泥水平衡機(jī)械頂管穿越富水砂層施工控制技術(shù)

曹 曄 (中鐵四局集團(tuán)第一工程有限公司，安徽 合肥 230041)

1 工程及地質(zhì)概況

毫州市西一環(huán)路（文帝路～藥都大道）西側(cè)污水管采用泥水平衡機(jī)械頂管施工，管徑為DN800和DN1000兩種類型，最大頂程為120m，管頂覆土6m~10m不等。

西一環(huán)路地下水位較高，地面以下2.6m左右出現(xiàn)地下水。本段頂管施工地質(zhì)較復(fù)雜，頂管穿過地層主要包括：①層粉質(zhì)粘土，該層在本場地中均有分布，未揭穿，最大揭穿厚度為8.70m，層頂面埋深0.40m～7.80m；②層粉土，該層在本場地中大部分地段有分布，厚度為0.70m～4.00m，層頂面埋深2.80m～10.40m；③層粉細(xì)砂，層頂面埋深7.30m～9.00m。

2 施工控制技術(shù)

頂管穿越富水砂層主要施工包括：沉井封底、機(jī)頭進(jìn)出洞、頂力控制、軸線控制技術(shù)。

2.1 沉井封底

當(dāng)沉井沉到設(shè)計標(biāo)高，經(jīng)2d～3d下沉已穩(wěn)定，或經(jīng)觀測，在8h內(nèi)累計下沉量不大于10mm時，即可進(jìn)行沉井封底。

本沉井采取排水封底方法，分兩步進(jìn)行。第一步進(jìn)行土形整理，使之成鍋底形，自刃腳向中心挖放射形排水溝，填以石子作為濾水暗溝，在中部設(shè)集水井，井深1m～2m，插入直徑Φ600混凝土管一節(jié)作濾井，四周填以卵石，使井底的水都匯集到集水井中，用水泵排出。使地下水位保持低于井底面30cm～50cm。刃腳混凝土鑿毛處應(yīng)洗刷干凈。然后，在井底對稱均勻澆一層混凝土墊層，強(qiáng)度達(dá)到30%后，綁鋼筋，澆筑上層防水混凝土底板。澆筑應(yīng)在整個沉井面積上分層由四周向中央進(jìn)行，每層厚30cm，并搗固密實。混凝土養(yǎng)護(hù)14d期間，在封底的集水井中應(yīng)不間斷的抽水，待底板混凝土達(dá)到70%強(qiáng)度后，進(jìn)行第二步施工，對集水井停止抽水，進(jìn)行土封堵。方法是在抽出井筒水后，立即向濾水井管中灌入早強(qiáng)混凝土，裝上法蘭，再在上面澆筑一層混凝土，使之與底板相平。

2.2 機(jī)頭進(jìn)出洞

頂管工具管在工作井中安裝、調(diào)試完畢后，即拆除洞口封門，將工具管逐步推入待開挖土體。頂管進(jìn)出洞技術(shù)包括洞口土體加固、洞口止水裝置設(shè)計以及測量控制等技術(shù)。

2.2.1 洞口土體加固

圖1 粘土受力分析

圖2 橡膠法蘭

洞口土體的加固是利用水泥等硅膠類化學(xué)漿液，通過氣壓、液壓等方法使?jié){液與土顆粒膠結(jié)起來，以增加土體強(qiáng)度、自立性和防水性。下面以粘土為例進(jìn)行說明。

含有大量水的粘土有一定的粘聚力，其破壞特征主要表現(xiàn)在整體滑移失去穩(wěn)定。如圖1中：H 為頂管中心上部土體埋深；D 為加固土體開挖內(nèi)徑，AC 為注漿引起內(nèi)聚力增加；T 為改良土體正面必須的厚度；θ 為滑移線與改良土體邊界線交點和0點連線與井壁的交角(弧度)。假定土體滑移是以0點為圓心的圓弧線。

上部覆土引起的下滑力矩為

滑移圓弧內(nèi)土體下滑力矩Md2=γ×D3／3

土體改良以前抵抗力矩

土體改良以后增加的抵抗力矩

土體平衡條件為：K×(Mdl+Md2)=Mγ+△Mγ

令Mdl+Md2=Md，解上式可得：θ=(K×Md－Mγ)／(△C×D2)(rad)

T=D×sinθ

K 為安全系數(shù)

理論計算加固正面土體的寬度往往偏小，施工工藝無法滿足，故加固時一般按管壁外側(cè)左右加固范圍不小于2m、下部不小于lm、上部不小于3m取值。

2.2.2 洞口止水裝置的設(shè)計

洞口止水裝置的設(shè)計，對頂管能否順利地進(jìn)出洞、保證頂進(jìn)過程中洞口密封的可靠性是至關(guān)重要的。工作井洞口止水裝置應(yīng)根據(jù)工作井的具體條件來進(jìn)行，在城市排水工程中，一般管道鋪設(shè)深度較淺(H<10m)，因而地下水的壓力也較小，可以采用一種較簡單的橡膠法蘭的結(jié)構(gòu)形式，這種形式又分為如下兩種情況。

一種是對沉井工作井，如圖2所示，在沉井制作時就預(yù)埋了一環(huán)鋼法蘭，當(dāng)沉井下沉封底后，由于洞口標(biāo)高可能與設(shè)計值產(chǎn)生誤差，為消除上述誤差，可以在在預(yù)埋鋼法蘭上再焊一圈鋼法蘭。該法蘭中心可與原洞口中心錯位，而與實際的管道中心保持同心，環(huán)后焊的法蘭中心也就是洞口止水裝置的中心，這種橡膠法蘭的止水裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本低，安裝方便。

對于一些特殊的施工條件，如過江、出海等工程，管道埋深一般大于15m，有的情況下洞口甚至處于承壓水土層范圍內(nèi)。采用一般的橡膠法蘭止水裝置就不安全。對于管道埋設(shè)深的情況，工作井洞口止水裝置的形式很多，有用齒形橡膠止水帶形式的，也有用盾尾鋼緣刷密封并壓注盾尾油脂的形式。無論設(shè)計選用哪種形式，首先必須以安全止水為前提，其次才考慮經(jīng)濟(jì)性等因素。對于頂管接收井的洞口止水，由于工具管進(jìn)洞的姿態(tài)難以確定，一般情況不采用止水裝置，而是對洞口采用地基加固措施，并用扇形板將首管與接收井預(yù)埋鋼法蘭焊接。首管為特殊管，外壁包一層鋼板，工具管進(jìn)入接收井時，坑內(nèi)應(yīng)計算好標(biāo)高安放引導(dǎo)軌。接收井洞接口為鋼性連接，不僅滿足止水要求，還能防止叩頭現(xiàn)象的發(fā)生。

2.3 頂力控制

本段頂管施工地質(zhì)較為復(fù)雜，部分段落頂管上半部分位于粘土層，下半部分位于富水砂層，且局部地區(qū)有卵石夾層，不利于頂力控制。

2.3.1 頂力計算

根據(jù)給排水管道施工及驗收規(guī)范規(guī)定：

頂進(jìn)力FP=πD0Lfk+NF

Fp——頂進(jìn)阻力（kN）

D0——管道的外徑

L——管道設(shè)計頂進(jìn)長度

fk——管道外壁與土的單位面積平均摩阻力，取8.0kN/m2

NF——頂管機(jī)的迎面阻力，NF=π（D0-t）tR

t——工具管厚度，

R——擠壓阻力，取400kN/m2

DN800頂力計算：

D0=1.0m，L=60m，fk=8.0kN/m2

t=0.1m，R=400kN/m2

則NF=π（D0-t）tR=π×（1.0-0.1）×0.1×400=113.04kN

FP=π×1.2×60×8+113.04=1922kN

DN1000頂力計算

D0=1.2m，L=120m，fk=8.0kN/m2

t=0.1m，R=400kN/m2

則NF=π（D0-t）tR=π×（1.2-0.1）×0.1×400=138.2kN

FP=π×1.2×120×8+138.2=3756kN

2.3.2 頂力控制

頂管施工前對機(jī)頭、千斤頂、油表、注漿泵等設(shè)備進(jìn)行全面系統(tǒng)的檢查，頂進(jìn)過程中采用膨潤土注漿進(jìn)行減阻，密切關(guān)注油表變化，根據(jù)油表讀數(shù)酌情增減注漿量。

觸變泥漿施工用配合比如表1所示。

膨潤土造漿施工配合比 表1

觸變泥漿在輸送和注漿過程中應(yīng)呈膠狀液體，具有相應(yīng)的流動性，注漿后經(jīng)一定的靜置時間應(yīng)呈膠凝狀，具有一定的固結(jié)強(qiáng)度。管道頂進(jìn)時，觸變泥漿被擾動后膠凝結(jié)構(gòu)破壞，但應(yīng)呈膠狀液體。頂進(jìn)應(yīng)與管外圍注漿同步進(jìn)行，其原則是“同步注漿與補(bǔ)漿相結(jié)合”，即先注漿、后頂進(jìn)、隨頂進(jìn)、隨注漿，以保證管外圍充滿泥漿套，充分發(fā)揮減阻和支撐作用。

原則上頂進(jìn)過程中暫停時間不應(yīng)超過2h，防止管材被周圍土體抱死，若遇到異常情況必須暫停頂進(jìn)，重新開始頂進(jìn)后應(yīng)緩慢、逐級加壓，應(yīng)加大注漿量，減小頂進(jìn)阻力，防止因頂力過大出現(xiàn)管材碎裂現(xiàn)象。

2.4 軸線控制

2.4.1 頂進(jìn)監(jiān)控

①前期測量：頂管前，應(yīng)在工作井處設(shè)置管道軸線控制樁和臨時水準(zhǔn)點、工作井護(hù)樁，以便復(fù)核頂管軸線和工作井位置是否移動；開頂前，準(zhǔn)確測量掘進(jìn)機(jī)中心的軸線和標(biāo)高偏差，并作好原始記錄。

②頂進(jìn)測量：測量儀器固定安放在工作井的后部千斤頂架子中心，并在工作井內(nèi)建立臨時測量系統(tǒng)。頂管過程中必須按要求測量和控制管道標(biāo)高及中心偏差，并作好記錄。每頂進(jìn)50cm必須測量一次，每節(jié)管道頂進(jìn)結(jié)束后測量管道中心的軸線和標(biāo)高偏差，記錄并交工程師審核確認(rèn)。測量儀器隨時校正，每一次交接班時必須校正儀器一次。

③竣工測量：一段管頂完后，應(yīng)立即在每節(jié)管道上選點，測量其中心位置和管底標(biāo)高；根據(jù)測量結(jié)果，繪制竣工曲線，以便進(jìn)行管道質(zhì)量評定；測量地面的沉降，并作好記錄以確定頂管施工對周圍環(huán)境的影響情況。

2.4.2 頂進(jìn)控制及軸線糾偏

鋼筋混凝土管是逐段頂進(jìn)的，每段之間不傳遞彎矩，縱面是柔性的，所以容易產(chǎn)生偏差，糾偏應(yīng)遵循以下原則：糾偏應(yīng)在頂進(jìn)過程中進(jìn)行。頂管施工過程有時會產(chǎn)生管道扭轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，應(yīng)予以糾正。其方法是：首先檢查設(shè)備的布置、復(fù)核軸線，不使扭轉(zhuǎn)加劇。在工具管機(jī)頭內(nèi)，采用壓重的辦法糾扭，即管道單邊壓重，使管道相反扭轉(zhuǎn)，逐漸恢復(fù)到原來狀態(tài)。

3 結(jié) 語

現(xiàn)該段頂管施工已順利完成，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。同時通過本工程的施工組織實施，為在含水量豐富的純砂層地質(zhì)中運用泥水平衡頂管技術(shù)進(jìn)行各類鋼筋混凝土管頂進(jìn)施工積累了寶貴的施工經(jīng)驗。