gòu)銜接是指平行對稱結(jié)構(gòu)、主位—述位結(jié)構(gòu)、已知信息—新信息結(jié)構(gòu)。

4 頂管法設(shè)計計算與施工技術(shù)

4.1 頂管法設(shè)計計算

為了保證頂管的順利進(jìn)行,需對頂管頂進(jìn)力、中繼間、管道抗浮穩(wěn)定性等進(jìn)行計算,其中頂管頂進(jìn)力的計算最為復(fù)雜,其主要的計算流程如圖1所示[8]。

DN4 000鋼筋混凝土頂管,管道最淺埋深為8 m,總推力計算方法如式(1)所示。

F=F1+F2

(1)

式中,F為總推力,kN;F1為迎面阻力,kN;F2為頂進(jìn)阻力,kN。

其中

F1=π/4×D2×(P+20)

(2)

P=K0×γ×H0

(3)

F2=πD×f×L

(4)

式中,D為管外徑,取4.8 m;P為控制土壓力,kPa;K0為靜止土壓力系數(shù),取0.65;H0為地面至頂管機(jī)中心的厚度,取最小值10.5 m;γ為土的濕重量,取1.8 t/m3;L為最長頂距,穿越土層取值725 m、1 540 m、1 509 m;DN4 000頂管穿越土層為黏土,f值可直接取20.0 kN/m2和10 kN/m2。

由此可得迎面阻力和頂進(jìn)阻力為

P=0.65×1.8×10.5=12.285 t/m2

(5)

F1=3.14/4×4.8×4.8×(12.285+20)=583.919 t

(6)

F2=3.14×4.8×20×725=218 544 kN=21 854.4 t

(7)

F2=3.14×4.8×10×1 540=232 108.8 kN=23 210.88 t

(8)

F2=3.14×4.8×10×1 509=227 436.48 kN=22 743.648 t

(9)

取泥水平衡頂管施工段最大的頂進(jìn)阻力進(jìn)行驗(yàn)算得知,總推力F分別為22 438.32 t、23 794.80 t、23 327.57 t。

(10)

式中,Fdc為混凝土管允許頂力,N;φ1為混凝土材料受壓強(qiáng)度折減系數(shù),可取0.90;φ2為偏心受壓強(qiáng)度提高系數(shù),可取1.05;φ3為材料脆性系數(shù),可取0.85;φ5為混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整系數(shù),可取0.79;fc為混凝土受壓強(qiáng)度設(shè)計值,N/mm2;Ap為管道的最小有效傳力面積,mm2;γQd為頂力分項系數(shù),可取1.3。

DN4 000鋼筋混凝土管f=23.1 MPa,Ap=5.526 4 m2。經(jīng)計算,混凝土管道允許頂力設(shè)計值為49 923.5 kN>F=23 794.80 t,管道結(jié)構(gòu)滿足受力要求。由此得知:頂管總推力F=22 438.32 t>N=20 000 t、F=23 794.80 t>N=20 000 t、F=23 327.57 t>N=20 000 t,不滿足頂管機(jī)頂升力要求。根據(jù)《GB 50268—2008給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》,需設(shè)置中繼間。

中繼間設(shè)計允許頂力按24 000 kN估算,頂進(jìn)長度最長為1 540 m(DN4 000),據(jù)《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》 CECS246—2008相關(guān)公式,計算中繼間個數(shù)如式(11)所示。

(11)

同理,可求得頂進(jìn)長度最長為725 m(DN4 000)、1 509 m(DN4 000)的中繼間個數(shù)均為13個,由此可知,整個頂管段共需設(shè)置13×2+14=40個中繼間。

管道抗浮穩(wěn)定性計算時,管頂豎向壓力計算如式(12)所示。

p=γH1-γsatH2-γwHw=10.5×20-20.5×0-10×10.5=105 kN/m3

(12)

頂管管節(jié)自重為G=γ×π×D0×t=143.69 kN/m,滿足抗浮要求。

4.2 頂管法施工技術(shù)

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。頂管施工時,在主頂千斤頂推動管道向前進(jìn)。推進(jìn)過程中通過頂管機(jī)的刀盤切削土體,切削下來的土體擠壓在泥土倉內(nèi),通過刀盤的轉(zhuǎn)動攪拌均勻進(jìn)入泥水倉與進(jìn)漿管送入的泥漿攪拌成濃的泥漿,再通過排漿管道將濃泥漿排出機(jī)頭。泥水平衡頂管施工工藝流程如圖2所示。

在開始頂進(jìn)前,確保洞口止水圈已正確安裝、導(dǎo)軌安裝就位且偏差符合要求,全部設(shè)備經(jīng)過檢查并試運(yùn)轉(zhuǎn)。因頂管工作井、接收井四周大部分為素填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,且存在地下水,需對頂管進(jìn)出洞口外圍土體進(jìn)行加固處理。進(jìn)出洞口采用三軸攪拌樁加固土體,洞身上部加固至管節(jié)結(jié)構(gòu)外3 m,下部為結(jié)構(gòu)外3 m,左右兩側(cè)為結(jié)構(gòu)外2 m。同時豎井外一周采用直徑1 m、間距75 cm咬合素混凝土樁進(jìn)行止水帷幕。

管道初始頂進(jìn)應(yīng)控制推進(jìn)速度,宜控制在10～20 mm/min;正常頂進(jìn)時,頂進(jìn)速度宜控制在20～30 mm/min。雙排DN1 200管道采用平行前后同步頂進(jìn)施工,雙排頂管施工必須控制合理的縱向 間距,減少雙管相互干擾,考慮前后管錯位在30 m左右,在頂管掘進(jìn)機(jī)后接入第一節(jié)管道時,頂管機(jī)尾部至少有20～30 cm處于導(dǎo)軌上。工作井的洞口應(yīng)設(shè)置止水圈和封門板;嚴(yán)格控制工具管出洞10 m范圍內(nèi)管道軌跡的偏差不大于30 mm。穿湖段長度3.77 km,采用D4 000 mm套管,套管內(nèi)套壓力管采用給水用聚乙烯(PE)管D1 400 mm,用熔接方法連接。此段在施工過程中,每節(jié)PE管在D4 000 mm外套管內(nèi)拖拉安裝的最大長度不應(yīng)超過250 m。PE管采用拖拉的方式進(jìn)行安裝,如圖3所示。

施工結(jié)果表明,采用頂管施工工藝取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果,確保了全長10.8 km頂管段的順利貫通,節(jié)約工期34 d,節(jié)約造價約5 000萬元。對頂管頂進(jìn)過程中地表沉降進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測,獲得最大沉降值為5 cm,各監(jiān)測數(shù)據(jù)無異常,監(jiān)測點(diǎn)無報警情況。

5 結(jié) 語

在智慧城市建設(shè)中,頂管法作為一種先進(jìn)的施工技術(shù),能夠有效解決城市地下管線繁多、交叉、密集的施工問題,為智慧城市的建設(shè)提供了可行性和可靠性的解決方案。利用先進(jìn)的定位和導(dǎo)向技術(shù),頂管法可以精準(zhǔn)地控制頂管設(shè)備的位置和方向,避免對周圍環(huán)境和管線的損壞,提高了施工的精度和可控性。通過頂管法在湯遜湖污水處理廠尾水排江工程中的應(yīng)用研究,進(jìn)一步推動頂管法施工技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展,可以為智慧城市的建設(shè)提供更加可靠、高效的解決方案,實(shí)現(xiàn)城市基礎(chǔ)設(shè)施的優(yōu)化和升級。相信隨著智慧城市建設(shè)的不斷推進(jìn),頂管法施工將在未來的城市發(fā)展中扮演越來越重要的角色,為人們創(chuàng)造更加美好的生活環(huán)境。