基于復(fù)雜環(huán)境管線遷改項(xiàng)目的頂管法施工技術(shù)研究

摘 要：以武漢市經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)某管線遷改項(xiàng)目為研究對(duì)象，運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的手段，對(duì)頂管頂進(jìn)過(guò)程中的施工參數(shù)、頂管應(yīng)力和變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，研究各參數(shù)的變化規(guī)律。結(jié)果表明，當(dāng)頂進(jìn)行程小于100m時(shí)，頂管頂進(jìn)速度呈現(xiàn)較大的波動(dòng)，頂管頂進(jìn)迎面頂進(jìn)力和主頂油缸頂力迅速增加，波動(dòng)劇烈；當(dāng)頂進(jìn)行程大于100m時(shí)，進(jìn)入正常頂進(jìn)階段，頂管頂進(jìn)速度控制平穩(wěn)，約為2.7cm/min，啟動(dòng)中繼間頂進(jìn)后，頂管迎面頂進(jìn)力逐步趨于穩(wěn)定，收斂值約2370kN，而中繼間的收斂值約4049kN，同時(shí)主頂油缸頂力也趨于穩(wěn)定，控制收斂約8034kN；當(dāng)頂進(jìn)行程小于150m時(shí)，頂管豎向偏差和水平向偏差均呈現(xiàn)劇烈的波動(dòng)，波動(dòng)延長(zhǎng)了50m的頂進(jìn)行程，表現(xiàn)了一定的滯后性；當(dāng)頂進(jìn)行程為150m～265m時(shí)，頂管水平向偏差呈現(xiàn)穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，當(dāng)頂進(jìn)行程為265m～300m時(shí)，則呈現(xiàn)不同程度的波動(dòng)，當(dāng)頂管豎向偏差頂進(jìn)行程為150m～300m時(shí)均具有一定的波動(dòng)；頂管不同位置的縱向應(yīng)力呈現(xiàn)明顯不同，頂部縱向應(yīng)力最大值為56.4MPa，左側(cè)縱向應(yīng)力最大值為-42.22MPa，右側(cè)縱向應(yīng)力最大值為-19.83MPa。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜環(huán)境；管線遷改；頂管施工；中繼間；應(yīng)力

中圖分類號(hào)：TU 74 " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著城市化進(jìn)程推進(jìn)，城市內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和改造工程迅猛發(fā)展。其中，復(fù)雜環(huán)境的管線遷改項(xiàng)目作為城市規(guī)劃和建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，受到研究者關(guān)注[1]。在這類工程建設(shè)中，頂管法是常用的施工方法之一，因其具有效率高和成本低的特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。頂管法施工參數(shù)、應(yīng)力和變形對(duì)頂管法施工效果和工程質(zhì)量具有重要影響[2-3]。復(fù)雜環(huán)境中的地質(zhì)條件復(fù)雜多變，增加了施工參數(shù)的選擇難度，地下水位的高低、土壤類型的多樣性以及地下巖層的強(qiáng)度和穩(wěn)定性等因素，都會(huì)影響頂管法施工參數(shù)的選擇[4]。因此，準(zhǔn)確確定頂管機(jī)的推進(jìn)力、頂管液壓系統(tǒng)的參數(shù)等施工參數(shù)、合理控制頂管應(yīng)力和變形，對(duì)工程順利進(jìn)行和管道安全有關(guān)鍵意義。目前對(duì)復(fù)雜環(huán)境下頂管法施工參數(shù)、應(yīng)力和變形的研究仍相對(duì)不足[5]。結(jié)合武漢市經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)某管線遷改項(xiàng)目，將著重對(duì)復(fù)雜環(huán)境下頂管法施工參數(shù)、應(yīng)力和變形進(jìn)行深入研究。研究成果可為管線遷改工程提供施工指導(dǎo)，提高工程質(zhì)量和效率，以滿足城市化進(jìn)程中基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的日益增長(zhǎng)的需求。同時(shí)，也可為相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究提供參考。

1 工程概況

項(xiàng)目位于武漢市經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)龍靈山附近，工程內(nèi)容主要有新建全力二路高架橋和對(duì)接?xùn)|風(fēng)大道匝道橋，全力二路、全力三路道路改造，新建硃山一路下穿通道，硃山湖南路下穿全三通道，龍靈大道下穿全力三路通道，新建三座人行天橋。項(xiàng)目周邊經(jīng)濟(jì)建設(shè)成熟，地下管線分布復(fù)雜。其中ABC匝道、主線橋樁基、硃山湖南路下穿通道、硃山一路下穿通道、龍靈大道下穿通道、全力三路道路改造、全力二路道路改造均涉及管線遷改，見(jiàn)表1。

2 頂管法施工場(chǎng)地工程地質(zhì)條件分析

地層自上而下主要由6個(gè)單元層組成：1）單元人工填土層（Qml）。2）單元第四系全新統(tǒng)沖積形成一般黏性土層（Q4al）。3）單元第四系上～中更新統(tǒng)沖洪積形成的老黏性土層（Q3al+pl～Q2al+pl）。4）單元?dú)埛e層（Qel）。5）單元白堊-下第三系泥質(zhì)粉砂巖和沙礫巖層（K-E）。6）單元為二疊系灰?guī)r炭質(zhì)泥巖層（P）。根據(jù)各單元層內(nèi)物理力學(xué)性質(zhì)差異又可分為若干亞層。頂管施工穿越土層主要為②-2粉質(zhì)黏土、③-1黏土和③-3粉質(zhì)黏土夾碎石。各巖土層空間分布及工程特性見(jiàn)表2。

3 管線頂管施工過(guò)程參數(shù)監(jiān)測(cè)分析

為了根據(jù)穿越巖土工程地質(zhì)條件控制頂管施工頂進(jìn)參數(shù)，本文以頂管A工作井～B工作井頂進(jìn)施工為例，頂進(jìn)施工長(zhǎng)度為350m，鋼頂管采用直線頂進(jìn)和承插式接頭，頂管內(nèi)直徑為2.2m，外直徑為2.24m，對(duì)頂進(jìn)施工過(guò)程中的頂進(jìn)速度、迎面壓力、主油缸頂力、中繼間頂力進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)[6-8]。圖1為頂管施工工程中頂進(jìn)速度隨著累計(jì)頂進(jìn)行程的變化關(guān)系。從圖1可以看出，當(dāng)頂進(jìn)行程小于100m時(shí)，頂管頂進(jìn)速度呈現(xiàn)較大的波動(dòng)，其變化范圍為1.5cm/min～

3.7cm/min。因?yàn)樵谠摱畏秶鷥?nèi)頂進(jìn)的過(guò)程中油缸給予的頂進(jìn)力充裕，在土層中行進(jìn)阻力較小，所以其頂進(jìn)較快，為了控制平穩(wěn)，使頂進(jìn)速度存在一定程度的波幅；當(dāng)頂進(jìn)行程大于100m時(shí)，進(jìn)入正常頂進(jìn)階段，頂管頂進(jìn)速度控制平穩(wěn)，除個(gè)別畸點(diǎn)外，頂管的頂進(jìn)速度約為2.7cm/min。

圖2為頂管頂進(jìn)時(shí)的機(jī)頭迎面頂力以及主油缸的頂進(jìn)力隨著累計(jì)頂進(jìn)行程的變化關(guān)系。從圖2可以看出，當(dāng)頂進(jìn)行程小于100m時(shí)，頂管頂進(jìn)迎面頂進(jìn)力和主頂油缸頂力迅速增加，波動(dòng)劇烈，且主頂油缸頂力顯著大于迎面頂力，因?yàn)閯傔M(jìn)入頂進(jìn)階段，速度控制不穩(wěn)定，此時(shí)頂管受到的側(cè)壁摩阻力包括動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩種，且兩種狀態(tài)不斷變換。同時(shí)頂進(jìn)距離越長(zhǎng)，其受到的阻力也越大；當(dāng)頂進(jìn)行程大于100m時(shí)，為了避免出現(xiàn)超出量程問(wèn)題，同時(shí)穩(wěn)定頂管迎面頂進(jìn)力，采用中繼間頂進(jìn)的方式施工。由此可以看出，隨著頂進(jìn)行程增加，頂管迎面頂進(jìn)力逐步趨于穩(wěn)定，收斂值約2370kN，而中繼間的收斂值約4049kN，同時(shí)主頂油缸頂力也趨于穩(wěn)定，控制收斂約8034kN。

4 管線頂管施工受力和變形變化規(guī)律分析

為了研究復(fù)雜環(huán)境下管線頂管的施工效果，對(duì)頂管頂進(jìn)過(guò)程中的變形與應(yīng)力進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試，變形測(cè)試內(nèi)容主要包括頂管豎向位移與軸線的偏差，水平向位移與軸線的偏差，在管片頂部、軸線左側(cè)、軸向右側(cè)布置3個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)試應(yīng)力值，監(jiān)測(cè)時(shí)間為2022年10—11月，共60d。圖3為頂管豎向偏差與水平向偏差隨著累計(jì)頂進(jìn)行程的變化曲線，從圖3中可以看出，當(dāng)頂進(jìn)行程小于150m時(shí)，頂管豎向偏差和水平向偏差均呈現(xiàn)劇烈波動(dòng)，并表現(xiàn)累積效應(yīng)，頂管豎向偏差范圍為0.11cm～4.94cm，水平向偏差范圍為-2.04cm～3.79cm，與頂管頂進(jìn)速度、迎面壓力和頂力曲線的變化相比，頂管豎向偏差和水平向偏差的波動(dòng)延長(zhǎng)了50m的頂進(jìn)行程，表現(xiàn)一定的滯后性；當(dāng)頂進(jìn)行程為150m～265m時(shí)，頂管水平向偏差呈現(xiàn)穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，實(shí)測(cè)偏差收斂值為4.86cm，當(dāng)頂進(jìn)行程為265m～300m時(shí)，頂管進(jìn)入接收工作井階段，水平向偏差呈現(xiàn)不同程度的波動(dòng)，當(dāng)頂進(jìn)行程為150m～300m時(shí)頂管豎向偏差具有一定的波動(dòng)，但頂進(jìn)行程大于250m后波動(dòng)幅度相對(duì)較小，平均值約1.50cm。

圖中豎向偏差正值表示向上變形，負(fù)值表示向下變形，水平偏差正值表示向頂進(jìn)方向的左側(cè)變形，負(fù)值表示向頂進(jìn)方向的右側(cè)變形。

圖4為距離機(jī)頭120m處頂管不同位置應(yīng)力隨著時(shí)間變化情況，圖中應(yīng)力正值表示壓應(yīng)力，應(yīng)力負(fù)值表示拉應(yīng)力。從圖4可以看出，頂管不同位置的縱向應(yīng)力明顯不同，頂部縱向應(yīng)力和左側(cè)縱向應(yīng)力均在頂進(jìn)時(shí)間為10d內(nèi)較小，右側(cè)縱向應(yīng)力在頂進(jìn)時(shí)間為30d內(nèi)較小，頂部縱向應(yīng)力最大值為56.4MPa，左側(cè)縱向應(yīng)力最大值為-42.22MPa，右側(cè)縱向應(yīng)力最大值為-19.83MPa。

5 結(jié)論

以武漢市經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)某管線遷改項(xiàng)目為研究對(duì)象，運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的手段，對(duì)頂管頂進(jìn)過(guò)程中的施工參數(shù)、頂管應(yīng)力和變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，研究各參數(shù)的變化規(guī)律，得到以下3個(gè)結(jié)論：1）當(dāng)頂進(jìn)行程小于100m時(shí)，頂管頂進(jìn)速度呈現(xiàn)較大波動(dòng)，其變化范圍為1.5cm/min～3.7cm/min；當(dāng)頂進(jìn)行程大于100m時(shí)，進(jìn)入正常頂進(jìn)階段，頂管頂進(jìn)速度控制平穩(wěn)，約為2.7cm/min。2）當(dāng)頂進(jìn)行程小于100m時(shí)，頂管頂進(jìn)迎面頂進(jìn)力和主頂油缸頂力迅速增加，波動(dòng)劇烈，且主頂油缸頂力顯著大于迎面頂力；當(dāng)頂進(jìn)行程大于100m時(shí)，為了避免主頂油缸超出工作量程，同時(shí)穩(wěn)定頂管迎面頂進(jìn)力，啟動(dòng)中繼間頂進(jìn)，頂管迎面頂進(jìn)力逐步趨于穩(wěn)定，收斂值約2370kN，而中繼間的收斂值約4049kN，同時(shí)主頂油缸頂力也趨于穩(wěn)定，控制收斂約8034kN。3）當(dāng)頂進(jìn)行程小于150m時(shí)，頂管豎向偏差和水平向偏差均呈現(xiàn)劇烈的波動(dòng)，波動(dòng)延長(zhǎng)了50m的頂進(jìn)行程，表現(xiàn)出一定的滯后性；當(dāng)頂進(jìn)行程為150m～265m時(shí)，頂管水平向偏差呈現(xiàn)穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，實(shí)測(cè)偏差收斂值為4.86cm，當(dāng)頂進(jìn)行程為265m～300m時(shí)，呈現(xiàn)不同程度的波動(dòng)，頂管豎向偏差則在頂進(jìn)行程為150m～300m時(shí)均具有一定的波動(dòng)。4）頂管不同位置的縱向應(yīng)力呈現(xiàn)明顯的不同，頂部縱向應(yīng)力和左側(cè)縱向應(yīng)力均在頂進(jìn)時(shí)間為10d內(nèi)較小，而右側(cè)縱向應(yīng)力在頂進(jìn)時(shí)間為30d內(nèi)較小，頂部縱向應(yīng)力最大值為56.4MPa，左側(cè)縱向應(yīng)力最大值為-42.22MPa，右側(cè)縱向應(yīng)力最大值為-19.83MPa。

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