城鎮(zhèn)市政道路下泥水平衡式頂管機(jī)施工質(zhì)量控制

楊開(kāi)放 韓 治 牟雨龍 盧國(guó)營(yíng) 馬 勇

（中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100000）

1 工程概況

該項(xiàng)目位于臺(tái)山市大江鎮(zhèn)公益圩。計(jì)劃鋪設(shè)生活污水管網(wǎng)總長(zhǎng)度為11200 m，其中頂管總長(zhǎng)5050 m采用III級(jí)鋼筋混凝土管。臺(tái)山市屬亞熱帶季風(fēng)氣候，該地常年雨水量豐富，施工點(diǎn)地下水位較高，其中大江鎮(zhèn)公益圩場(chǎng)地內(nèi)及其附近有密集的坑塘、溝渠分布，坑塘內(nèi)水深0.5 m～1.0 m，北側(cè)緊鄰譚江。

2 泥水平衡式頂管施工

2.1 施工基本原理

泥水平衡式頂管施工通過(guò)頂進(jìn)裝置產(chǎn)生推力克服土體與管道間的摩阻力，將設(shè)備沿著既定的路線從工作坑行進(jìn)到接收坑中，并將與頂管機(jī)相連的管道埋置在路線間完成管道施工。在頂進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)刀盤(pán)對(duì)開(kāi)挖面的土體進(jìn)行切削，再通過(guò)注入的泥水將棄土運(yùn)送出去。注入的泥水須保持一定的壓力與土層壓力達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，通過(guò)泥水包裹頂管機(jī)外側(cè)形成一層泥套維持開(kāi)挖面土體的穩(wěn)定性，防止開(kāi)挖面出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象。

2.2 施工工藝流程

該泥水平衡式頂管工程主要施工步驟包括施工準(zhǔn)備、頂管坑，接收坑施工、初始頂進(jìn)、循環(huán)頂進(jìn)、頂管機(jī)出洞以及頂管結(jié)束。具體施工工藝流程如圖1所示。

圖1 施工工藝流程圖

3 施工常見(jiàn)質(zhì)量問(wèn)題及控制措施

3.1 管底高程偏差較大

在頂進(jìn)完成后對(duì)頂管高程及時(shí)進(jìn)行復(fù)測(cè)發(fā)現(xiàn)測(cè)得的高程與設(shè)計(jì)值偏差較大。

造成管底高程偏差過(guò)大的原因主要包括后背墻的力學(xué)性能、泥水壓力值和管材材料3個(gè)方面：1）后背墻的剛度、強(qiáng)度、表面的平直度以及材質(zhì)均勻性未達(dá)到頂進(jìn)施工要求。2）施加的泥水壓力不能有效平衡土壓以及地下水的壓力。3）使用的管材本身有外觀質(zhì)量缺陷。

由以上原因造成的管底高程偏差過(guò)大的問(wèn)題，可對(duì)后座墻在材料和平整度上進(jìn)行改進(jìn)，在不同施工段落應(yīng)對(duì)應(yīng)計(jì)算出理論上的泥水平衡壓力值，再在實(shí)際施工中進(jìn)行修正，以及對(duì)管材質(zhì)量進(jìn)行把控。具體防治措施如下：1）后座墻完成后，應(yīng)保證其強(qiáng)度能承受千斤頂?shù)淖畲蠛笞Χ槐黄茐模诤笞鶋Φ牟牧线x擇上用壓縮作用下回彈量小的，使其卸除荷載后能恢復(fù)原樣。對(duì)后座墻進(jìn)行再次找平滿(mǎn)足其表面能垂直于頂進(jìn)管道的軸線。2）針對(duì)不同施工段落應(yīng)根據(jù)實(shí)際施工情況計(jì)算對(duì)應(yīng)的泥水平衡壓力值，再由計(jì)算結(jié)果調(diào)整泥水倉(cāng)內(nèi)的泥水壓力，避免開(kāi)挖斷面土體失穩(wěn)，造成超挖及高程偏差大的現(xiàn)象。取W～W段頂管進(jìn)行計(jì)算，泥水平衡壓力的計(jì)算如公式（1）所示。

式中：為泥水平衡壓力；為頂部的泥水壓力；為底部泥水壓力；γ為水的容重，此處取9.8 kN/m；為地下水位與頂管機(jī)底部的高差，根據(jù)地勘報(bào)告此處為5.8m；為頂管機(jī)頂部與地下水位的高差，此處為5.2m；Δ為泥水倉(cāng)的泥水壓力高出地下水的水頭差，此處為2.03m；為泥漿的容重，此處取為11kN/m；為頂管機(jī)的外徑，此處為0.6m。

=0.5×[9.8×（5.2+2.03）+9.8×（5.8+2.03）+11×0.6]=77.1 kPa

由計(jì)算結(jié)果可知，對(duì)W29～W31段頂管施工時(shí)將泥水平衡壓力值保持在77.1 kPa左右，頂進(jìn)施工可正常運(yùn)行，同理可計(jì)算出其他段落所需的泥水平衡壓力。

3）管道進(jìn)場(chǎng)應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)收和抽檢，并應(yīng)附帶出廠的檢驗(yàn)報(bào)告，如經(jīng)驗(yàn)收不合格不應(yīng)采用。

3.2 頂管機(jī)前進(jìn)中發(fā)生姿態(tài)偏差

頂進(jìn)施工中頂管機(jī)出現(xiàn)滾動(dòng)偏差及方向偏差造成出土困難以及產(chǎn)生軸線偏差。

頂管機(jī)發(fā)生姿態(tài)偏差可分為滾動(dòng)偏差、方向偏差和曲線段測(cè)量偏差3個(gè)方面：1）出現(xiàn)滾動(dòng)偏差的原因，對(duì)土體進(jìn)行切削中產(chǎn)生的扭矩與頂管機(jī)和土層之間的摩擦力矩不能達(dá)到平衡，未被平衡掉的力矩使頂管機(jī)產(chǎn)生滾動(dòng)偏差，如果滾動(dòng)幅度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致激光靶不能保持在正常位置，對(duì)糾偏、測(cè)量以及出土造成不利影響，頂管軸線也會(huì)因此產(chǎn)生偏斜。2）出現(xiàn)方向偏差的原因，頂進(jìn)施工中由于頂進(jìn)千斤頂在各個(gè)部位設(shè)定參數(shù)時(shí)出現(xiàn)偏差，造成頂進(jìn)方向也發(fā)生偏差。開(kāi)挖面土體由于性質(zhì)差異也易產(chǎn)生方向偏差。即使開(kāi)挖中土體性質(zhì)十分均勻，由于頂管機(jī)自重對(duì)其自身產(chǎn)生向下低頭的趨勢(shì)也會(huì)有一定影響。3）該項(xiàng)目頂進(jìn)路線平面圖中為避開(kāi)原有建筑物基礎(chǔ)，路線平面圖有局部曲線，曲線段測(cè)量導(dǎo)線誤差大導(dǎo)致行進(jìn)路線出現(xiàn)偏差。

在頂進(jìn)中可通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)查看是否發(fā)生滾動(dòng)偏差及方向偏差，當(dāng)偏差發(fā)生時(shí)須及時(shí)根據(jù)發(fā)生的原因?qū)?yīng)進(jìn)行糾正。在曲線段施工時(shí)需要對(duì)測(cè)量導(dǎo)線的精度進(jìn)行把控，防止出現(xiàn)人為誤差，具體防治措施如下：1）發(fā)生滾動(dòng)偏差時(shí)，因?yàn)榈侗P(pán)正向與反向均可以進(jìn)行切削作業(yè)，在超過(guò)規(guī)范允許的滾動(dòng)偏差范圍時(shí)，頂管機(jī)的控制系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警告，此時(shí)操作人員應(yīng)改變切削方向，起到反轉(zhuǎn)方向糾偏作用。2）發(fā)生豎直方向偏差時(shí)，操作人員應(yīng)及時(shí)減緩?fù)七M(jìn)速度，并根據(jù)雙光靶測(cè)量導(dǎo)向系統(tǒng)反映出的偏差值判斷此時(shí)頂管機(jī)是出現(xiàn)磕頭或者上仰的情形，加大頂部或底部千斤頂產(chǎn)生的力度對(duì)頂管機(jī)頭部的豎直角度進(jìn)行糾正。3）在發(fā)生水平方向偏差時(shí)，同樣根據(jù)系統(tǒng)反饋的偏差值判斷出頂管機(jī)此時(shí)是左偏還是右偏，并調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)方向千斤頂?shù)牧Χ葘?duì)水平方向進(jìn)行糾正。4）在曲線段對(duì)測(cè)站的布置及頂進(jìn)誤差須嚴(yán)格控制。測(cè)量原理如圖2所示。

圖2 測(cè)量原理圖

以曲線施工段W31-W33為例。測(cè)量距離公式如下。

式中：為最大一次測(cè)量距離；為管內(nèi)徑，此處為0.5 m；為曲率半徑，由設(shè)計(jì)圖紙查為300 m。

由設(shè)計(jì)圖紙查得該段曲線弦長(zhǎng)為32 m，所以在該段管內(nèi)應(yīng)增設(shè)一個(gè)測(cè)站C。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中點(diǎn)的坐標(biāo)可由幾何關(guān)系按式（3）算出。

式中：為測(cè)站到間的距離；為測(cè)站到間的距離；為測(cè)站到被測(cè)點(diǎn)間的距離；為直線與軸的夾角；為直線延長(zhǎng)線與間的夾角。

再由誤差公式（4）算得誤差值，控制在誤差允許范圍內(nèi)。

式中：為誤差值；為被測(cè)點(diǎn)點(diǎn)向坐標(biāo)到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離；為被測(cè)點(diǎn)點(diǎn)向坐標(biāo)到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離；為曲率半徑。

通過(guò)上述公式計(jì)算出誤差值后，如果超出規(guī)范允許值，須按照先上下糾偏后左右糾偏的方法進(jìn)行校正，校正時(shí)應(yīng)多次微調(diào)，糾偏角度應(yīng)小于1°。經(jīng)過(guò)計(jì)算誤差值為-2mm，滿(mǎn)足規(guī)范要求，通過(guò)對(duì)導(dǎo)向點(diǎn)的合理布置及精度把握為施工頂進(jìn)奠定良好的基礎(chǔ)。

3.3 頂進(jìn)困難

施工中出現(xiàn)頂管機(jī)頂進(jìn)困難，頂進(jìn)長(zhǎng)度達(dá)不到預(yù)期值。

由于土體性質(zhì)不同，觸變泥漿注入的方法、壓力不當(dāng)或配比出現(xiàn)問(wèn)題導(dǎo)致土體與頂管機(jī)間摩擦阻力偏大，因此導(dǎo)致頂進(jìn)困難，無(wú)法達(dá)到預(yù)期進(jìn)度。

對(duì)觸變泥漿在注入方法上應(yīng)根據(jù)施工情況科學(xué)選擇，應(yīng)先根據(jù)施工段落計(jì)算注漿壓力，得到初始值，在頂進(jìn)過(guò)程中根據(jù)壓力監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整。對(duì)混凝土配和比的選擇應(yīng)先進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選擇出觸變泥漿性能最佳時(shí)的配合比，確定后再進(jìn)行施工。具體控制措施如下：注漿孔的位置應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理選擇，保證注入的漿液能均勻包裹住管道外壁，現(xiàn)場(chǎng)注漿過(guò)程中應(yīng)做到先注入泥漿后再開(kāi)始頂進(jìn)作業(yè)，隨著頂進(jìn)過(guò)程均勻的注入泥漿并注意隨時(shí)補(bǔ)充。壓力值控制在0.3 MPa～0.4 MPa。

對(duì)不同性質(zhì)的土體配置對(duì)應(yīng)的觸變泥漿，觸變泥漿的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 觸變泥漿配比（1 m3）及主要性能指標(biāo)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況提前計(jì)算出觸變泥漿的注入壓力值。取W29～W31段頂管進(jìn)行計(jì)算，觸變泥漿壓力值計(jì)算公式如下。

式中：為觸變泥漿壓力；γ為水的容重，此處取9.8 kN/m；為頂管機(jī)頂部以上的水柱高，由地勘報(bào)告查得為5.2 m；為土的重度，此處取16.9 kN/m；為管道覆土厚度，此處為5 m；為土的內(nèi)摩擦角，此處為4.2°；為土的凝聚力，此處為5.5 kPa。

考慮到實(shí)際施工有部分誤差，實(shí)際注漿壓力值取計(jì)算值的1.6倍即為0.18 MPa。同理，其他施工段計(jì)算對(duì)應(yīng)的注漿壓力值，根據(jù)隔膜式壓力表反應(yīng)的數(shù)值對(duì)壓力進(jìn)行監(jiān)控，從而保證正常頂進(jìn)施工。

對(duì)觸變泥漿配合比進(jìn)行試驗(yàn)，研究外摻劑PAM和腐蝕酸鉀在不同占比條件下對(duì)觸變泥漿性能的影響，根據(jù)試驗(yàn)確定最佳的配合比。試驗(yàn)開(kāi)始前初始配合比定為膨潤(rùn)土∶CMC∶純堿∶ PAM∶腐殖酸鉀=8%∶0.1%∶0.3%∶0.05%∶0.1%。對(duì)PAM和腐蝕酸鉀占比進(jìn)行調(diào)整，其試驗(yàn)見(jiàn)表2和表3。

表2 觸變泥漿配合比試驗(yàn)1（PAM含量變化）

表3 觸變泥漿配合比試驗(yàn)2（腐殖酸鉀含量變化）

試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，其他材料占比保持不變情況下，隨著PMP占比增大，泥漿的析水率和失水量變化不明顯，泥漿的黏度變化較為敏感，當(dāng)PMP占比在0.05%時(shí)，泥漿的黏度指標(biāo)處于一個(gè)較優(yōu)的狀態(tài)（表1），超過(guò)0.05%后泥漿黏度進(jìn)一步增大，流動(dòng)性降低，不利于觸變泥漿發(fā)揮性能。

圖3 觸變泥漿配合比試驗(yàn)圖

當(dāng)腐殖酸鉀占比增大，泥漿析水率無(wú)變化為0，泥漿剛開(kāi)始隨著腐殖酸鉀占比增加黏度和失水量降低，流動(dòng)性表現(xiàn)良好，占比增大到0.15%后，泥漿黏度和失水量無(wú)明顯變化，證明腐殖酸鉀在一定范圍內(nèi)能降低泥漿失水量和黏度，提高泥漿的性能參數(shù)。綜合2個(gè)外加劑試驗(yàn)結(jié)果，PMP和腐殖酸鉀最佳占比確定為0.05%和0.1%。

4 結(jié)論

該文對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中在質(zhì)量上容易出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行成因分析，進(jìn)而解決問(wèn)題。對(duì)泥水平衡壓力、測(cè)站布置、觸變泥漿壓力值計(jì)算和觸變泥漿配合比進(jìn)行研究，驗(yàn)證了施工可靠度，并在質(zhì)量控制方面提出針對(duì)性的措施，保障了頂管施工的正常作業(yè)，積累了寶貴項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，提升了施工質(zhì)量。