超大直徑近距離雙線頂管穿越富水粉砂地層施工技術

楊仲洪，田巧玲

(中國水利水電第十一工程局有限公司，鄭州 450000)

0 引 言

頂管技術是一項用于市政施工的非開挖掘進式管道鋪設施工技術，因其施工特點，能夠減小對周圍環境的影響，不僅能夠深入到地下作業，還能保證施工過程有著較低的噪音，不影響正常的生活作息[1]。作為技術工種，頂管作業施工具有很強的適應性，能夠針對不同的施工環境，對應不同的地質環境設定不同的設計要求。在實際工作過程中，能夠根據實際的技術要點，不斷糾正管道穿越地層時產生的植入偏差，保證管道工程的平衡[2]。超大直徑且近距離的雙線頂管有著特殊的施工要求，實際所需的中繼間推力較大，所需的施工技術水平較高。富水粉砂地層有著較強的流動性[3]，在控制頂管穿越時，需要較高的技術參數。為此，本文設計研究超大直徑近距離雙線頂管穿越富水粉砂地層施工技術。

國外自上個世紀60年代開始研究頂管施工技術，結合實際測量得到的技術數值，建立了多種數值分析模型，并根據分析結果，設定了多種施工技術[4]。國內針對不同地區的粉砂地層，開展了大量的測量工作，并結合當代科學技術手段，構建了多項施工技術。從文獻[5]中的施工技術來看，設定了固定的掘進參數，固定了不同的沉降級參數[5]。從文獻[6]中的施工技術來看，運用深層噴張加固方式，構建了土壓平衡裝置，有效控制了頂管穿越地層時產生的沉積[6]。但兩種文獻中的施工技術，在近距離處理雙線頂管時，容易產生管線植入偏差[7]，并不能有效地控制地層產生的坍塌面積。因此，設計一種超大直徑近距離雙線頂管穿越富水粉砂地層施工技術是很有必要的。

1 超大直徑近距離雙線頂管穿越富水粉砂地層施工技術

1.1 確定近距離雙線頂管縱向間隙參數

超大直徑雙線頂管有著特殊的規格參數，在實際施工時，有著精度很高的間隙數值要求[8]。所以在確定近距離雙線頂管縱向間隙參數時，采用GAP計算方法分析雙線頂管在土層內引起的塑性變形。變形參數計算表示為：

(1)

其中：u為富水粉砂地層內的彈性參數；G1為地層結構產生的頂部位移；G0為雙線頂管間的間隙參數；G2為雙向頂管豎直方向產生的位移分量。

對應上述變形參數內的分量，計算得到超大直徑雙線頂管在地層內形成的等效直徑[9]。數值關系可表示為：

(2)

其中：R為地層內形成的等效直徑；D為雙線頂管內的直徑；k為雙線頂管的的壓力參數；Pa、Pb分別為頂管的切口壓力和原始壓力。

當雙線頂管進入到對應的地層內部時，土層會對頂管產生一個反向的作用力[10]，雙線頂管產生一個豎直向下的位移。該位移可表示為：

(3)

其中：N為單位時間內雙線頂管產生的深埋參數；其余參數含義不變。

對應計算得到的位移參數，在外部土層的作用下，頂管在縱向產生的間隙可表示為：

(4)

其中：sinα為雙線頂管間與豎直方向產生的夾角；其余參數含義不變。

在計算得到的間隙參數數值控制下，建立雙線頂管穿越地層數值模型。

1.2 建立雙線頂管穿越地層數值模型

在計算得到的間隙參數控制下，為控制地層結構的貫入度，構建一個穿越地層的數值模型，模擬雙線頂管的各項參數[11]，在對應的頂管內模擬劃分多個邊界，邊界結構見圖1。

圖1 劃分的雙線頂管邊界

在圖1劃分的頂管邊界內，計算穿越地層時所需切樁與頂管間的夾角，可表示為：

(5)

其中：θ為切樁與頂管之間的夾角；r為使用切樁直徑參數；其余參數含義不變。

在頂管穿越地層過程中，使用夾角參數建立一個數學模型，可表示為：

(6)

其中：J為頂管穿越過程函數；Fj為切樁與雙線頂管間的作用力；Ka為頂管產生的外力矩。

受到富水粉砂地層結構的影響，將上述切樁簡化為板結構。在控制頂管穿越地層的角度時[12]，加厚簡化的板結構，數值關系可表示為：

(7)

其中：β為計算系數；P為富水粉砂地層產生的壓力；D1為切樁在土體內的作用半徑。

強化切樁在頂管穿越時的強度后，根據各項計算參數，構建富水粉砂地層施工方案。

1.3 構建富水粉砂地層施工方案

在上述處理過程下，使用構建得到的數學模型，變換不同富水粉砂地層的結構[13]，預測穿越過程會產生的沉降地表參數，可表示為：

(8)

其中：Sx為計算得到的沉降參數；V為雙線頂管的體積；其余參數含義不變。

在上述數值控制下，變換橫向觀測面，繪制頂管在地層內的沉降過程，見圖2。

圖2 橫向頂管沉降過程

在圖2所示的沉降過程中，考慮富水粉砂地層反彎點處的塑性參數，計算實際地表產生的寬度系數，可表示為：

(9)

其中：i為地層內的反彎點；z為地層的塑性參數；其余參數含義不變。

富水粉砂地層有著各項同性[14]，在構建施工方案時，應結合頂管的空間結構，計算頂管各向的沉降數值，可表示為：

(10)

其中：Vs為頂管產生沉降的體積；y為產生沉降位置與頂管中心線之間的距離。

在上述沉降參數控制下，施工技術采用交叉隔壁法與三臺階臨時仰拱法相結合的方式。在穿越初期，將超大直徑的雙線頂管外部銜接多個切樁，并將切樁形成一個閉合環結構，并預留直徑數值的三分之一寬度，采用交叉隔壁法將整個雙線頂管劃分為多個植入結構[15]。在推力作用下，當雙線頂管進入到地層的下層結構中時，自上而下地拆除頂管上已有的切樁。至此，完成一次雙線頂管的穿越處理過程。綜合上述處理過程，最終完成對超大直徑近距離雙線頂管穿越富水粉砂地層施工技術的研究。

2 技術測試

2.1 測試準備

測試準備地層施工技術所需的旋噴樁，設定旋噴樁的主要施工參數，見表1。

在表1所示的施工參數控制下，設定穿越區間土地砂地層力學參數，設定的力學參數見表2。

在表2穿越區間土體力學參數的控制下，設定富水粉砂在地層中的埋深比為0.5，控制水頭高度為60 cm，控制土巖比為0.5，參照表1的參數，設置材料配比，并分層攤鋪材料至施工設計參數，按照施工的時間工序，開展技術測試，準備兩種傳統施工技術與設計的傳統施工技術進行測試，對比3種施工技術的性能。

表1 主要施工參數

表2 穿越區間土體力學參數

2.2 結果及分析

基于上述實驗準備，控制3種地層施工的工況深埋比為0.5，在內壓力的增加階段，在準備的實驗地層內設定15個測點后，控制施工距離為100 m，計算各項測點的平均數值，并將該數值作為實驗結果。最終3種施工技術的土壓力數值結果見圖3。

圖3 3種施工技術壓力結果

由圖3所示的壓力結果可知，在相同長度的施工距離下，傳統施工技術1對地層產生的壓力數值較大，在100 m的施工范圍內，產生的土壓力數值為4 kPa，實際的土壓力數值過大；傳統施工技術2在上述相同的施工距離范圍內，對地層產生的土壓力數值在0.8 kPa左右，對土層產生的壓力數值過小，不能支持雙線頂管穿越地層，實際的施工效果較差。而文中設計的施工技術在相同施工距離內，對地層產生的壓力在2.5 kPa左右。與兩種傳統地層施工技術相比，所設計的地層施工技術不僅能夠給予雙線管穿越地層的力，還能避免對地層結構產生破壞。

在上述實驗環境下，規定3種施工技術下放置相同深度的雙線頂管，固定雙線頂管深入距離為5 m，在深入1 m后，將該點作為地層沉降點，施工沉降統計點共計5處，以實際測量的地層沉降點作為標準值，調用3種施工方法計算地層沉積量的過程，計算實際的沉積量。最終3種施工技術得到的地層沉積量結果見圖4。

圖4 3種施工技術沉降量結果

在上述沉降量結果下，在3種施工方法內設定相同距離的測點，以實際測量得到的沉降量數值作為標準，由圖4數值結果可知，測量得到的標準沉降量數值在5 mm左右。傳統施工技術1得到的沉降量結果最大，數值在25 mm左右，遠遠偏離了測量得到的標準沉降數值。傳統施工技術2得到的沉降量數值在15 mm左右，偏離標準沉降數值較多。而設計的施工技術得到的沉降量數值也在5 mm左右，與測量得到的沉降量數值相同，所設計的施工技術實際沉降量數值與標準相差不大，施工效果最佳。

保持上述實驗不變，在使用雙線頂管穿越至地層當中時，固定頂管的下放數值為5 m，將富水粉砂層看作為一個分布均勻的網格結構，在雙線頂管植入地層內部后，以對應施工面積產生的拱部坍塌面積作為對比指標，在相同實驗范圍內，對比3種施工技術的性能，形成的拱部坍塌面積見圖5。

圖5 3種施工技術的坍塌面積結果

在3種施工技術控制下，劃定相同區域的施工地層面積，并選定相同規格的雙線頂管，使用實驗準備的各項實驗參數作為輸入數值，模擬地層植入頂管過程。由圖5中的實驗結果可知，施工所用的雙線頂管直徑規格為2.5個單位網格面積，以該數值作為對比對象，傳統施工技術1形成4個單位網格直徑大小的坍塌面積，形成的坍塌面積最大。傳統施工技術2形成約3.5個單位網格直徑大小的坍塌面積，實際形成的坍塌面積較小。而所設計的施工技術得到3個單位網格直徑大小的坍塌面積，與兩種傳統施工技術相比，所設計得到的施工技術形成的地層坍塌面積最小。

3 結 語

超大直徑近距離頂管的施工有著較高的技術水平要求，在富水粉砂地層中施工更是當下的研究重點，為此本文構建了一種施工技術。經技術測試結果可知，所設計的施工技術，能夠改善傳統技術存在的不足。