雜填土條件下長距離大管徑泥水平衡機(jī)械頂管施工工藝研究

(西安市市政設(shè)施管理局 陜西 西安 710016)

雜填土條件下長距離大管徑泥水平衡機(jī)械頂管施工工藝研究

潘國富

(西安市市政設(shè)施管理局 陜西 西安 710016)

文章以西安市第一污水廠二期退水工程為背景，主要對(duì)雜填土復(fù)雜地質(zhì)情況下長距離大管徑泥水平衡機(jī)械頂管進(jìn)行研究，提出了雜填土復(fù)雜地質(zhì)條件下長距離大管徑泥水平衡頂管施工防止失穩(wěn)、保證工程質(zhì)量相關(guān)措施及包括設(shè)備改造、增加注漿孔密度、增大注漿機(jī)注漿能力一整套注漿減摩方案，通過頂力計(jì)算、中繼間技術(shù)、測量控制管理技術(shù)、頂進(jìn)姿態(tài)管理等方面的研究，提出了雜填土復(fù)雜地質(zhì)條件下大管徑、長距離泥水平衡頂管施工成套技術(shù)方案。通過一污二期工程的實(shí)施驗(yàn)證，證實(shí)了上述成套技術(shù)方案的可行性。

雜填土；泥水平衡；頂管；大管徑；長距離

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市現(xiàn)代化進(jìn)程的快速推進(jìn)，給水、排水、煤氣、電力通訊設(shè)施等管網(wǎng)只能在狹窄的空間采用非開挖技術(shù)進(jìn)行。頂管施工是一種現(xiàn)代化的埋設(shè)地下管線的非開挖施工方法，該施工技術(shù)在地層的適應(yīng)性、對(duì)地上地下環(huán)境的保護(hù)、對(duì)地上 地下設(shè)施的無干擾破壞、施工安全可靠性、施工質(zhì)量保證及施工經(jīng)濟(jì)效益等方面都具有較大的優(yōu)越性，并顯現(xiàn)出無限生命力。

作為一種地下施工方法，頂管施工也不可避免地會(huì)對(duì)管道周圍的土體產(chǎn)生擾動(dòng)，擾動(dòng)的結(jié)果是使周圍的土體出現(xiàn)卸載或加載等復(fù)雜的力學(xué)行為并使土層的物理、力學(xué)指標(biāo)產(chǎn)生變化，土體的應(yīng)力狀態(tài)不斷發(fā)生變化，引起管道周圍土體產(chǎn)生變形，使土層發(fā)生移動(dòng)，產(chǎn)生地面和地下土體的移動(dòng)，即土層移動(dòng)。

同時(shí)，另一方面，頂管工程的工藝選擇及施工在很大程度上受工程的特點(diǎn)、環(huán)境、地質(zhì)、施工條件等因素影響。施工前必須要充分了解地質(zhì)情況，選用與之適應(yīng)的頂管施工方法、合理的頂管掘進(jìn)參數(shù)及關(guān)鍵技術(shù)使用。

本文以工程為例，重點(diǎn)研究在復(fù)雜地質(zhì)條件長距離大管徑泥水平衡機(jī)械頂管施工關(guān)鍵工藝。

一、工程地質(zhì)情況

1.1工程簡介

西安市第一污水處理廠二期退水工程，全長1817米，其中頂管部分總長為984米，管道由一污二期超越管道起始排放處開始先向北再沿一污二期北側(cè)電桿平行位置一直向西大約1.6公里，設(shè)計(jì)平均埋深6.5米，頂管段埋深9-10米，采用d2800mm鋼筋混凝土鋼承口管（III級(jí)）。

1.2工程地質(zhì)勘探情況

工程施工前，針對(duì)該工程區(qū)域進(jìn)行了工程地質(zhì)勘探，根據(jù)地質(zhì)勘探結(jié)果，本工程頂管深度所處的土層層位主要處于雜填土層，在0.5米—8.8米的位置全部為雜填土，主要以建筑垃圾為主，含水量的生活垃圾，以磚瓦塊，灰渣，碎瓷磚，破木板及碎石組成。

1.3工程地質(zhì)對(duì)長距離、大管徑頂管帶來的困難

（1）密度嚴(yán)重不均勻

密度嚴(yán)重不均勻使頂管過程中管土壓力不斷發(fā)生隨機(jī)離散性變化，管道走向容易偏斜，甚至發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，這一影響對(duì)于長距離大管徑的施工尤其明顯。

（2）土層孔隙率大，并且孔隙率變化離散性較大

較大的孔隙率及孔隙率變化在泥水平衡施工時(shí)容易使觸變泥漿進(jìn)入空隙中，造成跑漿現(xiàn)象，不僅需要更多的漿量，而且需漿量的巨大變化使注漿壓力變化較大。

二、雜填土條件下長距離泥水平衡機(jī)械頂管受力分析

在頂管施工過程中，頂進(jìn)管將同時(shí)在管軸方向和橫跨管軸方向上受到荷載作用，荷載主要有管道自重、土壓力、水壓力、注漿壓力、交通荷載、頂推力、管壁摩阻力、掘進(jìn)機(jī)的迎面阻力等。頂推力是一種循環(huán)荷載，不斷地變換，由零上升到最高值，又由最高值下降到零。因此管道的受力非常復(fù)雜，處于三向應(yīng)力狀態(tài)[1]。

本項(xiàng)目的雜填土質(zhì)地不均勻，其中不僅存在對(duì)管道約束能力差的生活垃圾，同時(shí)存在約束能力較大的建筑垃圾、石塊等。在這種情況下，管道受到離散性較大的周邊荷載，使折曲角變大，管道間的應(yīng)力集中現(xiàn)象更為嚴(yán)重，更加容易產(chǎn)生失穩(wěn)情況。

更進(jìn)一步分析，雜填土不均勻土壓力帶來的管道偏移會(huì)導(dǎo)致管道周圍土壓力分布不均勻，從而更加嚴(yán)重的加劇了管道不規(guī)則偏移，從而形成惡性循環(huán)，對(duì)工程的正常施工帶來了巨大的難度。

雜填土復(fù)雜地質(zhì)條件下頂管失穩(wěn)原因主要為：

(1)管道受到對(duì)角荷載作用；

(2)頂進(jìn)力達(dá)到一定值；

(3)管道的頂推力偏心距較大；

(4)土體的承載力較差。失穩(wěn)通常會(huì)出現(xiàn)在離中繼間較近、管線偏斜方向突然改變的管節(jié)處，此處管節(jié)受到對(duì)角荷載作用且頂推力較大。

三、雜填土條件下長距離、大管徑泥水平衡頂管工藝研究

3.1雜填土條件下長距離頂管防止失穩(wěn)、保證工程質(zhì)量措施

課題組通過對(duì)雜填土條件下頂管管道受力情況的分析，提出了防止管道失穩(wěn)、保證或提高工程質(zhì)量的措施如下：

（1）針對(duì)雜填土的特點(diǎn)，采用設(shè)備改造等手段設(shè)計(jì)合理的注漿減摩方案減小摩阻力；

（2）縮短中繼間之間的距離減小摩阻力；

（3）減小管道偏斜，在頂進(jìn)施工時(shí)做好監(jiān)測方案，做到邊施工邊監(jiān)測，基于雜填土的不均勻性特點(diǎn)，一定要提高監(jiān)測頻率；

（4）采取合理的糾偏措施，基于雜填土的不均勻性特點(diǎn)，一定要提高隨時(shí)糾偏頻率，同時(shí)提高糾偏精度，降低需要糾偏的誤差值標(biāo)準(zhǔn)；

（5）減小中繼間的偏斜，保證管道的偏斜在合理范圍內(nèi)；

（6）采用鋼承口管橡膠圈接口，它的最大張角可達(dá)30左右，也不會(huì)產(chǎn)生接口滲漏，可靠性較好。

3.2 雜填土條件下大管徑泥水平衡頂管難點(diǎn)及質(zhì)量保證措施

3.2.1 雜填土條件下大管徑泥水平衡頂管難點(diǎn)

本項(xiàng)目研究的是管徑D2800mm鋼筋混凝土單向頂進(jìn)504m的管道鋪設(shè)。雜填土條件下結(jié)合大管徑對(duì)施工帶來了相當(dāng)?shù)睦щy，主要表現(xiàn)在：

（1）大管徑頂管會(huì)產(chǎn)生更大的滑行阻力，需要更大的推力，對(duì)注漿減摩水平要求更高；

（2）大管徑頂管會(huì)產(chǎn)生較大的土體反力，對(duì)周圍土體及地面產(chǎn)生不利擾動(dòng)影響的可能性增大；

（3）上述雜填土對(duì)頂管帶來的不利影響對(duì)于大管徑頂管將更加明顯和突出。

3.2.2 雜填土條件下大管徑泥水平衡頂管質(zhì)量保證措施

根據(jù)上述難點(diǎn)，項(xiàng)目組提出了大管徑質(zhì)量保證措施方案如下：

（1）針對(duì)雜填土及大管徑的特點(diǎn)，采用設(shè)備改造等手段在合理范圍內(nèi)適當(dāng)提高注漿量，減小頂進(jìn)滑行阻力；

（2）提高了中繼間布置的可靠性，縮短了中繼間間距，減小頂力，當(dāng)總推力達(dá)到設(shè)計(jì)推力的50%，安裝第一個(gè)中繼間，以后當(dāng)總推力達(dá)到設(shè)計(jì)推力的70%時(shí)放置第二個(gè)中繼間。

（2）在中繼間頂力控制方面，比常規(guī)土質(zhì)提前開啟中繼間，使整段頂管的頂力更加均勻，提出雜填土條件下中繼間控制方案。

3.3 雜填土條件下大管徑、長距離泥水平衡頂管注漿減摩的困難及解決方案

3.3.1 雜填土條件下大管徑、長距離泥水平衡頂管注漿減摩的困難

經(jīng)項(xiàng)目組分析，一污二期工程區(qū)域雜填土具有空隙大、材質(zhì)分布不均勻，存在跑漿（漿流入雜填土內(nèi)部）的現(xiàn)象，常規(guī)的注漿量不能滿足該工程的注漿需要，因此，應(yīng)提高注漿量。

同時(shí)，基于前文的研究，大管徑、長距離等因素影響下，也應(yīng)適當(dāng)增加注漿量。

3.3.2 雜填土條件下大管徑、長距離泥水平衡頂管注漿減摩解決方案

為了達(dá)到提高注漿量的目的，項(xiàng)目組對(duì)施工工藝、設(shè)備進(jìn)行了研究，提出了以下解決方案：

（1）通過機(jī)頭改造提高注漿量、減少水平摩阻力

本項(xiàng)目對(duì)原有泥水平衡頂管設(shè)備機(jī)頭直徑擴(kuò)大1.5cm，在頂管時(shí)，土體與管體之間的距離便增加1.5cm，從而注入更多的減摩漿。見圖1.

圖1 機(jī)頭改造示意圖

通過實(shí)踐證實(shí)，改造后的設(shè)備施工比原有設(shè)備的推力更小，壓力更穩(wěn)定，更易施工，從而使雜填土條件下大管徑、長距離泥水平衡頂管施工得到了保障。

（2）增加注漿孔密度

項(xiàng)目組通過相關(guān)研究，考慮到土體材質(zhì)不均勻性、空隙大的特點(diǎn)，增加了注漿孔的數(shù)量，常規(guī)土體進(jìn)行施工時(shí)，注漿孔的數(shù)量為每三節(jié)相鄰管材設(shè)一節(jié)有注漿孔的管子，每根管材長2.5米，因此常規(guī)土體注漿時(shí)注漿密度為每7.5米設(shè)一組注漿孔，由于雜填土的特點(diǎn)需要提高注漿量，本項(xiàng)目注漿孔數(shù)量為每兩個(gè)相鄰管材設(shè)置一節(jié)有注漿孔的管子，即注漿密度為每5米設(shè)一組注漿孔。

圖2 注漿孔密度增加前示意圖 圖3 注漿孔密度增加后示意圖

注漿孔密度的增大彌補(bǔ)了土體材質(zhì)不均勻等不利影響。

（3）增大注漿機(jī)注漿能力

由于注漿量的增大，為了保證注漿壓力的均衡，必須增大注漿機(jī)的注漿能力，本項(xiàng)目注漿機(jī)由原來的揚(yáng)程為100m的UBH型螺桿泵注漿機(jī)更換為揚(yáng)程為300m的1-1B型螺桿泵注漿機(jī)。

四、施工關(guān)鍵參數(shù)

4.1頂力計(jì)算結(jié)果及單個(gè)油缸頂力確定

本工程管徑D2800mm，壁厚28mm，頂管頂力計(jì)算長度為單向頂進(jìn)長度504米，根據(jù)頂力計(jì)算公式計(jì)算，總頂力為2714.3t，D2800鋼筋混凝土管最大允許頂力為4321.6t，采用保守最大允許頂力值2200t。

經(jīng)計(jì)算得知總推力F=2714.3t，大于鋼筋混凝土管傳力面允許的最大頂力2200t，頂管時(shí)頂力最大值不應(yīng)超過混凝土管傳力面允許的最大頂力2200t的80%，即不應(yīng)超過2200×80%=1760t。

頂管施工時(shí)采用八臺(tái)油缸，在推進(jìn)時(shí)，每臺(tái)油缸的最大頂力不得超過1760t/8=432t剩余頂力需要中繼間來解決

4.2中繼間布設(shè)與控制

因頂管時(shí)鋼筋混凝土管傳力面允許的最大頂力2200×80%=1760t，為了鋼筋混凝土管不致破損，當(dāng)頂力達(dá)到中繼間設(shè)計(jì)推力的50%時(shí)，即需設(shè)置中繼間1760t ×50%=880t。經(jīng)計(jì)算，第一個(gè)中繼間應(yīng)設(shè)置在156.3m以內(nèi)，同理第二個(gè)中繼間應(yīng)設(shè)置在312.6m以內(nèi)。同時(shí)第一個(gè)中繼間頂力富裕量不宜小于40%，即中繼間頂力不宜小于1478t，第二個(gè)中繼間頂力富裕量不宜小于30%，即中繼間頂力不宜小于1372.8t。設(shè)計(jì)值均為1500t，由此可知，由兩個(gè)中繼間組成系統(tǒng)頂進(jìn)系統(tǒng)，且布置位置合理，中繼間設(shè)計(jì)頂力1500t能滿足要求?？紤]理論計(jì)算與實(shí)際施工的差距，綜合施工經(jīng)驗(yàn)，將第一個(gè)中繼間設(shè)置在80米處，第二個(gè)中繼間設(shè)置在140米處。

為提高工程的可靠性，由于地下土質(zhì)為雜填土及其它因素，提前開啟中繼間，具體方案為：第一中繼間在頂進(jìn)過程中，當(dāng)頂力達(dá)到總頂力的60%時(shí)，第一個(gè)中繼間啟動(dòng)20%頂力。第二個(gè)中繼間在第一個(gè)中繼間頂力達(dá)到60%時(shí)，啟動(dòng)第二個(gè)中繼間。該控制方案的實(shí)施具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）使整個(gè)管道的受力更加均勻，降低或消除了雜填土土質(zhì)不均勻帶來的負(fù)面影響，管道更加不易偏斜，工程質(zhì)量更易保證，。

（2）壓力的均勻分布使集中荷載對(duì)混凝土管道產(chǎn)生的影響降低。

（3）壓力的均勻分布使得頂進(jìn)安全性提高，保證了頂進(jìn)過程的安全性。

4.3測量控制管理技術(shù)

基于雜填土的不均勻特點(diǎn)，根據(jù)前文提出的雜填土條件下長距離大管徑泥水平衡頂管成套技術(shù)方案。提高高程與軸線偏差的測量頻率，對(duì)于管道軸線控采用紅外線經(jīng)緯儀測量，為糾偏提供依據(jù)，管道高程則采用，水準(zhǔn)儀，每節(jié)管道測量2個(gè)點(diǎn)。

4.4糾偏技術(shù)

以建筑垃圾為主，生活垃圾，磚瓦塊，灰渣，碎瓷磚，破木板及碎石組成的回填土層的復(fù)雜地質(zhì)條件下頂進(jìn)過程中糾偏難度較大，在頂進(jìn)過程中嚴(yán)格控制頂進(jìn)測量頻率，管道的糾偏影響到整個(gè)管道的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，施工中以出洞口中心點(diǎn)為后視點(diǎn)，分別測出前標(biāo)水平角、后標(biāo)水平角，并分別計(jì)算出前標(biāo)、后標(biāo)的平面偏離值（經(jīng)轉(zhuǎn)角改正）然后計(jì)算出切口的偏離值。通過測量前標(biāo)和后標(biāo)的豎直角分別計(jì)算出前、后標(biāo)高程偏離值（經(jīng)轉(zhuǎn)角改正）然后計(jì)算出切口偏離值。頂進(jìn)施工中，操作人員應(yīng)隨時(shí)監(jiān)測監(jiān)視器各項(xiàng)數(shù)據(jù)的變化，并及時(shí)記錄，在分析記錄數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行糾偏。施工中，當(dāng)高程或中線超出標(biāo)準(zhǔn)值40mm以上時(shí)，根據(jù)監(jiān)視器內(nèi)的光點(diǎn)位置變化趨勢進(jìn)行糾偏[2]。糾偏過程中，可每隔頂進(jìn)30cm測量一次，每項(xiàng)糾偏角度應(yīng)保持10′～20′不得大于1°。

五、施工效果

通過以上對(duì)復(fù)雜地質(zhì)大管徑長距離機(jī)械頂管施工工藝的研究、應(yīng)用，一污二期頂管工程已經(jīng)完成2個(gè)頂進(jìn)區(qū)間共計(jì)984米頂管施工，質(zhì)量控制良好，達(dá)到了規(guī)范要求。表4-10為各頂進(jìn)區(qū)間質(zhì)量統(tǒng)計(jì)情況。

表1 各頂進(jìn)區(qū)間質(zhì)量情況

六、小結(jié)

本研究以西安市第一污水廠二期退水工程為背景，主要對(duì)雜填土復(fù)雜地質(zhì)情況下長距離大管徑泥水平衡機(jī)械頂管進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

（1）通過雜填土復(fù)雜地質(zhì)條件下的頂管受力及失穩(wěn)荷載、施工難點(diǎn)等分析，提出了雜填土復(fù)雜地質(zhì)條件下長距離大管徑泥水平衡頂管施工防止失穩(wěn)、保證工程質(zhì)量相關(guān)措施；

（2）分析了雜填土復(fù)雜地質(zhì)條件下大管徑、長距離泥水平衡頂管注漿減摩的困難，提出了包括設(shè)備改造、增加注漿孔密度、增大注漿機(jī)注漿能力一整套注漿減摩方案。

（3）基于上述研究及通過觸變泥漿、頂力計(jì)算、中繼間技術(shù)、測量控制管理技術(shù)、頂進(jìn)姿態(tài)管理等方面的研究，提出了雜填土復(fù)雜地質(zhì)條件下大管徑、長距離泥水平衡頂管施工成套技術(shù)方案。

（4）通過一污二期工程的實(shí)施驗(yàn)證，證實(shí)了上述成套技術(shù)方案的可行性。

[1]頂管工程土與結(jié)構(gòu)的性狀及理論研究 魏綱2005年11月 浙江大學(xué)博上學(xué)位論文

[2]給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范 GB50268-2008

TU75

B

1007-6344（2017）06-0259-02

潘國富（1973-）男 漢族 研究生 工程師 研究方向：從事市政建設(shè)、維護(hù)和管理