超大直徑頂管工程周邊環境保護技術研究

薛峰

(中鐵上海工程局上海市污水治理南線東段工程SST2.6標項目部，上海201201)

超大直徑頂管工程周邊環境保護技術研究

薛峰

(中鐵上海工程局上海市污水治理南線東段工程SST2.6標項目部，上海201201)

本文結合上海市污水治理白龍港片區南線東段直徑4 m鋼筋混凝土頂管施工，重點對超大直徑曲線頂管工程的主要施工過程中關于周邊環境保護的相關技術，在防止周邊土體沉降造成的地表環境破壞及減少泥漿排放對土體造成污染的方面的運用進行闡述。

超大直徑;頂管;SMW工法樁;觸變泥漿;干泥輸送;姿態控制系統

污水治理作為市政工程的重要內容，日益受到各國關注。目前污水治理頂管施工，具有不破壞路面、不中斷交通、環境影響小、可穿越障礙等諸多的優點。通過頂管施工的最大直徑和最長頂距記錄不斷刷新，不僅能夠加大污水排放量，加快污水收集及處理速度，更能夠節省地下空間，對污水管線進行平面和空間合理部署，最終形成城市大型污水治理空間布局管網［1］。因此頂管施工應用越來越普遍，并有逐漸替代開挖埋管施工的趨勢。因大直徑頂管工程沉井體積大，管道走向周邊環境復雜，在施工中如何減少周邊環境干擾是安全文明施工控制的重點。結合上海市污水治理南線東段工程，對超大直徑頂管工程周邊環境保護的相關技術的運用進行研究。

1 工程概況

上海市污水治理白龍港片區南線東段完善工程SST2.6標，主要工作內容為3座工作井、2座接收井及長約3.98 km×2的雙排DN 4000鋼筋混凝土頂管(管道外徑4.64 m)。頂管井最大建筑面積506.45 m2，埋深17.8～18.3 m，采用沉井法施工。管道斷面主要處于淤泥質粘土層以及淤泥質粘土、淤泥質粉質粘土交界層。工程位于遠東大道西側綠化帶及龍東支路南側農田地和果園，綠化帶以喬木和灌木綠化為主，并分布眾多河濱、民宅及廠房等。管道頂進沿程需保護和搬遷的管線多(城鎮電纜、城鎮污雨水管線、浦東機場航油管、軍用光纜及通訊光纜等)、頂管穿越敏感及重要設施多(河道、高架橋、跨線橋、G1501高速公路及民房等)。

2 SMW工法樁周邊環境保護施工技術

標段內大部分頂管井距離周邊重要道路、房屋、管線較近。為了減少沉井施工對周邊環境的影響，在沉井周邊采用圍護樁進行保護。SMW工法樁的施工起到土地保護和止水帷幕的作用。分別針對沉井下沉過程中因下沉不平穩導致的周邊坍塌和因施工降水產生水土流失造成的地表沉降。各井位保護區域為井外壁向外10.0 m，保護區內的各種地下管線施工前進行搬遷。圍護樁采用三軸SMWφ850 mm水泥攪拌樁間隔600 mm，搭接長度≥250 mm。攪拌樁采用Po．42.5普通硅酸鹽水泥，水泥摻量20%，攪拌樁內插入H 700 mm×300 mm×13 mm×24 mm型鋼，型鋼間距1 200 mm，即每隔1根攪拌樁插入1根型鋼，布置方式見圖1。

圖1 周邊環境保護SMW工法樁平、剖面圖

3 觸變泥漿技術

頂管施工過程中，因為頂進阻力大，容易產生土層擾動過大，造成土體變形及地表土開裂塌陷等;因管壁與土層之間存在空隙等問題，管道貫通后容易發生地表沉降，造成環境破壞。實際施工中利用管外壁注漿，進行減阻和縫隙填充，以避免上述問題［2］。

觸變泥漿選用頂管專用成品泥漿材料，現場直接加水攪拌。泥漿材料以鈉基膨潤土為主要材料，在工廠內添加純堿、CMC等輔助材料，經研磨、烘干等工序加工而成。

泥漿材料在現場經充分攪拌水化，靜置2 h以上，才可使用。觸變泥漿攪拌使用ZJ-400型高速制漿機［3］。

注漿采用頂管掘進機尾部同步注漿和中繼環后面管段補漿兩種方式進行減阻。頂管機最大直徑為φ 4 680 mm，比機尾和混凝土管直徑大40 mm，可在管外壁與土體之間形成20 mm的間隙。頂進過程中在機尾同步向管外壓注觸變泥漿，及時填充機尾的空隙以形成完整的泥漿套，防止土體塌縮，產生有效的潤滑減阻效果。

頂管沿途，向管外壓注觸變泥漿，補充初始泥漿套的損失。補漿操作逐點進行。

同步注漿量為機尾空隙的3～6倍，沿線補漿量為機尾間隙的3～5倍，注漿壓力控制在0.8～1.2γh(γ為土的容重，h為埋深)。即同步注漿量為0.9～1.8 m3/m，沿線補漿量為2.25～3.75 m3/環(或0.375～0.625 m3/孔)，注漿壓力控制在0.2～0.3 MPa。

機尾后連續設三節帶注漿孔的混凝土管節，再往后每三節再設一節帶注漿孔的混凝土管節，每節混凝土管有6個注漿孔，每個注漿孔設DN25球閥單獨控制。注漿孔用DN25橡膠管連接接入注漿總管。注漿環管布置方式如圖2。

圖2 注漿環管布置圖

注漿總管選用DN50鍍鋅鋼管，每節6 m長，管螺紋連接。注漿泵選用BM160三活塞式泥漿泵，用于沿線補漿。頂管機尾設置同步注漿站，包括螺桿泵、5 m3儲漿罐，用于向機尾后3節混凝土管外壓注泥漿。

在工程施工過程中，頂管穿越10多處民房群、及浦東機場航油管2處。利用頂進過程中的注漿技術，和貫通后泥漿置換，通過沉降點監測，完全能夠將地面沉降控制在10 mm以內，有效起到了土體支撐作用，控制了土體變形下沉。

4 干泥輸送技術

目前，頂管施工挖掘出的泥土輸送方式一般主要有2種:①管內采用軌道車輛輸送至工作井，再由起重設備垂直提升到地面。這種方式運土時，頂進作業必須暫停。頂進距離越長，管內運土所需時間越長，頂進停頓時間也越長，不僅制約頂管施工效率，更有可能導致因施工緩慢造成的土體擾動，從而致使管道行程過程中的地表塌陷，嚴重影響地表環境。②加水攪拌成泥漿，通過管道直接輸送到地面。這種方式需要大量施工用水，而且產生大量的廢棄泥漿，如直接排放嚴重污染環境，若進行處理成本極高。

通過如下幾項研究，開發并完善一種具有高效、安全、環保等優點頂管干泥輸送技術。

(1)針對液壓驅動的往復式活塞泵的結構及性能，進行優化和改進，以滿足長距離輸送干泥要求。

(2)針對干泥輸送管道在中繼間及主頂處的運動狀態和特點，利用可靠的管道伸縮裝置，以解決管道過中繼間的問題。

(3)開發管道內壁注漿裝置，降低干泥輸送阻力，實現干泥超長距離輸送。同時降低干泥的含水率，以降低干泥棄置運輸的難度和成本。

(4)針對泵管接頭形式和密封技術，開發具有柔性、密封可靠、拆裝快速簡便的專用泵管接頭，以滿足超長距離曲線輸送的要求。

運用該技術，頂管余土全部變為膏狀土排出(如圖3)，方便土方外運、大大減少因泥漿污染農田造成的土壤環境破壞。

圖3 干泥輸送膏狀土

5 頂管姿態控制技術

超大直徑頂管施工經常出現的地面沉降嚴重、泥漿泄漏等環境問題，不管是因為外力、頂力、管道密封、頂進阻力或土層擾動等方面所產生，最終可以歸結到頂管姿態控制失誤。目前，曲線頂管工程非常少。由于頂進過程中管道在不斷移動，通常都需要暫停頂進，再在管道中設置中間測站，人工測量并傳遞測量數據，人工分析計算測量成果。開發和使用姿態自動控制系統可以大大提高姿態控制精度，避免因姿態控制失誤引起的環境破壞。

姿態自動控制系統組成:系統由固定測站T0、中間移動測站(T01、T02、T03、T04)，后視棱鏡(基準點)、前視棱鏡(目標點)、控制計算機、傾斜傳感器組成。測站由自動全站儀、提把棱鏡、控制箱組成，可在計算機程序控制下實現自動搜索目標、照準、測量。系統布置見圖4。

圖4 姿態自動控制系統

姿態自動控制系統工作原理:T0布置在工作井內，自動測量布置在井壁上的后視點，根據后方交匯原理進行計算定向。然后T0、T1、T2、T3、T4依次自動進行導線測量，測量前視棱鏡，實現平面坐標傳遞。控制計算機，根據測量數據，計算頂管機的軸線偏差，并根據傾斜傳感器數據修正計算結果，實現隨時監控頂管機頭軸線偏差。

6 結語

超大直徑頂管施工已成為城市管網布置施工的發展趨勢，隨著頂管法的日漸成熟，污水管道的布置可以越來越靈活，可極大滿足社會對污水處理的要求及大幅度提高城市污、雨水儲存排放需求。現國家各大城市均將城市管網施工程歸類為全面影響城市生態環境建設的重大工程。在保證管道順利貫通的同時，對周邊環境運用技術措施進行有效的保護尤為重要。

［1］吳熊勛，陶大鈞，蔣耀慈．城市水環境污染控制［M］．南京:東南大學出版社，1989:29－32．

［2］魏剛，魏新江，徐日慶．頂管施工技術［M］．北京:化學工業出版社，2011:48－52．

［3］GB 50268－2008，給水排水管道工程施工及驗收規范［S］．

TU992

B

2095－1671(2012)03－0132－04

2012-05-16;

2012-05-23

薛峰(1982—)，男，江蘇徐州人，助理工程師，從事市政工程工作。