市政給排水工程中的長距離頂管施工技術的應用分析

勞維挺

(湛江市規劃勘測設計院，廣東 湛江 524000)

0 引 言

本文依托湛江市某市政給排水長距離頂管施工項目，在分析目前長距離頂管施工技術的現狀和存在問題的基礎上，結合工程地質條件選取設備型號，對長距離頂管施工工藝進行分析，研究了施工中的風險以及相應的防控措施。研究成果可為市政工程給排水管網的長距離敷設提供參考案例。

1 長距離頂管施工現狀問題分析

相比于普通的短距離頂管技術，長距離頂管技術面臨的施工問題更為復雜，施工難度更大。其中最大的施工難題主要集中在3個方面，分別為管壁摩阻力的降低、管道線形糾偏、地表沉降控制。

1.1 管壁摩阻力的降低

頂管頂進過程中，長距離穿越不同軟硬程度的地層或巖層，需要克服巖土層對管壁的阻力大，降低管壁摩阻力，提供定進施工進尺及頂進效率是頂管是施工最為重要的工作內容。

在現有的減少阻力的手段中，最為常見的是采用注入泥漿的方法降低管壁與土體的摩擦系數。這是因為頂管機設備的尺寸相比于管段的直徑要大，導致管段與原狀土體之間存在2～5 cm的縫隙，通過對縫隙注入泥漿，泥漿在滲透壓力和電化學吸附的作用下，在土體顆粒之間的孔隙內滲透，將堵塞土顆粒間孔隙形成低滲透的泥皮，在管段周圍形成的泥皮相當于一個密閉的防水體系，保證泥漿不會進一步往土體內滲透，因此管段在泥漿漿液柱壓力作用下懸浮，同時頂進時，泥漿在管段與原狀土體之間的縫隙內流動，具有潤滑和濕摩阻的作用，大大減小了管段的摩阻力。

1.2 管道線形糾偏

在頂管的頂進過程中，管道的線形控制直接關系到管段的敷設質量，由于在長距離的給排水管網頂進時不可避免地遇到地下硬層、地下障礙物，導致管段的偏移，影響機頭的位置和前進方向，當偏角過大時，導致實際軸線偏離設計軸線過大，若沒有及時校正，將影響建造質量或者增加施工工期，嚴重地則損害管接頭。

在管道線形糾偏方面，一般通過監控量測的手段進行預防，在糾正措施方面，依據監控量測系統對頂進線形進行實時監測，形成頂進曲線，當出現偏角過大時，對千斤頂的頂進推力、頂進速率進行調整，并減緩頂進形成，逐步糾正頂進方向。目前，一般對于嚴重的偏角還沒有有效的處理措施，最后的結果還是采用開挖糾偏，但這影響到工程建設周期和工程成本，所以，現在較多的研究學者針對糾偏展開大量的智能控制研究。

1.3 地表沉降控制

與一般的開挖工程類似，頂管工程也會對土體造成一定的擾動，在軟弱松散土層中，極易引起地面產生較大沉降，當頂管上覆土層中存在空洞時，甚至引起地表坍塌的事故。因此頂管的進尺控制、土層損失率控制、出土速率以及頂管刀盤土壓力控制方面嚴格把控。對地表和周邊建筑物進行監控量測和做好風險預案等。

在地表沉降的研究方面，目前關于沉降的計算方法比較成熟。在地表內土體擾動程度的計算方面，Hansmier等人提出了擾動區范圍和重疊擾動區范圍的計算公式；在地表沉降計算方面，Peck提出了地表沉降槽理論，如公式(1)所示。

(1)

式中：s為地表的沉降值，mm；smax為地表最大沉降值，mm；x為計算距離，m；i為沉降槽寬度，m。

2 工程案例

2.1 工程簡介

湛江市某市政給排水長距離頂管施工項目，起止樁號為K0+144.210～K11+047.730，全長約10.8 km，全線管道施工以頂管方式為主，部分地段含少量明挖段。其中，K6+514.172～K7+238.547、K7+238.547～K8+778.663、K8+778.663～K10+287.99采用D4000鋼筋混凝土管頂進，總長約3.77 km。全線共43座豎井均采用沉井法施工。豎井深19.6～25.2 m，頂管埋深9.2～17.2 m。工作內容見表1。

表1 主要工程量

2.2 工程地質條件

工程場區沿線現狀主要為渠道、市政道路、荒地、駕校場地、菜地、湖塘等，場地現狀地形有一定起伏，高程在15.35～32.17 m變化。廠區內由上而下主要由7個單元層構成，第一單元層為人工填土(含現狀道路及路基)及湖積淤泥層；第二單元層為一般黏性土、淤泥質土層；第三單元層為老黏性土、老黏性土夾碎石以及黏質砂、礫卵石層；第四單元層為紅黏土及紅黏土夾碎石；第五單元層為泥質粉砂巖、角礫巖；第六單元層為灰巖；第七單元層為炭質泥巖、灰巖等。各層土的力學參數見表2。

表2 場區各層土力學參數

2.3 設備選型

D4000 mm鋼筋混凝土頂管內徑4.0 m、外徑4.8 m，共分三段頂進，分別為725 m、1 540 m、1 509 m，設工作井、接收井共4座，其中1#、3#、4#為始發豎井，采用圓形截面，內直徑為13 m，2#為接收豎井，采用圓形截面，內直徑為8 m。

1#(K6+514.172)～2#(K7+238.547)井段：頂管穿越地層上軟下硬，管道上部主要分布有粉質黏土夾粉土、黏質中細砂，底部主要為強風化、中風化泥巖。

2#(K7+238.547)～3#(K8+778.663)井段： K8+320為軟硬交界處；在2#(K7+238.547)～K8+320井段，地層上軟下硬，管道上部主要分布有黏土、粉質黏土，底部主要為強風化泥質粉砂巖；K8+320～3#(K8+778.663)井段，地層主要有黏土、粉質黏土、粉質黏土夾粉土。部分段穿越黏質中細砂、礫卵石層。

3#(K8+778.663)～4#(K10+287.99)井段：頂管穿越地層黏土、粉質黏土、淤泥質粉質黏土。

根據頂管機穿越不同地層對刀盤進行合理選型。如果地層條件為黏性土，刀具主要以刮刀為主；如果地層條件為全強風化巖，刀具主要以滾刀為主。刮刀輔助削切，刀盤在千斤頂的作用下與巖體接觸擠壓并旋轉，滾刀在刀盤驅使作用下對巖石破碎和切削，巖石在刮刀的作用下進一步細化顆粒，能夠滿足在巖層中掘進需求。

根據各頂管段所穿越土層的情況、頂管的穿越深度以及《給水排水工程頂管技術規程》(CECS 246—2008)，綜合考慮項目的建設周期、工程質量和安全、造價成本等，項目采用泥水平衡頂管施工。泥水平衡頂管機是在護盾的保護下，通過刀盤對巖土體的切削攪拌進行開挖掘進，同時設備還配備了進水排漿體系、線形糾偏設備以及監控量測體系以保證頂進的正確施工。頂管機分為三個部分：刀盤、前筒、后筒，整機設備外觀如圖1所示。

圖1 泥水平衡頂管機示意

3 長距離頂管施工工藝及風險分析

3.1 長距離頂管施工工藝

泥水平衡頂管機頂進系統主要由主千斤頂、主頂油泵、頂鐵、掘進機頭、進排泥系統、泥水分離裝置以及微機操作室等設備組成。頂管施工工藝流程如圖2所示。

圖2 頂管施工工藝流程

3.2 長距離頂管施工風險分析

3.2.1 頂管管道軸線偏差過大

在頂管頂進過程中，不可避免地遇到硬層、巖土交界面或者地下障礙物導致管道的推進曲線與設計不符，出現不同程度的偏差，使得管道扭曲變形，嚴重時使得管節段之間相互錯位，破損滲漏。

原因分析：①刀盤正面切削巖土層遇到的阻力過大，造成導向偏離，最終使得管段的中心軸線出現不同程度偏角；②后背墻不穩定、不平整，當頂進壓力過大時，后背墻產生位移使得千斤頂的受力不均勻，頂進合理方向偏離預定管道軸線方向，最終產生偏角和位移。

圖3 頂管頂進時墻背穩固

預防措施及治理措施：①在頂管施工的準備階段，通過對頂進沿線的地質條件進行掌握，分析不良地質作用和特殊地層，在施作工程中依賴設備儀器的監控量測，調整掘進參數，以保證線形指標參數的正確；②為保證后背墻不影響頂進過程合力方向，在頂進前應檢查后背墻的工程質量，同時對其進行平整度檢查，使得千斤頂設備的安裝準確，如圖3所示，如果發現后背墻在頂推力作用下發生變形和位移，應及時采用加固措施，防止墻背位移產生的不良后果；③在實施過程中，依據監控量測系統對頂進線形進行實時監測，形成頂進曲線，當出現偏角過大時，對千斤頂的頂進推力、頂進速率進行調整，并減緩頂進形成，逐步糾正頂進方向。

3.2.2 在頂進過程中頂進壓力突然增大

頂管施工過程中，表現為頂進壓力突然增大，頂進困難。

原因分析：①當頂進過程中擾動土層導致塌方將管段抱箍，或者是刀盤遇到硬質地層或孤石等障礙物，使得頂進壓力迅速增加，另外管道的偏移，導致行進曲線蛇形也會導致摩阻力增加；②摩阻力減小措施不恰當或不及時，在頂進過程中需要配置一定量的膨潤土泥漿液對管段進行潤滑，如果采取的配置泥漿比例不當或者沒有在摩阻力增加時及時注漿均會導致頂進壓力增加；③頂進設備油泵、油缸、油路發生故障。

預防措施及治理措施：①在施作過程中，加強監控量測措施，保證頂進的曲線正確，實際行走曲線與設計曲線相符，偏差在容許范圍內；②根據地層條件的不同，配置不同比例的泥漿，為了保證泥漿的及時供應，應具有一定的儲備量；③頂進施工前對頂進設備進行認真的檢修保養，如果出現異常，應及時查明原因并維修合格后方可進行下一步的操作。

3.2.3 頂管機叩頭

由于地層不均或者頂進壓力失去平衡，在頂進過程中機頭的推進呈現不斷往下的趨勢，并采用糾偏措施后仍未有明顯改觀。

原因分析：①一般而言，頂管機的叩頭現象主要發生在粉細砂或者軟土層中，這是因為泥水平衡頂管機的重量較大，在施作頂進時不可避免地產生振動，振動加上重荷載使得飽水粉細砂振動液化，而軟土則失去結構特性導致強度折減，土層承載力喪失，引起頂進下沉；②上下土層剛度呈現明顯差異，并明顯表現出上層硬下沉軟，在頂進施工時機頭往往在下層中掘進快，而上層掘進慢，導致頂管機頭下移；③泥水壓力控制不好。

預防措施及治理措施：①在頂進前，對場區沿線的地質勘察報告進行研讀，分析場區內的粉細砂層和軟土的分布，以控制掘進參數和調配合適地層的泥漿；②當遇到土層性質差異大，土層的剛度表現為上硬下軟，在頂進時調整千斤頂的受力，使得頂進機頭上抬，以控制頂進方向和偏角。

3.2.4 地表沉降過大

在頂進施工時不可避免地對巖土層進行結構擾動，使得其強度和位移發生變化，發生地表位移，甚至在工后一定時間內，地表的沉降仍未有完全穩定，沉降的寬度的深度不斷增加。

原因分析：①在施工期間，對泥漿液的泥水比例較小，導致頂進時土體損失率較大，土體超挖，進而引起空隙的壓密和坍塌，傳遞至地面引起沉降；②由于頂管施工振動引起的擾動而產生沉降；③由于潤滑漿套內的漿液流失所造成的沉降；④由于采取了輔助的降水施工所造成的沉降。

預防措施及治理措施：①膨潤土泥漿液的泥水比例應更具地層條件配比，應保證一定的稠度。在周邊環境敏感區域或者地表沉降控制嚴格區域，在頂管施工完成后對管段周圍進行水泥注漿，以置換膨潤土泥漿并加固土層；②盡量少采用降水這一輔助施工手段。

4 總 結

城市基礎設施建設的不斷加大，對市政管網的建設要求也不斷增加。長距離頂進管道面臨諸多挑戰，施工難度更大，需要克服長距離頂管技術中的管壁摩阻力的降低、管道線形糾偏、地表沉降控制難題。本文依托湛江市某市政給排水長距離頂管施工項目，在分析目前長距離頂管施工技術的現狀和存在問題的基礎上，結合工程地質條件選取設備型號，對長距離頂管施工工藝進行分析，研究了施工中的風險以及相應的防控措施。研究成果提高了頂管施工效率、保證了管線頂進質量，為發展城區長距離給排水管網頂進施工工藝提供了案例參考。