泥水平衡式頂管法在市政污水管道施工中的應(yīng)用

摘 要：泥水平衡式頂管法具有對(duì)土體擾動(dòng)小、可連續(xù)出土、頂進(jìn)效率高且適用于長(zhǎng)距離頂進(jìn)等優(yōu)點(diǎn)。本文結(jié)合泥水平衡式頂管法在漳州臺(tái)商投資區(qū)角江路污水工程中的實(shí)際應(yīng)用，提出泥水平衡頂管施工技術(shù)方案與技術(shù)流程，并分析了泥水平衡施工技術(shù)要點(diǎn)，包括工作井施工、頂推力計(jì)算、后背墻計(jì)算、頂管頂進(jìn)、泥漿減阻措施等，為后續(xù)類似工程施工提供借鑒。

關(guān)鍵詞：市政污水管道；頂管施工；泥水平衡；頂推力

中圖分類號(hào)：TU 99 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

泥水平衡式頂管法以全斷面形式對(duì)土體進(jìn)行切割，通過泥水壓力使土體、地下水壓力之間平衡與連續(xù)出土，可顯著減少土體與管道摩擦力，保證土層開挖整體穩(wěn)定性，防止出現(xiàn)坍塌。本文以泥水平衡式頂管法在漳州臺(tái)商投資區(qū)角江路污水工程中的實(shí)際應(yīng)用為例，對(duì)泥水平衡式頂管法應(yīng)用進(jìn)行重點(diǎn)研究。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目位于漳州臺(tái)商投資區(qū)，起點(diǎn)位于林美大道與角江路交叉口處，污水管沿角江路敷設(shè)，最后接入角江路恒蒼小橋處現(xiàn)狀污水管。其中，W3～W4段污水管位于角江路南側(cè)已拆遷空地，該段因周邊建筑較多，為減少對(duì)周邊建筑影響，本段污水管采用頂管施工，污水管為Ⅲ鋼筋混凝土管DN1000，壁厚t為100mm，長(zhǎng)度為139m。管材應(yīng)符合《頂進(jìn)施工法用鋼筋混凝土排水管》且混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜低于C50，接口采用A型鋼承口管。采用環(huán)氧煤瀝青，二底二面，干膜總厚度不小于300mm。

1.2 地質(zhì)條件

本項(xiàng)目地勘參考《漳州臺(tái)商投資區(qū)角江路（楊厝至林美大道）拓寬改造工程》地勘報(bào)告。根據(jù)鉆探揭露，擬建場(chǎng)地自上而下分述如下。

素填土：分布不均，厚度為0.70～3.30m。主要由黏性土組成，局部含少量砂。褐黃色、灰黃色，松散，稍濕～濕?；靥顣r(shí)間約3年～5年，密實(shí)度及均勻性差，未經(jīng)專門碾壓處理，尚未完成自重固結(jié)。在該層校正后標(biāo)貫擊數(shù)為6.0擊～10.0擊，平均值為7.6擊，標(biāo)準(zhǔn)值為6.5擊。

雜填土：分布不均，厚度0.60～3.80m。主要由碎石、磚等組成，充填少量黏性土，局部含生活垃圾。褐黃色、灰黃色，松散，稍濕～濕。

淤泥：厚度為0.60～14.80m，系沖海相沉積而成，呈灰色、青灰色，流塑，成份主要由黏、粉粒組成，含少量有機(jī)質(zhì)及少量貝殼，具腥臭味，切面光滑，韌性好，干強(qiáng)度高，無(wú)搖振反應(yīng)，該層屬高壓縮性軟土，力學(xué)強(qiáng)度低，工程性能差。

粉質(zhì)黏土：分布不均，厚度為0.60～4.50m，系沖海相沉積而成，灰褐色、灰黃色，可塑為主，局部硬塑，以粉、黏粒為主，含部分石英質(zhì)砂礫，干強(qiáng)度中等，韌性中等，切面光滑，無(wú)搖震反應(yīng)，力學(xué)強(qiáng)度一般。該層校正后標(biāo)貫擊數(shù)為6.60擊～16.50擊，平均值為11.9擊，標(biāo)準(zhǔn)值為11.06擊。

粗砂：厚度為0.55～10.55m，系沖海相沉積而成，呈灰褐色，經(jīng)水流分選主要表現(xiàn)為粗砂，局部為中砂、礫砂等，成份主要為石英砂及少量細(xì)顆粒。中密狀為主，局部稍密狀、密實(shí)狀。該層校正后標(biāo)貫擊數(shù)為6.90擊～33.6擊，平均值為18.64擊，標(biāo)準(zhǔn)值為17.08擊。

全風(fēng)化花崗巖：厚度為1.30～7.80m，褐黃色、灰黃色、灰白色，巖芯呈堅(jiān)硬土狀，原巖結(jié)構(gòu)較清晰，主要成分為石英及未盡風(fēng)化的長(zhǎng)石，手捻可見殘留長(zhǎng)石顆粒，遇水易軟化、崩解。為極軟巖，巖體極破碎，基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)。該層校正后標(biāo)貫擊數(shù)為30.0擊～44.8擊，平均值為34.29擊，標(biāo)準(zhǔn)值為33.39擊。

1.3 施工技術(shù)方案

本項(xiàng)目頂管施工穿越地層較為復(fù)雜，且周邊建筑較為密集，為了不影響道路交通及建筑物安全使用，因此采用水泥平衡式機(jī)械頂管施工技術(shù)，頂管機(jī)型號(hào)為NPD1800，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)：最快頂進(jìn)速度為100mm/min，糾偏角度為2.5°，頂管機(jī)外徑總長(zhǎng)度為2180mm×4200mm，質(zhì)量為23t。工作井及接收井支護(hù)設(shè)計(jì)采用拉森鋼板樁類型，工作井封底使用C30混凝土，澆筑厚度控制為30cm。頂管機(jī)機(jī)頭如圖1所示。

2 頂管施工技術(shù)

2.1 施工工藝流程

本項(xiàng)目中設(shè)計(jì)的泥水平衡式頂管施工工藝流程如圖2所示。

2.2 工作井施工

本工程頂管施工用井（工作井）共計(jì)1口。結(jié)構(gòu)形式采用逆作法護(hù)壁。護(hù)壁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，鋼筋保護(hù)層厚度為35mm。所有配筋均采用HRB400級(jí)鋼筋，鋼筋接頭均采用焊接，搭接長(zhǎng)度為單面焊10d，雙面焊5d，接頭應(yīng)互相錯(cuò)開。在洞口處，必須鋼筋截?cái)鄷r(shí)，應(yīng)從孔洞中心處截?cái)啵瑢⒔財(cái)嗟匿摻钆c板面垂直，沿洞壁彎入，并與洞邊加強(qiáng)鋼筋或加強(qiáng)環(huán)筋焊接。頂管施工用井采用逆作法，按每米往下分段施工，最長(zhǎng)不超過1.0m。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，工作井采用圓形頂坑，開挖井里土體，分層挖深為1.0m，并修整外壁的土模，在井的四周綁扎鋼筋，立模板，澆筑混凝土，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到80%，然后挖土、綁扎鋼筋、立模板、澆筑混凝土制作第二節(jié)護(hù)壁，做第三、四節(jié)護(hù)壁，直到設(shè)計(jì)井底。采用人機(jī)結(jié)合挖土法施工。

逆作法護(hù)壁支護(hù)結(jié)構(gòu)井作為工作井，凈空尺寸為16.21m，每節(jié)護(hù)壁高1m，側(cè)面為梯形（規(guī)格護(hù)壁厚度為500mm），工作井剖面如圖3所示。

2.3 頂推力計(jì)算

本工程W3～W4段污水管為Ⅲ鋼筋砼管DN1000，頂距取值為160m，按照公式（1）計(jì)算推力F0。

F0=πDLfk+NF （1）

式中：F0為頂推力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；D為管道外徑，m；L為頂距，m；fk為管道和土層摩阻力，取值為2.5，NF為頂管機(jī)頂進(jìn)阻力，kN[1]。

其中，頂管機(jī)頂進(jìn)阻力的計(jì)算過程如公式（2）所示。

（2）

式中：γ為土層容重，取值為18；H0為地面到頂管機(jī)中心高度，m，查閱地勘報(bào)告為4.05m[2]。

計(jì)算得出頂推力標(biāo)準(zhǔn)值F0=1313.22kN。本工程配置2臺(tái)100t千斤頂，以0.7功效系數(shù)計(jì)算得出千斤頂?shù)捻斖屏?shù)值為1400kN，大于頂推力標(biāo)準(zhǔn)值F0=1313.22kN，因此可滿足頂管施工要求。

2.4 后背墻計(jì)算

本項(xiàng)目后背墻寬為3.5m，高為2.5m，厚為0.5m，設(shè)計(jì)澆筑C25混凝土?？刹捎霉剑?）計(jì)算頂管施工后背墻的標(biāo)準(zhǔn)承載力。

F=σBH （3）

式中：F為頂管施工后背墻標(biāo)準(zhǔn)承載力，kN；σ為后背墻混凝土的抗壓強(qiáng)度；為后背墻設(shè)計(jì)高度，m；B為后背墻設(shè)計(jì)寬度，m。通過計(jì)算得出后背墻標(biāo)準(zhǔn)承載力F=218.75kN[3]。

后背墻土體必須具備足夠的抗力，才能保障頂管頂進(jìn)時(shí)墻體安全，因此，后背墻抗力R≥1.6F0，可通過公式（4）計(jì)算反力R。

（4）

式中：R為后背墻的抗力，kN；α為系數(shù)（1.5～2.5），取值為1.8；λ為土層容重，翻閱地勘資料確定為19 kN·m-3；Kp為被動(dòng)土壓力系數(shù)取值為2.6，c為土層內(nèi)聚力，kPa，翻閱地勘資料確定為18kPa；h為地面到后背墻頂出土層的高度，m，取值為4m[4]。按照上述公式計(jì)算1.8×3.5（19×2.52×1.3+2×18×2.5×1.612+19×4×2.5×2.6）=4998.77kN

符合gt;1.6F0（2101.15kN）要求，能保障安全施工。

2.5 頂管頂進(jìn)

泥水平衡頂管機(jī)施工剖面如圖4所示。

頂管機(jī)進(jìn)洞是本項(xiàng)目施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，先加固洞口并進(jìn)行密封，始發(fā)進(jìn)洞要合理調(diào)整頂進(jìn)速率。

第一節(jié)管道頂進(jìn)操作：?jiǎn)?dòng)刀盤與回水系統(tǒng)，通過千斤頂有序、緩慢頂進(jìn)，要求速率不超過30mm/min[5]。進(jìn)入正常頂進(jìn)狀態(tài)要啟動(dòng)進(jìn)回水閥，并將旁通閥關(guān)閉，確定泥水倉(cāng)水壓達(dá)到正常狀態(tài)，由千斤頂頂進(jìn)。第一節(jié)管道頂進(jìn)結(jié)束，要將千斤頂、刀盤系統(tǒng)關(guān)閉，并啟動(dòng)旁通閥及關(guān)閉進(jìn)水閥。NPD1800泥水平衡頂管機(jī)機(jī)頭即將出洞時(shí)，需要將預(yù)留孔位置臨時(shí)性封堵墻拆除，才可繼續(xù)頂進(jìn)直至出洞。頂管進(jìn)、出洞口配筋加固措施如圖5所示。

2.6 泥漿減阻措施

觸變泥漿可減少頂管與土層摩擦阻力，抑制土層位移與沉降。壓漿操作應(yīng)貫徹“先壓后頂”“隨頂隨壓”“動(dòng)態(tài)補(bǔ)漿”基本原則[6]。從頂進(jìn)管道前端垂直鉆設(shè)注漿孔，數(shù)量為8～10個(gè)。為使管節(jié)外壁漿套更完整，對(duì)頂管機(jī)后的節(jié)管應(yīng)安裝觸變泥漿管，尤其是前3節(jié)管節(jié)，其余可間隔性安裝觸變泥漿管，對(duì)漿套進(jìn)行及時(shí)有效補(bǔ)漿。觸變泥漿由膨潤(rùn)土、水混合制作而成，具體制作流程如圖6所示。

2.7 糾偏控制

若頂管機(jī)機(jī)頭偏離設(shè)計(jì)線路軸線，則必須進(jìn)行及時(shí)糾偏，在操作過程中嚴(yán)格貫徹勤測(cè)、勤調(diào)以及微動(dòng)基本原則。頂管機(jī)是通過管道激光測(cè)量與油缸進(jìn)行糾偏控制。在頂管頂進(jìn)過程中，由激光經(jīng)緯儀進(jìn)行同步測(cè)量，結(jié)合測(cè)量結(jié)果由4組油缸進(jìn)行隨時(shí)糾偏。第一節(jié)管節(jié)頂進(jìn)，應(yīng)保證頂管機(jī)坐標(biāo)位置精準(zhǔn)。始發(fā)頂進(jìn)，一般進(jìn)尺0.2m對(duì)軸線、高程進(jìn)行1次測(cè)量，正常頂進(jìn)，一般進(jìn)尺0.5～1m對(duì)軸線、高程進(jìn)行1次測(cè)量，若偏差超出允許值，則立即糾偏[7]。

2.8 通風(fēng)系統(tǒng)

在長(zhǎng)距離管道頂進(jìn)過程中，人員在管道內(nèi)要消耗大量的氧氣，在掘進(jìn)過程中遇到一些土層內(nèi)產(chǎn)生的有害氣體，隨著頂進(jìn)距離增加，管內(nèi)的溫度及濕度增加，影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，此時(shí)就需要向管內(nèi)輸送新鮮空氣。

采用離心式鼓風(fēng)機(jī)通過風(fēng)管直接向掘進(jìn)機(jī)工作面壓入新鮮空氣，排除管道內(nèi)的污濁氣體。在地面設(shè)置一臺(tái)4-26-5A型離心式鼓風(fēng)機(jī)（功率為15kW，風(fēng)量為4293m3/h～

6349m3/h），經(jīng)?300mm的PVC維綸布拉鏈?zhǔn)杰涳L(fēng)管向掘進(jìn)機(jī)處提供新鮮空氣，按一定長(zhǎng)度定制拉鏈?zhǔn)杰涳L(fēng)筒，通過拉鏈連接風(fēng)筒[8]。

將鼓風(fēng)機(jī)安裝在地面上，軟風(fēng)管掛設(shè)在管道的一側(cè)，掛設(shè)平順無(wú)堆積、扭曲、纏繞等現(xiàn)象。軟風(fēng)管須保持完好無(wú)破損，發(fā)現(xiàn)破損及時(shí)修復(fù)或更換。不得靠風(fēng)管安放工具或長(zhǎng)桿件，以防供風(fēng)時(shí)桿件傷人。每小時(shí)供氣量Q：每人每小時(shí)供氣量K=（30～50）m3/（h·人）×工作人數(shù)n（每班人數(shù)最多為10人），即Q=500m3/h。供風(fēng)量較大，且管道內(nèi)施工人數(shù)較少，可以保證施工人員呼吸充足的新鮮空氣。

3 驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

工作井施工允許偏差及頂管施工貫通后管道允許偏差分別見表1和表2。

4 結(jié)語(yǔ)

市政工程是一項(xiàng)民生工程，也是城市建設(shè)發(fā)展的基礎(chǔ)工程。市政污水管道施工需要進(jìn)行地下開挖，為不影響市政道路及周邊建筑物的正常使用，并保障復(fù)雜地質(zhì)安全施工，推薦使用泥水平衡式頂管法。本文以漳州臺(tái)商投資區(qū)角江路污水工程為例，對(duì)泥水平衡頂管施工技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行研究，在施工過程中要嚴(yán)格控制工作井施作、頂管頂進(jìn)及糾偏控制等，以獲取更好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)保效益。

參考文獻(xiàn)

[1]劉智，鐘長(zhǎng)平.超大直徑泥水平衡盾構(gòu)斷層破碎帶掘進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2023，60（1）：225-232.

[2]陳濱彬，陽(yáng)棟，楊子漢，等.泥水平衡盾構(gòu)渣漿處理及循環(huán)利用技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].施工技術(shù)，2021，50（7）：63-68.

[3]周雄威，曹亞奇，羅桂軍，等.泥水平衡頂管機(jī)穿越填土及孤石施工技術(shù)應(yīng)用[J].建筑機(jī)械化，2021，42（11）：47-49.

[4]嚴(yán)佳梁.軟土地區(qū)大型泥水平衡盾構(gòu)下穿密集居住區(qū)的技術(shù)要點(diǎn)研究[J].城市道橋與防洪，2021（11）：150-153.

[5]楊開放，韓治，牟雨龍，等.城鎮(zhèn)市政道路下泥水平衡式頂管機(jī)施工質(zhì)量控制[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2022（12）：115-117.

[6]宋延珍.泥水平衡巖石頂管關(guān)鍵技術(shù)在平潭閩江口水資源配置工程的應(yīng)用[J].福建建設(shè)科技，2022（5）：84-86.

[7]鄧林洋，李紅，劉陽(yáng)君，等.泥水平衡盾構(gòu)下穿海域施工技術(shù)應(yīng)用[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2023，50（5）：77-79.

[8]楊澤松，楊豪.喀斯特地區(qū)泥水平衡頂管施工中穿越破碎巖石地層減小管道與地層間摩阻力技術(shù)研究[J].中國(guó)水運(yùn)（下半月），2024，24（4）：138-139.