粉土地層頂管下穿高速施工關(guān)鍵技術(shù)研究

趙偉娟

（河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，石家莊 050000）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，長(zhǎng)距離地下管線對(duì)地下空間的需求也隨之增長(zhǎng)。而地下管線在鋪設(shè)時(shí)不可避免地會(huì)遇到穿越已有公路、鐵路橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施的情況。為了降低工程對(duì)交通的影響以及減小施工時(shí)對(duì)已有設(shè)施的影響，頂管法被大量用來(lái)實(shí)現(xiàn)這些目的。

目前，頂管施工過(guò)程中引起的地面沉降是目前學(xué)者們最為關(guān)注的問(wèn)題。由于地面沉降對(duì)地面交通和行人安全會(huì)產(chǎn)生直接影響，特別是在一些周邊環(huán)境復(fù)雜的區(qū)域，為了確保周邊環(huán)境的影響最小化，施工中應(yīng)采取的措施以及頂管引起的地表沉降規(guī)律是學(xué)者們研究的重點(diǎn)[1-3]。此外，頂管施工過(guò)程中采用的新技術(shù)、新方法也是研究者們所關(guān)心的[4-8]；而關(guān)于頂管施工方法的理論研究主要圍繞頂管泥漿材料、背土效應(yīng)、管周壓力和土體形變及破壞理論展開[9-13]。另外，頂管施工過(guò)程中掌子面穩(wěn)定性以及頂管施工地層穩(wěn)定性也是近幾年的研究熱點(diǎn)[14-16]。從目前針對(duì)頂管的相關(guān)研究可以看出，頂管產(chǎn)生的周邊環(huán)境影響以及頂管施工過(guò)程穩(wěn)定性和相關(guān)變形理論是學(xué)者們目前研究最為廣泛的內(nèi)容，本文主要對(duì)施工過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)和方法進(jìn)行研究。以河北某千伏線路采用頂管方法下穿高速公路為研究背景，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工工況和技術(shù)內(nèi)容，分析研究該管線穿越高速公路所采用的頂管方法中的關(guān)鍵技術(shù)和方法。

2 工程概況

如圖1 所示，工程線路采用頂管施工下穿高速公路，下穿段路徑長(zhǎng)221 m，交叉角度83°，穿越方式為2×φ3 500mm 頂進(jìn)鋼筋混凝土圓管。高速路面最小覆土厚度為12.46 m，高速公路邊溝最小覆土厚度為6.92 m，從高速北側(cè)做始發(fā)井，南側(cè)做接收井，始發(fā)井距高速公路邊坡底的水平距離為133.5 m、接收井距高速公路邊坡底的水平距離為48.1 m，高速公路頂進(jìn)施工采用泥水平衡機(jī)械頂進(jìn)施工工藝。

圖1 施工場(chǎng)地平面布置（單位：m）

3 水文工程地質(zhì)

擬建場(chǎng)地周邊環(huán)境復(fù)雜，鄰近水池施工（見(jiàn)圖2）。線路沿線40.00 m 深度范圍內(nèi)地層巖性主要為填土、黃土類土、粉土、黏性土及砂類土等。

圖2 場(chǎng)地周邊環(huán)境

擬建電纜隧道沿線地下水主要為賦存于第四系松散堆積物孔隙中的潛水，地層中③1 層粉砂、③2 層粉土透水性強(qiáng)，下伏的③3 層粉質(zhì)黏土及④1 層粉質(zhì)黏土透水性弱，上部粉土、粉砂中會(huì)在雨季在一定的上層滯水，水量不大?？梢钥紤]明溝排水的方式。

4 施工工況

頂管所在地層為粉土，為了保護(hù)頂管掌子面穩(wěn)定性，采用泥水平衡式頂管方法，工藝流程如下：（1）調(diào)查管線；（2）選定工作坑位置；（3）施工場(chǎng)地內(nèi)管線防護(hù)、改移；（4）工作坑開挖、支護(hù)、基底處理、施工壁板和底板；（5）預(yù)制混凝土頂管頂進(jìn)段/導(dǎo)軌縱梁加橫梁進(jìn)行線路加固；（6）頂進(jìn)管道/頂進(jìn)切土，出土運(yùn)輸/ 監(jiān)測(cè)，糾偏；（7）頂進(jìn)循環(huán)施工/ 公路沉降檢測(cè)及維護(hù)；（8）根據(jù)檢測(cè)情況，公路沉降處理；（9）施工頂板、回填基坑等收尾工程/ 道路工程檢查；（10）竣工。

5 頂管施工關(guān)鍵技術(shù)

5.1 掌子面穩(wěn)定及施工過(guò)程沉降控制

工點(diǎn)地質(zhì)以粉質(zhì)黏土、粉土、粉細(xì)砂為主，地下水埋深較深，為防止管道頂進(jìn)過(guò)程中掌子面土體坍塌引起的管壁四周與土體形成較大的空隙，頂管采用泥水平衡頂管機(jī)頂進(jìn)施工。頂管施工過(guò)程中嚴(yán)格控制進(jìn)排泥水量，必須在泥水倉(cāng)壓力平衡狀態(tài)下進(jìn)行頂管頂進(jìn)，防止出現(xiàn)較大的超挖、正面土體失穩(wěn)、坍塌。

管道頂進(jìn)時(shí)需同時(shí)采用觸變泥漿在管外形成泥漿套。管節(jié)四周外壁涂蠟、烘烤，以減小管壁與土體的摩擦系數(shù)，從而有效減小頂進(jìn)過(guò)程的摩擦阻力；為防止掌子面土體坍塌引起的管壁四周與土體形成較大的空隙，在頂管前端設(shè)置注漿孔，必要時(shí)進(jìn)行注漿加固處理，避免出現(xiàn)工后沉降。注漿壓力為0.3～0.5 MPa，穩(wěn)壓5～10 min，并由此確定注漿量。頂進(jìn)時(shí)路面最大沉降量為11 mm，在允許值20 mm 范圍之內(nèi)。

5.2 頂管掘進(jìn)施工參數(shù)設(shè)計(jì)

內(nèi)徑3.5 m，壁厚320 mm 的頂管允許頂力估算為34 692 kN。而頂管頂進(jìn)所需頂力估算為67 275 kN，大于頂管允許頂力，需設(shè)中繼間。

經(jīng)計(jì)算，需設(shè)置3 個(gè)中繼間，第一道中繼間宜布置在頂管機(jī)后方37 m 的位置，應(yīng)能保證克服前方管道的外壁摩阻力和頂管的迎面阻力之和；第二道、第三道中繼間宜分別放置在距離第一道中繼間66 m、距離第二道中繼間66 m 位置，應(yīng)能克服兩個(gè)中繼間之間的管道外壁摩阻力；中繼間位置可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)整。頂管頂進(jìn)時(shí)注意控制頂進(jìn)速度并隨時(shí)注意頂進(jìn)方向。此外，在接受井處設(shè)置旋噴樁加固區(qū)域（見(jiàn)圖3）來(lái)保證施工安全和上覆高速公路設(shè)施正常運(yùn)營(yíng)。

圖3 接受井加固（單位：mm）

5.3 工后沉降處理及空洞檢測(cè)

對(duì)公路路界內(nèi)頂管進(jìn)行超聲波或地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)。確定不密實(shí)或空隙部位。根據(jù)頂管管節(jié)預(yù)留注漿孔分布情況，合理布置注漿孔。在注漿過(guò)程中加強(qiáng)檢測(cè)，當(dāng)發(fā)生路面隆起等異常情況時(shí)，可降低注漿壓力或采用間歇注漿，直到停止注漿，摻加量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

6 結(jié)語(yǔ)

粉土地層中線纜穿越已有運(yùn)行高速公路時(shí)采用頂管法施工。為確保已有基礎(chǔ)設(shè)施的正常運(yùn)行和交通出行安全，對(duì)頂管施工過(guò)程中采用的一系列保障施工安全和降低對(duì)周邊環(huán)境的影響的措施展開研究，得出以下結(jié)論。

1）工點(diǎn)地質(zhì)以粉質(zhì)黏土、粉土、粉細(xì)砂為主，地下水埋深較深，為防止管道頂進(jìn)過(guò)程中掌子面土體坍塌，頂管采用泥水平衡頂管機(jī)頂進(jìn)施工。管道頂進(jìn)時(shí)同時(shí)采用觸變泥漿在管外形成泥漿套，減小管壁與土體摩擦。

2）頂管施工過(guò)程中，設(shè)置3 個(gè)中繼間，中繼間位置可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)整。頂管頂進(jìn)時(shí)應(yīng)時(shí)刻注意控制頂進(jìn)速度并隨時(shí)注意頂進(jìn)方向，以確保施工頂管的正常運(yùn)行。

3）工后對(duì)公路路界內(nèi)頂管進(jìn)行超聲波或地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)來(lái)確定不密實(shí)或空隙部位。注漿過(guò)程檢測(cè)路面狀況，發(fā)生異常情況時(shí)，可降低注漿壓力或采用間歇注漿，直到停止注漿。