復雜環(huán)境下長距離大口徑管道單基坑雙向依次頂進施工技術

李漢愿

(中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 300459)

隨著現(xiàn)代化進程的加快，城市內(nèi)越來越多的生活配套管道已經(jīng)不能滿足生活需求，亟需進行改造和新建。目前城市內(nèi)施工作業(yè)面越來越小，采用非開挖施工方法(頂管施工法)施工的優(yōu)越性比較明顯，但是在工作場地小、周邊環(huán)境復雜、地下管線復雜的情況下，加上管徑尺寸不斷的增大，頂進距離不斷的加長，施工難度也相應增大。本文結(jié)合實例針對上述問題進行研究，形成了長距離大口徑壓力管道單基坑雙向依次頂進施工技術。該技術在軟弱地質(zhì)中進行大口徑管道頂進施工，可以保護地面原貌；同時通過中繼間的設置，分擔了長距離頂進帶來的后背墻的壓力。

1 工程概況

天津市塘沽某排水工程，排水管道全長1.791 km，采用泥水平衡頂進法施工。全線共計13個頂進段，最長頂進長度為261 m，頂管為鋼筒混凝土管材(JCCP)，管材內(nèi)徑3.2 m，壁厚0.32 m，單節(jié)長度為2.5 m，單節(jié)重23.45 t，為雙膠圈承插口。頂進工作坑深度約12 m，頂管穿越地層為淤泥質(zhì)軟土層。施工現(xiàn)場環(huán)境復雜，周邊臨近小區(qū)住宅最小凈距17 m，距高壓線最小凈距11 m，現(xiàn)場采用單基坑雙向頂進施工，頂進施工難度大，風險高。

2 工程特點

(1)周邊環(huán)境復雜，地層為淤泥質(zhì)地質(zhì)，地下管線復雜，下穿繁忙公路，施工風險較高。

(2)管材管徑較大，頂進距離長，在天津地區(qū)實屬首例。

(3)頂進段較多，設備倒運次數(shù)較多，施工難度大。

(4)采用中繼間緊跟機頭后方，節(jié)約成本，提高管道整體質(zhì)量。

3 施工技術

3.1 總體施工應對措施

(1)為確保施工安全，基坑外吊車站位處采用高壓旋噴樁+墊設鋼板對地質(zhì)進行改良提高坑外承載力，確保吊車站位地基承載力及基坑的穩(wěn)定性。采用磁梯度法尼龍繩鉆頭對地下深層管線進行探測，探明管線，排除影響施工的因素。

(2)對周邊建筑物采用MS60三維激光掃描儀進行監(jiān)測，高效、直觀、精確反映監(jiān)測數(shù)據(jù)，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，綜合利用成果數(shù)據(jù)，調(diào)整頂管施工技術參數(shù)，有效做到對建筑物的保護。

(3)利用單基坑向兩側(cè)依次頂進，減少工作坑周邊一系列設備的重新倒運、組裝及調(diào)試，縮短了施工周期。

(4)中繼間設置在機頭后方，頂管機頭出洞后，中繼間隨之出洞，可重復利用中繼間，提高工程質(zhì)量，減少施工成本。

3.2 施工工藝流程

頂管施工工藝流程見圖1。

圖1 施工工藝流程

3.3 工作井及坑外加固施工

工作井為矩形，工作基坑長13.2 m，寬9.6 m，基坑開挖深度為12.0 m。圍護結(jié)構為鉆孔灌注樁和高壓旋噴樁，鉆孔灌注樁采用正循環(huán)成孔水下澆筑混凝土工藝，高壓旋噴樁采用雙重管法施工[1-2]。

因工作坑邊緣允許施工荷載為20 kN/m2，而本工程涉及管材較重，使用吊車噸位較大，作業(yè)面嚴重受限，需在有限的空間內(nèi)完成施工任務。為保證施工時機械安全，在工作坑外進行地基加固提供機械作業(yè)平臺，加固區(qū)大小為14.7 m×12 m。現(xiàn)場采用高壓旋噴樁進行地基處理，在高壓旋噴樁上安裝一塊2 mm厚鋼板。

3.4 機械及設備安裝

3.4.1 工作井設備安裝

工作井設備安裝包括導軌、后背墻和穿墻止水設備等的安裝。

(1)后背墻安裝：因管徑較大，需對后背墻穩(wěn)定性進行驗算。

后背墻采用鋼筋混凝土+6 cm鋼板構成，將后座板樁支承的聯(lián)合作用對土抗力的影響加以考慮，水平頂進力通過后座墻傳遞到土體上，近似彈性的荷載曲線(圖2)，因而能將頂力分散傳遞，擴大了支承面。為了簡化計算，將彈性載荷曲線簡化為一梯形力系(圖3)，此時頂管后背穩(wěn)定性可通過公式進行計算：

式中：η為穩(wěn)定系數(shù)；Kp為被動土壓力系數(shù)，Kp=1.42；h為地面至后背墻底部的高度，h=12 m；γ為平均土的天然重度，γ=18 kN/m3；B為后背墻寬度，B=5.5 m；V為最大頂力值，V=10 000 kN；

圖2 土體載荷曲線圖 圖3 簡化的后座受力模型圖

h1為地面至后背墻頂部的深度，h1=6.8 m；h2為后背墻的高度，h2=5.2 m；h3為工作坑至地面樁尖的深度，h3=14 m。算得K=2.63>1.5，滿足穩(wěn)定要求[3]。

(2)穿墻止水簾采用鋼板+止水簾組合，安裝完成后在鋼板后方進行密封，避免頂管始發(fā)滲漏水影響周邊環(huán)境造成安全事故。

3.4.2 中繼間布置安裝

對于中繼間的設置需根據(jù)頂力、管節(jié)最大受力值、工作坑承受最大頂力值等綜合考慮后進行。

根據(jù)設計要求，工作坑承受最大頂力≤20 000 kN。

DN3200頂管頂進距離261 m，經(jīng)計算最大頂力為22 742 kN，管材承受最大頂力為55 317.05 kN，但工作坑承受最大頂力小于頂進施工所需最大頂力22 742 kN，因此，需要增設一個中繼間。中繼間一般設置承插口與管道連接，對防水防腐要求高。

經(jīng)計算大刀盤切削泥水平衡式頂管機迎面阻力2 500 kN，頂管機與土體的摩擦力為301 kN，因此頂管機頭所需克服的阻力共計2 801 kN。(22 742-2 801)kN =19 941 kN≤20 000 kN(設計要求)。因此將中繼間設置在機頭后方，可克服2 801 kN阻力，剩余19 941 kN頂力由千斤頂提供，最終頂管貫通后，將中繼間一并頂出，確保施工完成的管道無中繼間，避免了中繼間的施工處理。

3.5 大口徑管材吊具優(yōu)化

管材吊具的選擇直接影響施工過程中的安全及管材質(zhì)量，因管材質(zhì)量較大，由原來兩個“L”形吊具，優(yōu)化為一個“U”形吊具。“U”形吊具整體性好，不易滑落，使用安全；因受力面積大對管材承插口具有保護作用，對保證管道承插口防水效果起到至關重要的作用。吊具優(yōu)化狀況見圖4、圖5。

3.6 管材注漿孔設置

在管道上預留觸變泥漿孔，由壓漿管打進觸變性泥漿，使泥漿能均勻的擴散在管節(jié)周圍，在頂進中起到進一步的減阻作用。注漿管具體設置為注漿孔每節(jié)管設4個，位置分別在管頂以90°為夾角均勻布置在插口的位置上。

圖4 優(yōu)化前吊具示意圖 圖5 優(yōu)化后吊具示意圖

注漿孔不但可以用作壓送觸變泥漿，施工完成后還可作為二次注漿置換的注漿孔，因此需考慮管身的整體防水效果，尤其是注意管節(jié)之間的防滲漏，注漿孔由原來設置在管身優(yōu)化為設置在插口管縫位置處。

優(yōu)化完成后進行二次注漿置換，既能進行觸變泥漿置換，又能有效完成對管縫位置注漿包裹，對管縫位置起到保護作用，大大減少了管縫薄弱環(huán)節(jié)滲漏現(xiàn)象。

3.7 頂進施工順序優(yōu)化

根據(jù)本工程特點，頂進段較多，用圖6來對頂進施工順序進行研究說明。

圖6 頂進段示意圖

方法一：先完成YL2→泵站頂進段，將設備全部轉(zhuǎn)移到Y(jié)L3工作坑施工YL3→YL2頂進段，依次類推，直至完成YL8→YL7頂進段。

方法二：先施工YL2→YL3頂進段，完成后施工YL2→泵站頂進段，設備轉(zhuǎn)移至YL4基坑，依次類推完成YL8→YL7頂進段。

方法一較為常規(guī)，但方法二具有諸多優(yōu)勢，對于設備倒運可以降低50%工作量，降低施工風險，難點在于利用已完工的管道如何設置后背墻。

單基坑兩側(cè)依次頂進施工，利用已完工管道作為后背墻，必須考慮管道是否能提供第2次頂進施工的頂力，因此施工前先施工距離較長段，后施工短距離頂管段，確保已完工管道不受破壞；同時為保證管道的穩(wěn)定性，針對管道進行混凝土包封，包封前使用0.5 cm鋼板對管道進行封堵，對已完工管道進行保護；調(diào)整后背平面確保后背墻與管道軸線垂直，再用6 cm鋼板作為后背墻外模，兼做后背墻。

3.8 管道連接和燃氣拉管探測

基坑兩側(cè)頂管均施工完成后，進行管道基礎施工，再進行明鋪管道安裝，明鋪管道采用倒鏈對拉的方法進行安裝。

本工程地下管線復雜，埋深較深處可能存在燃氣拉管，采用磁梯度法尼龍繩鉆頭提前對管線準確位置進行探測。

4 頂管下穿公路數(shù)值模擬分析

4.1 建立有限元模型

施工前采用三維有限元軟件Abaqus對頂管下穿繁忙公路工況進行模擬，參數(shù)設置如下：

(1)土體本構關系選用Drucker—Prager模型，介質(zhì)參數(shù)參考該工程巖土工程勘察結(jié)果，近似取值為密度2 030 kg/m3，彈性模量56 MPa，內(nèi)摩擦角31.5°，泊松比0.3。模型采用三維實體8節(jié)點線形縮減單元(C3D8R)。為充分考慮模型的邊界效應，滿足塑性、蠕變、三維應力及大應變的分析需要，模型的尺寸選取為50 m×40 m×25 m，能較精確求解位移結(jié)果，即使在彎曲荷載下網(wǎng)格發(fā)生扭曲變形也能充分保證其分析精度[4-5]。

(2)基于研究目的及簡化計算的需要，假設頂管部分和后續(xù)管節(jié)的半徑相同，且為同一部件。管土間不設置注漿層，通過減小管土摩擦模擬注漿層的減阻效果，頂進位置處通過設置一面力作為泥漿倉中的掌子面壓力。頂管埋深6 m，采用三維8節(jié)點實體單元(C3D8)，同時將頂管、后續(xù)的管節(jié)及其周圍接觸土體部分劃分為更為精細的網(wǎng)格來滿足數(shù)值模擬中的管土接觸要求。

4.2 頂管施工過程步驟模擬

(1)設置Geostatic分析步，同時在Predefine field中設置重力場，進行土在自重作用下的地應力平衡。

(2)沿頂進軸線24 m處開挖，開挖前先移除相應的土體模型并將頂進設備放在其初始頂進位置，對模型施加盾構設備和后續(xù)管節(jié)的重力荷載，開始頂進。

(3)在Exc1中鈍化將要開挖的土體，模擬土體開挖過程，在Jack1中設置管節(jié)和盾構部分沿頂進方向位移1 m，模擬頂進過程，第一步開挖完成。

(4)重復上述(3)過程，完成整個頂進過程。

4.3 結(jié)果分析

4.3.1無路面荷載作用下的地面變形分析

圖7為沿軸線方向頂進至26 m時(以下均采用此工況)軸線正上方與其兩側(cè)7 m位置處地表點的沉降計算結(jié)果。由圖可知，頂管軸線正上方地表的沉降值較其兩側(cè)沉降值大，且頂管軸線上最大沉降在頂進面后方位置處。此外，從圖中可看出沿軸線0 m位置處的沉降值較小且22 m左右處沉降值較大，造成此現(xiàn)象的原因是頂進部分和后續(xù)管節(jié)為直接放置在土中，且該工況是在24 m處開挖和頂進，對周圍土體造成明顯擾動導致沉降值增大。距頂進軸線兩側(cè)7 m左右處的沉降約為縱斷面最大沉降值的1/5，這在實際工程中可忽略，可將該距離作為控制距離。

圖7 靜荷載作用下縱向地面沉降

圖8為沿軸線方向頂進至26 m時，垂直頂進方向橫斷面的地表點沉降結(jié)果。根據(jù)沉降趨勢，可知沉降變化基本符合正態(tài)分布，且頂進面后方沉降值最大，施工時應予以監(jiān)測。頂進面處沉降約為頂進面后方沉降值的4/5；距頂進面約3 m處的沉降值約為最大沉降值的1/5，可將該距離作為控制距離。

圖8 靜荷載作用下橫向地面沉降

4.3.2 路面荷載作用下的地面變形分析

根據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)，以重型五軸車作為標準車型，單個接觸面上的均布壓力采用2 041.67×103Pa。圖9為頂進面在路面正下方情況下，頂進軸線正上方與其兩側(cè)7 m位置處地表點沉降結(jié)果。由圖可知，路面荷載作用下的縱斷面變形規(guī)律與無動荷載作用下的變形趨勢相似。路面荷載作用下的沉降最大值為1.85 mm，無路面荷載作用下沉降最大值為1.37 mm，增大約35%。由此可見，行車動載對地面變形影響顯著，頂管下穿公路施工時必須考慮汽車動載影響，建議提高安全性系數(shù)。

圖9 動荷載作用下縱向地面沉降

圖10同樣為頂進面在路面正下方情況下，垂直頂進方向的橫斷面的地表點沉降結(jié)果。其中距頂進面前方3 m、5 m及頂進面后方的地面變形趨勢同圖7(無路面荷載)一致。頂進面后方沉降值為1.68 mm，較無動載時增加了0.46 mm，增加了約為37%；頂進面前方3 m處沉降值為0.60 mm，較無動載時增加了0.35 mm，增大了約1.4倍。最大不同之處在于最大沉降位置，加路面荷載后的最大沉降點在開挖面處，此時受動載分布影響，開挖面處沉降最大，較靜載的沉降值增加了2.093 mm。

當車速為100 km/h時，頂進面上的最大沉降為3.245 mm，較60 km/h時沉降變化較小。

圖10 動載作用下橫向地面沉降

綜上所述，受動載影響，地面沉降有明顯變化，距離動載越近，地面變化越大，當頂進面在荷載正下方，沉降增加的最大，增加了2.093 mm。計算結(jié)果表明，動載速度對沉降影響不大。

5 施工監(jiān)測

采用MS60三維激光掃描儀進行監(jiān)測，MS60作為非接觸式掃描觀測監(jiān)測儀器，比同等掃描儀觀測精度更高，并可在點云圖中提取出每個點的坐標信息，從而可以找出重要關鍵點位的位移變化情況。經(jīng)統(tǒng)計比對分析可知，兩次掃描結(jié)果中98%的差值數(shù)據(jù)小于6 mm，可知該建筑物沒有發(fā)生大于6 mm的變形，可判定建筑物狀態(tài)穩(wěn)定。

6 結(jié)束語

該施工技術應用于天津市塘沽某排水工程，創(chuàng)造了天津市最大直徑的管道頂進新紀錄，積累了國內(nèi)大直徑管材頂管在城市復雜環(huán)境下的施工技術經(jīng)驗。頂管頂進就位后各項指標均滿足設計及規(guī)范要求，為工程投入使用奠定了堅實的安全、質(zhì)量基礎，達到了預期目標，效果良好。