富水砂土地層中泥水平衡式頂管施工技術(shù)

■李開(kāi)艷 ■中鐵十七局集團(tuán)第六工程有限公司，福建 福州 350014

頂管施工屬于非開(kāi)挖技術(shù)，不僅可以減少施工中的拆遷工作還可以保證作業(yè)面上的建筑與路面正常的使用，所以頂管技術(shù)被廣泛地運(yùn)用到工程實(shí)際中。在富水砂土地層，地質(zhì)比較復(fù)雜，很容易出現(xiàn)砂土液化現(xiàn)象，受到擾動(dòng)后出現(xiàn)失穩(wěn)情況，給頂管造成很大的困難。在富水砂土的地質(zhì)頂管中經(jīng)常出現(xiàn)頂進(jìn)困難、建筑路面沉降較大、砂土液化為流沙等問(wèn)題，使得頂管施工無(wú)法達(dá)到預(yù)期的效果，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成頂管施工質(zhì)量事故，導(dǎo)致頂管失敗。本文主要針對(duì)江華大道污水管道435m的富水砂土地層的施工經(jīng)驗(yàn)，積極采取相應(yīng)的有效降低頂管風(fēng)險(xiǎn)的技術(shù)措施，確保作業(yè)區(qū)域管線(xiàn)的安全及路面沉降在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，為類(lèi)似工程提供一定的參考。

1 工程概況

閩臺(tái)(福州)藍(lán)色經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園道路工程位于福清市江鏡鎮(zhèn)，主要由藍(lán)色大道、江華大道和濱海大道組成。江華大道長(zhǎng)度為4700m，為城市主干道，道路寬度為46m，按雙向6車(chē)道設(shè)計(jì)。江華大道污水管道位于5m寬中央分隔綠化帶內(nèi)，管道全長(zhǎng)4645m，采用沉井、頂管施工工藝，最長(zhǎng)頂管區(qū)間190m，共計(jì)16座工作井和15座接收井，管材采用鋼筋混凝土Ⅱ級(jí)管，管徑為1000mm和1200mm。頂管沿道路前進(jìn)方向自1#沉井往31#沉井順序作業(yè)，管道設(shè)計(jì)管內(nèi)底標(biāo)高－3.22m～－6.07m，埋深為7.5m～9.7m。

2 工程地質(zhì)水文情況

本道路場(chǎng)地地貌單元為沖海積、沖洪積平原，場(chǎng)地現(xiàn)狀主要為養(yǎng)殖塘，沿線(xiàn)穿越多條溝渠，池塘間為田埂、村莊通行的土路。根據(jù)道路地質(zhì)剖面圖揭示地質(zhì)情況，污水管道穿越地層主要由素填土、淤泥質(zhì)土、坡殘積粘性土及風(fēng)化基巖組成，同時(shí)夾雜砂礫層、砂土層，其中在11#～14#沉井間污水頂管段(總長(zhǎng)435m)穿越地層為砂土層，剩余地段穿越地層基本為淤泥質(zhì)土及風(fēng)化基巖。

本項(xiàng)目位于江鏡鎮(zhèn)華僑農(nóng)場(chǎng)內(nèi)，養(yǎng)殖塘廣泛分布，場(chǎng)區(qū)內(nèi)河道、溝渠密布，且通過(guò)水閘與外部海水相通，水系聯(lián)通較發(fā)達(dá)。每年3～6月降雨頻繁，是全年降水最集中的季節(jié)，7～9月為臺(tái)風(fēng)季節(jié)。道路沿線(xiàn)地下水類(lèi)型主要有素填土中的上層滯水、中粗砂層的孔隙水及基巖裂隙水。在砂土層中的孔隙水透水性較強(qiáng)，有一定的水量。根據(jù)地勘數(shù)據(jù)，穩(wěn)定水位埋深在0.3m～2.5m。據(jù)調(diào)查，雨季其地下水水位埋深在地表下約0.3m，年變化幅度一般在2.0m左右，歷史地下水最高水位約4.5m。周邊河道及溝渠水位標(biāo)高長(zhǎng)期在3.0m以上，地下水位遠(yuǎn)高于管道標(biāo)高，且受河水水位影響較大。

3 工程特點(diǎn)及難點(diǎn)

(1)由于產(chǎn)業(yè)園區(qū)總體污水管網(wǎng)規(guī)劃方案多次調(diào)整，在頂管開(kāi)始施工前，路基已全部成型，且大部分水穩(wěn)層路面已鋪設(shè)，頂管機(jī)在穿越435m長(zhǎng)富水砂土地層段時(shí)，若技術(shù)措施不當(dāng)，很容易出現(xiàn)管道軸線(xiàn)偏移、頂進(jìn)受阻等問(wèn)題，這將會(huì)直接影響到路面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和管道順利貫通。

(2)工程施工區(qū)域內(nèi)的河道、溝渠密布，地下水比較豐富，水位較高，在頂管施工中很容易出現(xiàn)流砂現(xiàn)象，從而造成地表沉陷。

(3)富水砂土地層由于其具有的地質(zhì)特性，管道在頂進(jìn)過(guò)程中由于受到阻力較大，容易出現(xiàn)頂管困難的情況，需要對(duì)頂管機(jī)的類(lèi)型進(jìn)行科學(xué)的選擇，并采取特殊的技術(shù)措施進(jìn)行處理。

4 主要施工技術(shù)

4．1 頂管機(jī)具的合理選型

在富水的砂土地層，頂管機(jī)如果采用敞口式頂管機(jī)具，那么就必須采用相應(yīng)的降水措施給予輔助，而工程施工區(qū)域內(nèi)的管線(xiàn)較多和路面結(jié)構(gòu)層均已施工，降水措施將會(huì)引起路面沉降問(wèn)題，直接威脅到路面結(jié)構(gòu)及管線(xiàn)的安全及穩(wěn)定，再加上砂土層是連續(xù)分布的，降水效率無(wú)法得到有效的保證。所以本工程富水砂土施工段應(yīng)采用封閉式頂管機(jī)具，為了避免對(duì)砂土造成過(guò)大的擾動(dòng)，應(yīng)選擇平衡式的頂管機(jī)具，目前主要有兩種類(lèi)型的頂管機(jī)具，即為土壓平衡和泥水平衡，根據(jù)工程地質(zhì)及經(jīng)濟(jì)性，本工程選用泥水平衡式頂管機(jī)具。頂管全套設(shè)備主要由頂管掘進(jìn)機(jī)、主頂系統(tǒng)、泥土輸送系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、測(cè)量設(shè)備、地面起吊設(shè)備和泥水處理裝置等七大部分組成。

4．2 頂管出洞技術(shù)措施

出洞在頂管施工中屬于關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。在出洞頂進(jìn)初期，由于混凝土管節(jié)及機(jī)頭的周?chē)ψ枇由掀渑c導(dǎo)軌之間摩阻力的數(shù)值遠(yuǎn)小于頂管機(jī)的主動(dòng)土壓力，很容易導(dǎo)致混凝土管節(jié)出現(xiàn)后移的情況，致使頂管機(jī)正面的土體產(chǎn)生坍塌現(xiàn)象，對(duì)頂管機(jī)的施工質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。所以，一般把手拉葫蘆布置在洞門(mén)兩側(cè)，當(dāng)主頂油缸往回收縮時(shí)，用葫蘆把最后一個(gè)管節(jié)牢牢固定住，并在出洞前設(shè)計(jì)一個(gè)向下的糾偏量，來(lái)補(bǔ)償頂管機(jī)出洞時(shí)機(jī)頭爬高的情況。

在頂管機(jī)出洞前，頂進(jìn)距離接收井預(yù)留洞口10m左右時(shí)，在接收井內(nèi)按頂時(shí)軸線(xiàn)安裝接收機(jī)架，使頂管機(jī)平衡地進(jìn)入接收井，防止出洞后頂管機(jī)直接落地接收井底板上，造成洞口處管節(jié)接口不緊密等質(zhì)量問(wèn)題。經(jīng)上述措施實(shí)施，現(xiàn)場(chǎng)出洞的效果良好，每個(gè)井段出洞的標(biāo)高偏差均控制在－30mm～+45mm。

4．3 頂進(jìn)過(guò)程中的減摩措施

泥水平衡式頂管的頂進(jìn)阻力主要由頂管機(jī)的迎面阻力、頂管機(jī)和管道外壁與土體的摩擦阻力兩部分組成，其中摩擦阻力是頂進(jìn)中的主要阻力，其隨著頂進(jìn)進(jìn)程的增加而增加，而減摩的最直接有效方法就是加入膨潤(rùn)土泥漿，讓管道外壁和砂土層之間形成一圈環(huán)狀潤(rùn)滑帶，從而達(dá)到降低頂進(jìn)阻力的目的。通過(guò)對(duì)膨潤(rùn)土泥漿的拌制制定相應(yīng)的施工方案，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)后確定了合理的泥漿配合比(膨潤(rùn)土與水的質(zhì)量比為1∶5)。在施工過(guò)程中注意控制泥漿的粘度和稠度，泥漿拌制應(yīng)均勻，拌制好的泥漿集中排放到泥漿池中放置10小時(shí)以上，泥漿相關(guān)成分置換完全，從而形成粘度和穩(wěn)定性較好的泥漿。同時(shí)，在管節(jié)頂進(jìn)過(guò)程中不時(shí)地?cái)嚢栀A漿池內(nèi)泥漿，以防止泥漿離析。

本工程采用鋼筋砼鋼承口管的頂管管節(jié)，將橡膠止水圈和襯墊材料放置在管節(jié)的內(nèi)側(cè)插口端與承口端之間部位，而外側(cè)的插口端與承口端將形成環(huán)形間隙，把壓漿孔入口設(shè)置在靠近承口端的內(nèi)壁上，而壓漿孔出口設(shè)置在橡膠止水圈的外側(cè)環(huán)形間隙。在頂進(jìn)施工中，采用多點(diǎn)對(duì)稱(chēng)壓漿法，通過(guò)壓漿設(shè)備將減摩泥漿注入壓漿孔，使得管節(jié)的插口端與承口端之間的環(huán)形間隙注滿(mǎn)泥漿，并擴(kuò)散到管節(jié)周邊的土體中，從而在外壁形成完整的泥漿護(hù)套。同時(shí)配合頂管機(jī)尾部的同步注漿，泥漿可快速均勻填充，達(dá)到減小管節(jié)外壁與土體之間的摩擦阻力的目的。

4．4 軸線(xiàn)測(cè)量和糾偏措施

在富水的砂土層進(jìn)行頂管施工，其頂進(jìn)軸線(xiàn)很容易出現(xiàn)偏差現(xiàn)象，由于砂層中泥水的不斷洗刷很容易造成頂管機(jī)機(jī)頭下沉，如果處理不當(dāng)?shù)脑?huà)，很可能會(huì)造成頂力突然變大、管接口出現(xiàn)破損，甚至?xí)霈F(xiàn)無(wú)法頂進(jìn)的情況，所以在頂進(jìn)過(guò)程中多次及時(shí)采用了調(diào)整千斤頂伸縮量的糾偏措施。正常情況下，每頂進(jìn)一節(jié)混凝土污水管測(cè)量一次，在出洞及糾偏時(shí)加密測(cè)量次數(shù)，使得軸線(xiàn)的偏差值慢慢減小直至與設(shè)計(jì)軸線(xiàn)相符，堅(jiān)持“勤測(cè)量、多微調(diào)”的原則，每次的糾偏角度偏差值應(yīng)控制在0.5度以?xún)?nèi)，減少對(duì)管節(jié)頂進(jìn)施工的質(zhì)量影響。

4．5 洞口注漿加固

為了防止泥水從洞口處泄漏導(dǎo)致路面、路基沉降和水土流失，每段頂管結(jié)束后在頂管進(jìn)出洞管外四周3.2*3.2*3m范圍內(nèi)(其中3m為管道縱向方向)進(jìn)行雙液注漿加固土體，漿液配合比為水泥：水玻璃(質(zhì)量)=1∶1。采用插打鋼花管注漿，按0.5*0.5m間距梅花型布置，深度至管底以下0.5m位置，注漿壓力控制在0.2－0.3Mpa，確保注漿加固質(zhì)量。

4．6 實(shí)際效果分析檢驗(yàn)

根據(jù)富水砂土地層地質(zhì)特點(diǎn)，通過(guò)及時(shí)優(yōu)化調(diào)整泥水平衡式頂管的施工工藝，加強(qiáng)安全出洞、洞口加固技術(shù)措施過(guò)程控制，采用膨潤(rùn)土泥漿減摩及調(diào)整千斤頂伸縮量糾偏，減少了頂進(jìn)阻力和軸線(xiàn)偏差，滿(mǎn)足該地層順利頂進(jìn)的需要，日平均頂進(jìn)長(zhǎng)度達(dá)24m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映，路面沉降值控制在8mm以?xún)?nèi)，采取以上技術(shù)措施達(dá)到了預(yù)期的效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

本工程的頂管實(shí)踐表明，在富水砂土地段采用泥水平衡式頂管機(jī)具進(jìn)行施工，是完全可行的。在施工過(guò)程采取的頂進(jìn)膨脹土泥漿減摩、軸線(xiàn)測(cè)量和糾偏和洞口注漿加固等措施可行有效，在頂進(jìn)過(guò)程中地表無(wú)出險(xiǎn)現(xiàn)坍塌或者沉降過(guò)大等現(xiàn)象，為我單位采用泥水平衡式頂管機(jī)穿越富水砂土地層的頂管施工積累了一定的施工經(jīng)驗(yàn)。

［1］馬烽，張慶學(xué)，李雷．泥水平衡機(jī)械頂管施工技術(shù)在市政截污工程中的應(yīng)用［J］．城市建設(shè)，2010(32)．

［2］申永亮．輸氣管道工程流沙頂管施工工藝研究［J］．內(nèi)蒙古石油化工，2011(17)．