西安市周邊砂層地質排水管道施工工藝比較分析

葉華中

西安航天基地投資發展有限公司

近年來，隨著西安地區城市化進程的逐步加快和城市規模的急劇擴展，遠離城區的近郊地帶和城鄉結合部已經成為城市投資和發展熱點，市政基礎設施投資也快速向城市外圍拓展；“八水繞長安”這一千古美譽使得城市的周邊地區，砂層廣泛分布于外圍河流附近，尤以南郊太白路地區和北郊草灘地區最甚；這種砂層未擾動時，可短時直立，一經擾動或失水、風吹，結構破壞，處于流動狀態，給地下工程施工造成很大的影響和困難，嚴重影響了工程施工的進度、質量和安全，給工程勘察、設計、施工等各個環節提出了更高的要求。

西安近郊河流附近的中粗砂層，多為褐黃色-灰色，飽和，不均勻系數在3.4-4.6之間。曲率系數在1.1～1.5之間，N值在12～46之間，標準差8.4，變異系數0.29。本文結合長安區污水處理廠進廠污水管道施工中所應用的施工工藝，探討全斷面砂層管道施工安全、經濟、有效的方法，為以后進行同類地質情況下管道施工提供借鑒。

1 施工工藝施工過程簡介

長安區污水處理廠全斷面砂層管道施工中主要采取的管道施工方法有：土壓平衡機械頂管施工、半開槽明頂施工及擠壓式工具管人工頂管施工。下面先就以上幾種施工工藝施工過程分別加以介紹：

1.1 DK土壓平衡頂管施工

DK式土壓平衡頂管施工技術是利用掘進機土艙內泥土的壓力來平衡掘進機所處土層的土壓力和地下水壓力的頂管施工技術。在長安區污水處理廠管道施工中，W5-W6段采用該施工方法，本段全長116米，頂管機由W5向W6頂進，W5工作坑開挖前，進行了旋噴樁預支護，鋼筋砼工作坑構筑順利；2012年4月初正式機械頂進，起初因土倉砂體摩阻力大，刀盤電流超標，不敢貿然硬頂，由于砂層中無法形成有效卸荷拱，土壓平衡難以建立，頂進管道上方地面出現塌陷，當頂進至50m時，刀盤前端出現大的不明障礙物，卸掉螺旋出土機清理，導致掌子面砂層大面積塌方，繼續向前頂進約2m后，大刀盤因異物卡住而損壞，維修設備延誤工期40天，由于該段需穿越皂河，為確保頂管機安全穿越，項目部制訂了過皂河施工應急預案，同時，在頂管機頂進過程中，通過在機頭前方注入膨潤土泥漿改良土質，以降低刀盤轉矩、嚴格控制頂進土壓，盡量使挖掘面土壓與泥土倉土壓達到平衡等措施，安全穿越皂河，至7月31日機頭出洞，全程頂進有效工期65天，使用中繼間5套。

1.2 半開槽明頂施工

長期以來，砂層地區的明開槽施工都是采用大開挖的方式，土方量大，占地大，對環境影響大，明顯不能適應社會要求；對明開槽管溝兩側砂體進行樁基加固，可有效減少開挖土方量，保證施工安全。

本工程W13-進水控制井段，采用半開槽明頂施工，本段全長74米，由于管道埋置較深，砂層經擾動后易發生坍塌，為確保施工安全、節約管道開挖費用，經綜合分析比較，本段先按照砂層自然坡度開挖5米，然后采用單排高壓旋噴樁對槽壁支護6米，挖掘機在溝槽內挖至管頂、人工挖土頂進的辦法，本段7月20日進行溝槽開挖和旋噴樁支護，8月20日完成本段頂進施工，有效工期20天。

1.3 擠壓式工具管頂管施工

擠壓式工具管頂管施工是用主頂油缸或中繼間油缸的推力把工具管先擠到土里去，而被擠壓的土則從工具管排土口排出，然后人工將切削的土體運出坑外的一種頂管方式。在砂層中，由于挖掘面不穩定，因此在面板上設置了隔板，保證土體切削效果和挖掘面穩定，本工程W1-W2段采用擠壓式工具管人工頂進施工，本段全長116米，7月6日開始頂進，有效工期30天。

2 施工工藝比較分析

2.1 施工質量控制分析

土壓平衡機械頂管施工段頂進時前期挖掘面砂層塌方導致路面沉陷，后期加強頂進時土壓控制、加注泥漿改良土體，有效防止了挖掘面坍塌，管道頂進高程最大偏差7cm，中線最大偏差5cm，頂進質量得到有效控制。

半開槽明頂施工段由于采用管頂卸荷、人工頂進方式，可有效控制管線高程、中線，回填采用灌水密實，能夠保證回填質量。

擠壓式工具管頂管施工由于工具管先要插入土中，管前高程、中線需根據變化趨勢進行預測糾偏，因此工具管前段糾偏頻繁，高程、中線控制較困難，因此采用該工藝時、操作人員必須有足夠的施工經驗和對管線偏差的預判能力；再者，擠壓式工具管挖掘面無法形成壓力平衡，可能發生挖掘面失穩造成管端土體塌方，通過在面板上加密隔板、減小面板開口率，可使挖掘面坍塌風險大大降低。

2.2 施工安全性分析

由于土壓平衡機械頂管施工人員不需進入挖掘面，作業比較安全，對作業人員主要傷害是：工作坑內起吊頻繁、頂管機噪聲較大等。

半開挖明頂施工作業人員需進入挖掘面，由于砂層經擾動無法自立，管前端發生涌砂現象對作業人員危害較大，因此作業時人員盡可能在管內挖土，挖土順序必須由上自下，使管前砂體形成自然坡度，可有效降低安全風險；擠壓式工具管頂管施工作業人員也需進入挖掘面，但由于有面板阻隔，人工只需挖除管內土方，因此作業比較安全。

2.3 施工進度分析

根據長安區污水處理廠管道施工實際施工進度，土壓平衡頂管日進度約2m/日，半開槽明頂施工3.7m/日，擠壓式工具管頂管施工3.8m/日。擠壓式工具管頂管施工進度最快。

2.4 成本分析

管道頂進完成后，分公司對各施工工藝成本進行剝離，扣除管材費用，各工藝每米實際成本為：土壓平衡機械頂管3800元/米，半開槽明頂施工6528元/米，擠壓式工具管頂管施工2000元/米，該成本未計入土壓頂管機購置和擠壓式工具管加工費用攤銷；可見在幾種施工工藝中擠壓式工具管頂管施工最為節約。

2.5 環境影響分析

土壓平衡頂管施工不開挖面層，對地面交通影響較小，經過注漿改良的砂土一般不能重復利用，頂管機運轉過程中噪音交大，對人體有傷害；半開槽明頂施工土方開挖量大，棄土需二次轉運回填，造成揚塵污染，加之該工藝需開挖路面，對交通影響大；擠壓式工具管頂管施工噪音小、不開挖路面，棄土可利用，環境影響程度小。

2.6 施工風險分析

土壓平衡機械頂管由于屬封閉式施工，人無法進入挖掘面，若在施工中遇到未探明障礙物，可能造成機頭損害，嚴重時可造成無法頂進，因此施工風險較大；半開槽明頂施工是敞開式作業，作業人員完全暴露于挖掘面，人身風險較大，槽壁旋噴樁加固施工時，旋噴樁要在管道流水平以下有一定埋置深度，否則溝槽開挖時由于壓力平衡被打破，坑壁側壓過大會導致斷樁，發生槽壁坍塌等事故；擠壓式頂管施工采用先頂進后出砂施工，作業相對安全，若遇地下水時，可采用氣壓平衡地下水，防止發生砂涌，因作業人員能夠進入挖掘面，遇不明障礙物時處理難度小。

3 結語

通過以上分析比較，在全斷面砂層中進行管道施工，擠壓式工具管頂管施工工藝因其工程造價低、操作簡便、作業相對安全、進度較快、環境污染小等特點，優于其他兩種施工方法，建議施工中加以采用。

當然，因本工藝在該工程中屬初次使用，還有許多不完善和需要探討的問題，需要我們在今后的工程施工中總結經驗，對該工藝加以改進。