廣東某城區污水管網改造工程QC小組活動在減少淺覆土大口徑頂管施工地表隆起中的應用

徐云浦 黎大鵬

（中交四航局第七工程有限公司）

1 工程背景

廣東某城區污水管網改造工程（首期）項目包括完善排水管工程、改造排水管工程、城中村污水管工程、完善污水管及堤岸加固工程。項目實施排水管網總長120.76km。其中頂管施工17km，占施工排水管網總長的很大比重，頂管施工按照管徑分類主要有：DN800、DN1000、DN1200、DN1500、DN1800、DN2400、DN3000。其中大口徑頂管總長度4.5km，主要集中在建設一路、三都街工點，平均覆土深度2.5m，其中三都街Y1-Y5段、建設一路Y50-Y55段頂管覆土最淺，約為1.5m。

質量控制小組由施工、技術及測量等工作崗位的員工加入，運用質量管理的理論和方法[1]展開小組活動，基于客觀事實，應用統計方法為解決問題的基本原則[2]。

2 課題選擇

本項目頂管施工覆土層淺且距離建筑物比較近，部分頂管施工段地下水位較高，傳統的施工工藝容易造成路面開裂，從而引發附近建筑物地基沉降等問題[3]。根據現場情況，以及小組會議討論論證后，決定選擇“減少淺覆土大口徑頂管施工地表隆起”為課題。該小組在2021 年3 月1 日至6 月10 日，圍繞該課題展開活動共計20次。

3 目標設定及可行性分析

2021 年3 月11 日，對Y68-Y65 路 段DN3000 頂管 進行試頂，全程監測頂管沿線路面開裂情況、隆起沉降情況。本段施工場地較為空曠，周邊無建筑物。沿線在固定距離取共計6 個點，通過對本段頂進數據的采集，結合路面實際變化情況，制成表1 進行分析。本試頂段頂進距離150m，覆土深度在2.2-2.6m 之間，相較于《頂管技術規程》[4]中要求的1.5D覆土深度明顯不足。

表1 試頂段路面變化情況匯總

本次QC 活動的目標是減少頂管過程中地表隆起，由原來的150m 間引起地面隆起平均值5.4cm，減少至2.0cm 以內。QC 小組主要成員學歷較高，具有良好的科研技術優勢，并且多次邀請相關領域的專家進行專題授課，了解相關技術，為本次QC 課題攻關提供良好的基礎。此外，參與頂管施工的隊伍均為長期進行頂管施工的專業工程公司，配備多名經驗豐富的專業頂管操作手以及國內先進的頂管設備，具有多個高難度頂管施工的經驗。因此此次QC活動的目標是能夠實現的。

4 原因分析及要因確認

4.1原因分析

通過現狀調查及原因分析，梳理造成頂管施工質量低的因素，歸納起來有人、材、機、環、法、測六個方面。QC 小組采用頭腦風暴法展開討論和分析研究，繪制因果圖（見圖1）對問題產生的原因進行分析。

圖1 原因分析魚骨圖

4.2要因確認

經過小組成員分工后，通過查閱資料[5]、現場勘查、現場試驗等方式，對產生的原因逐一排查，最后確認造成頂管施工質量低的因素主要有頂進速度過快，排泥量不足；地質情況復雜以及土質較硬導致頂管阻力較大。

5 對策制定及實施

5.1對策制定

通過驗證找出影響頂管變形量的要因后，小組成員經過反復討論，總結了頂管施工對路面變形產生影響的原因：地質情況復雜，部分區域土體較硬，導致頂進阻力增大；同時在施工過程中，又無法很好地控制排泥量，強行加大頂力，導致在頂進過程中路面變形難以控制。針對這一系列原因，制定了相應的對策，具體對策措施見表2。

表2 對策措施

5.2對策實施

5.2.1對策實施一：控制頂進速度或增大排泥量

QC 小組成員首先向頂管操作人員進行交底，在保證頂管施工質量的情況下，盡可能控制頂進速度，同時采取其他方法，增加排泥量：吸取試頂階段的經驗，在堅硬的粘性土層中采用高壓水槍沖洗機頭前部土體，使之可以更快地進入排泥艙，有效地減少了頂力，提升了頂進速度，見表3。

表3 高壓水槍減阻前后效果情況對比

5.2.2對策實施二：換填處理復雜土質

首先，QC 小組成員整理了建設一路、三都街的地勘資料，針對所有覆土層淺、地質情況復雜的區段進行現場調查，將實際情況整理反饋，結合數據利用Midas 進行模擬分析，見圖2。

圖2 Midas模擬示意圖

⑴通過地勘等方式獲取頂管施工區域土層性質參數，建立模型。

⑵利用試頂數據，模擬大頂管施工工況，對該工況下的土壓力進行模擬。

⑶對薄弱或多石塊的地段進行開挖換填處理，換填后及時、反復壓實，并通過Midas復核覆土壓力。

通過在覆土層淺、地質情況復雜的地方進行換填，可以避免土層中的雜物、石塊影響頂進，防止雜物堵塞刀盤上的排泥孔，從而影響泥水平衡循環。從施工速度的角度考慮，刀頭沒有配備滾刀，因而無法切削石塊，石塊進入泥水倉后，極易堵塞排泥管，不僅會引發出泥速度過慢，還會導致頂力過大，引發其他各類問題。

對石塊過多的地塊進行換填之后，需要進行反復壓實，否則覆土過于松軟，不能為頂管機頭提供足夠的覆土壓力，在機頭周邊土壓力的作用下，易使機頭前部上浮，難以控制頂進姿態。因此，在換填、壓實之后，利用Midas進行模擬復核，保證頂管施工的順利進行。

通過模擬大頂管的工況，判斷出頂管中軸線的最上方最容易出現開裂，針對性地采取復壓等措施，從而順利完成頂管施工，并且可以對開裂、變形出現的部位提前做出預案，一旦施工造成了路面變形，可以第一時間進行修復，避免造成更大的影響。

5.2.3對策實施三：減少頂進過程中的阻力

⑴在頂管施工過程中最通用的減阻措施就是觸變泥漿的使用。QC 小組成員首先對當前使用的觸變泥漿各項參數進行了測定，又結合當前土質情況對泥漿的各項參數提出了理論上的優化方案，并通過實驗應用于施工現場。通過查閱相關資料并結合施工經驗，小組成員確定了影響泥漿最主要的各項指標有：

①失水量：一定體積的泥漿在0.69MPa 的壓力下濾出的溶液體積。失水后泥漿固相顆粒附著在一起形成“濾餅”。頂管施工中要求觸變泥漿的失水量≤25cm3/30min，濾餅致密完整。

②析水率：觸變泥漿靜置24h 后從漿液中離析出來水的體積與原泥漿體積的比值。施工中要求觸變泥漿析水率為零。

③密度和pH：泥漿密度過低無法支撐地層，過高則會導致流動性較差。泥漿呈強堿性時，泥漿不穩定，會出現分層現象，而過酸則會腐蝕管材。通常要求密度為1.05～1.16g/cm3，pH在8～10之間。

④表觀黏度和塑性黏度：反映泥漿網架結構強度的大小，其大小適中時泥漿網架結構強度較高。

⑤靜切力和動切力：觸變泥漿在靜置狀態時克服其內部摩擦作用而發生流動所需要的最小剪切力為靜切力(初切力和終切力)，其中使泥漿處于層流流動狀態時所需要的最小剪切力為動切力。

⑥觸變性：評價泥漿質量良好與否的重要性能指標，觸變性較強的泥漿減阻效果較好。

⑦動塑比：衡量泥漿剪切稀釋特性的重要性能指標，反映剪切稀釋作用的強弱。

QC 小組成員經過一系列的實驗，測定了原用泥漿及優化方案，見表4。

表4 泥漿優化前后參數對比

⑵在管壁外側進行刷蠟減阻，所涂蠟油是一種液體聚合物，能夠快速提高泥漿黏度。按照蠟油與水的比例約為1:2.5 將蠟油化開，調整pH 值至9，使蠟油整體呈弱堿性。

在加入膨潤土時將一部分蠟油，以緩慢、穩定的速度加入，并充分攪拌均勻，將另一部分蠟油均勻涂抹在管壁周圍。這種做法可以保證觸變泥漿的參數不會受到蠟油太大影響，同時將蠟油涂抹于管壁周圍，當觸變泥漿隨注漿管流至管壁周圍時，又可以與蠟油充分融合，提升黏度。

⑶使用鋼片將1～5 節管節連接起來，此方法有效地增強了機頭部分管節的連接性，使之成為一個整體，更有利于控制頂管頂進的方向，使之在軟弱地層中可以穩定頂進。頂管管節的接縫處需要采用水泥砂漿進行抹平，其作用為：第一可以防止接縫處滲漏地下水；第二可以保持各個管節之間相互連接成為一個整體，更有利于維持良好的頂進姿態，使管道保持一個穩定的坡度。

⑷為防止觸變泥漿在注漿孔發生滲漏，項目部針對注漿孔進行了創新性的改進。相比于在注漿孔內只設置止逆閥的現有方案，增加了鴨嘴閥并用延長管將鴨嘴閥與止逆閥連通為整體，通過鴨嘴閥和止逆閥組合的雙重單向閥門結構來增強止逆效果，增強了注漿孔的密封性，避免管道外側的減阻泥漿或微膨脹水泥砂漿沿止逆閥與注漿孔內壁之間的縫隙滲透進管道內。見圖3。

圖3 新型注漿孔剖面圖

6 效果檢查

6.1質量檢查

QC 小組成員對在實施對策階段（2021 年5 月1 日-30日）完成的Y1-Y5段、Y39-Y65段頂管施工質量進行了全面統計，其結果見表5。

表5 大頂管施工穩定情況匯總

從表5 可以看出，路面平均隆起值為1.11㎝，只有Y52-Y53 段出現輕微隆起開裂，項目整體達到了預期效果，實現了課題目標，效果對比見圖4。

圖4 QC實施前后頂管施工地表隆起值對比圖

從圖4可知，QC活動的實施有效地提升了頂管頂進姿態的穩定性，提高了施工質量，并且對于頂進的精準度有很大的提升，最大程度地減小了頂管施工對路面及周邊區域造成的影響。

6.2經濟效益評估

對三都街Y1-Y5 段、建設一路Y39-Y65 段頂管施工進行成本費用統計，見表6。本次QC活動能夠產生的直接經濟效益為256680元。

表6 QC活動經濟效益

7 結語

此次QC 小組活動，有效地減少了路面隆起、開裂，保證了頂管施工的穩定性，并取得了良好的經濟效益。為提高成果的有效性和持續性，QC 小組舉行培訓班和成果交流活動，使全體施工管理人員和作業人員熟悉大頂管施工工藝和質量控制措施，使活動成果得以在整個工程施工中全面推廣，同時為其他同類工程提供借鑒。