大口徑頂管在某污水廠尾水排放管穿越江堤段的應(yīng)用

鄧 震，萬玉生

(1. 杭州市水處理設(shè)施建設(shè)發(fā)展中心 浙江杭州310000；2. 中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 天津300381)

大口徑頂管在某污水廠尾水排放管穿越江堤段的應(yīng)用

鄧 震1，萬玉生2

(1. 杭州市水處理設(shè)施建設(shè)發(fā)展中心 浙江杭州310000；2. 中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 天津300381)

以某污水廠尾水排放管穿越錢塘江大堤段施工實(shí)例，對大口徑管道頂管的機(jī)械選型、頂力計(jì)算、中繼間設(shè)置、鋼管頂力計(jì)算等內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算分析，探討了施工階段的關(guān)鍵技術(shù)措施，包括頂管機(jī)安裝及出洞措施、出洞口止水措施、防止扭轉(zhuǎn)措施、頂管初始頂進(jìn)措施、穿越管線及錢塘江大堤沉降控制措施、頂升管止退措施、施工監(jiān)測措施等。工程實(shí)施過程中進(jìn)行了持續(xù)觀測，頂管前、中、后沉降變形數(shù)據(jù)均控制在規(guī)范允許標(biāo)準(zhǔn)值內(nèi)，表明各項(xiàng)計(jì)算分析準(zhǔn)確，關(guān)鍵措施采用得當(dāng)，可以為類似工程施工提供參考。

頂管 尾水排放 頂力計(jì)算 沉降控制

頂管技術(shù)是一項(xiàng)用于市政施工的非開挖掘進(jìn)式管道鋪設(shè)施工技術(shù)。優(yōu)點(diǎn)在于不影響周圍環(huán)境或者影響較小，施工場地小，噪音小，且能深入地下作業(yè)。頂管施工徹底解決了管道埋設(shè)施工中對城市建筑物的破壞和道路交通堵塞等難題，在穩(wěn)定土層和環(huán)境保護(hù)方面具有明顯優(yōu)勢。集中式的城市污水處理廠尾水排放管由于管徑大，且需穿越堤岸等對沉降要求高的結(jié)構(gòu)體排入江海等河體，對頂管施工的技術(shù)要求高。本文以某污水處理廠尾水排放管道穿越錢塘江大堤的過程實(shí)例，探討頂管機(jī)械選型、頂力計(jì)算及大直徑頂管施工關(guān)鍵技術(shù)措施。

1 工程概況

杭州市某污水處理廠尾水排放口工程，位于錢塘江北岸，一期尾水排放規(guī)模為20萬t/d，排江管道主要內(nèi)容包括排江主管和應(yīng)急排放管。

排江管道從工作井出發(fā)，穿越某污水廠進(jìn)廠主干管、沿江大道及錢塘江海塘至排放區(qū)，排放口區(qū)域位于錢江大堤外200,m處。管道平面布置及走向如圖1所示，管道長度分別為：主排放管312,m，應(yīng)急排放管262,m，工作井處管道設(shè)計(jì)管中高程為－14,m，主排放管終點(diǎn)管中高程為－17.2,m，應(yīng)急排放管終點(diǎn)管中高程為－16.6，坡度向下1%,。頂管管材采用DN1800壁厚22螺旋鋼管，材質(zhì)Q235，兩根鋼管中心間距為5.25,m。工作井截面內(nèi)凈尺寸為10,m×10,m，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)刃腳標(biāo)高為－19.5,m，沉井總高度26.2,m。進(jìn)廠主干管管線根據(jù)管線設(shè)計(jì)單位要求變形值為2,cm，報(bào)警值為1.5,cm。根據(jù)管理部門要求，大堤隆起值為不超過1,cm，沉降值為不超過2,cm，變形值的70%,設(shè)為報(bào)警值。

圖1 管道平面布置及走向圖Fig.1 Pipeline direction and layout plan

本工程具有代表性的地質(zhì)剖面圖如圖2所示，管道底標(biāo)高主要為－15.0～－17.5,m，基底座落于②粉砂夾粉土層及③－1 淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉土層。

圖2 工程地質(zhì)剖面圖Fig.2 Engineering geological profile

2 頂管機(jī)械選型及頂力計(jì)算

2.1 頂管機(jī)械選型

排江管道主要在淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉土層頂進(jìn)，根據(jù)《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》CECS246：2008中關(guān)于各土層中頂管機(jī)選型參考表，決定采用泥水平衡式，泥水平衡頂管工具管機(jī)型的性能比較如下：

泥水平衡工具管是在機(jī)械切削式工具頭刀盤后安裝隔板，形成泥水壓力室，以謀求開挖面的穩(wěn)定。同時(shí)將由切削下來的原狀土以泥漿形式輸送至地面泥漿池，經(jīng)過沉淀后泥漿重新輸送到頂管機(jī)頭部，渣土集中外運(yùn)。管道施工采用DN1800泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)，因先行施工的陸域管道穿越地質(zhì)為粉砂土，遇水易形成流砂，因此刀盤采用開口率較小的平板刀盤，可有效防止流砂涌入，有利于控制地面沉降。排江管道穿越地質(zhì)為淤泥質(zhì)粘土夾粉砂，在排江管道頂進(jìn)前需要對頂管機(jī)刀盤進(jìn)行改裝以增加開口率，同時(shí)安裝合金鋼刀具，用于清除可能遇到的孤石等障礙。

本工程使用的泥水平衡式頂管掘進(jìn)機(jī)性能參數(shù)如下：①頂進(jìn)速度，0～200,mm/min；②切削刀盤，轉(zhuǎn)速為2.0,rpm，轉(zhuǎn)矩為300,kN·m，電機(jī)功率為30× 2,kW；③糾偏系統(tǒng)，糾偏油缸推力為1,000,kN·m，糾偏油缸拉力為600,kN·m，糾偏油缸數(shù)量為4個(gè)，糾偏角度為3.27,°，油壓為31.5,MPa，電機(jī)功率為2.2,kW。

2.2 頂力計(jì)算

根據(jù)《給排水頂管技術(shù)規(guī)程》CECS246：2008中12.4.1式，頂管頂力計(jì)算公式為：

式中，F(xiàn)0為總頂力，D1為管道外徑，L為管道長度，fk為穿越土層摩阻力，排江管道取10,kN/m，NF為工具管迎面阻力。

式中：Dg為工具管外徑，本工程為1.85,m；γs為土體重度，取18,kn/m；Hs為覆土厚度，取20,m。

排江管道頂力計(jì)算：

迎面阻力：

排江主管：

應(yīng)急排放管：

頂力均超過沉井后靠允許頂力9,000,kN，管材允許頂力為8,195,kN，即管道最大頂力控制值為8,195,kN，需設(shè)置中繼環(huán)。

2.3 中繼間布置

采用的中繼環(huán)可安裝15個(gè)800,kN千斤頂，合計(jì)頂力為12,000,kN，中繼環(huán)設(shè)計(jì)允許轉(zhuǎn)角為1,°，中繼環(huán)止水橡膠可通過徑向調(diào)節(jié)螺絲自由調(diào)節(jié)，在圓周方向可以根據(jù)需要進(jìn)行局部或整體調(diào)節(jié)，具有良好的止水性能。

2.3.1 中繼環(huán)頂力計(jì)算第一環(huán)頂進(jìn)距離頂管機(jī)正面阻力NF，排江管道：

式中：Dg——頂管掘進(jìn)機(jī)外徑1.85,m；sγ——土體重度，取18,kN /m3；Hs——覆土厚度，取20,m。

第一環(huán)頂進(jìn)距離L′，排江管道：

式中：T——中繼環(huán)設(shè)計(jì)頂力12,000,kN，需用頂力取8,000,kN；F——掘進(jìn)機(jī)正面阻力；D——管外徑1.85,m；f——管壁摩阻力，排江管道取10,kN/m2，陸域管道取20,kN/m2。

2.3.2 中繼環(huán)設(shè)置間距排江管道：

式中：L——每環(huán)間距；T——中繼環(huán)設(shè)計(jì)頂力8,000,kN；K——頂力系數(shù)；D——管節(jié)外徑1.85,m。

經(jīng)過計(jì)算，排江管道中繼間可推進(jìn)138,m，根據(jù)設(shè)計(jì)總說明，每100,m布置一道中繼間，所以中繼間間距按100進(jìn)行設(shè)置。

后座頂進(jìn)距離為：

中繼間布置如下：

主排放管道第1道中繼間布置在工具管倉板后48,m，第2道中繼間在第1道中繼間后97,m，第3道中繼間在第2道中繼間后97,m，后座頂進(jìn)70,m，排江管道共有3道中繼間。

應(yīng)急排放管第1道中繼間布置在工具管倉板后60,m，第2道中繼間在第1道中繼間后97,m，后座頂進(jìn)105,m，主排放管道共有2道中繼間。

2.4 鋼管允許頂力計(jì)算

采用鋼管為DN1800壁厚22鋼管，根據(jù)《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》CECS246：2008中8.1.3式，鋼管允許頂力公式為：

式中：Fds為鋼管允許頂力值，單位N；1?為鋼材受壓強(qiáng)度折減系數(shù)，取1.0；3?為鋼材脆性系數(shù)，取1.0；

4?為鋼材穩(wěn)定系數(shù)，取0.36；fs鋼材受壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm；As鋼材頂力受力面積，mm；γQd頂管分項(xiàng)系數(shù)，取1.3。

3 施工關(guān)鍵技術(shù)措施

3.1 頂管機(jī)安裝及出洞措施

頂管設(shè)備及材料準(zhǔn)備完畢，將頂管機(jī)吊裝到軌道上進(jìn)行位置、標(biāo)高、垂直度調(diào)整并安裝進(jìn)水、排泥、電纜，安裝完畢后開展頂進(jìn)系統(tǒng)試運(yùn)行，試運(yùn)行正常后頂進(jìn)至穿墻洞口悶板處，頂管機(jī)刀盤距悶板保持0.3,m左右以確保悶板順利起吊。頂進(jìn)準(zhǔn)備一切就緒后開啟悶板機(jī)頭出洞，悶板吊起后機(jī)頭第一時(shí)間推進(jìn)至穿墻洞口內(nèi)，由于穿墻洞口處土體用高壓旋噴樁進(jìn)行加固，無法正常施工，需要降低頂進(jìn)速度，利用刀盤切削加固土體緩慢穿越加固區(qū)，加固區(qū)長度為12,m，穿越加固區(qū)后開始正常施工。

3.2 出洞口止水措施

排江管道止水裝置為復(fù)合橡膠止水，根據(jù)水頭壓力可以選擇1～3層，排江管道采用1層止水橡膠圈，而且止水橡膠預(yù)先裝入穿墻管裝置系統(tǒng)，既能平面止水(悶板與法蘭間)，又能軸向止水(管段與穿墻管間)，如圖3所示。當(dāng)工具管穿墻時(shí)，悶板開啟，工具管進(jìn)入穿墻管即能達(dá)到止水目的。為防止機(jī)頭出洞時(shí)井外水土涌入，按照設(shè)計(jì)圖紙對穿墻洞口外側(cè)進(jìn)行地基加固。

圖3 管道止水裝置圖Fig.3 Pipeline sealing device

3.3 防止扭轉(zhuǎn)措施

本工程頂管管道施工前需要安裝頂升管穿墻洞口，頂管施工時(shí)需要頂升管管道穿墻洞口保持垂直向上，需要在頂管時(shí)注意管道偏轉(zhuǎn)情況，如果管道發(fā)生旋轉(zhuǎn)，采用的泥水平衡頂管機(jī)可將刀盤反轉(zhuǎn)，將管道逐步回正。頂管初始階段容易發(fā)生管道旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，隨著頂進(jìn)長度的增加，管道與周邊土體摩擦面積增加，管道趨于穩(wěn)定，所以在頂管初始階段頂進(jìn)施工時(shí)，注意在管道焊接頂升管穿墻洞口保持垂直向上。

3.4 頂管初始頂進(jìn)措施

工作井穿墻洞口悶板開啟，頂管機(jī)推進(jìn)后切削洞口加固土體，加固區(qū)長度為12,m，穿過加固區(qū)后將土壓力值設(shè)定為0.4,MPa(頂管機(jī)迎面阻力為968,kN)，在通過加固區(qū)后對比第三方沉降觀測數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)變化修改參數(shù)，初始頂進(jìn)階段機(jī)頭有向下趨勢可直接用下排油缸頂進(jìn)方法來糾偏，隨著頂進(jìn)距離的增加，管道趨于穩(wěn)定，因此初始頂進(jìn)階段嚴(yán)格控制管道軸線。

3.5 穿越管線及錢塘江大堤沉降控制措施

為避免頂管施工帶來的土體擾動(dòng)問題，主要采取了以下幾項(xiàng)施工措施：①適當(dāng)提高土壓力，使頂管通過后地面稍微隆起，后期沉降至原始標(biāo)高，土壓力控制值可通過前20,m頂管施工地面沉降觀測后取得。②避免大角度糾偏，穿越道路、管線前調(diào)整機(jī)頭姿勢，穿越區(qū)內(nèi)禁止有大的糾偏，造成超出土。③頂管結(jié)束后進(jìn)行泥漿置換，特別對上述區(qū)域嚴(yán)格控制注漿壓力、注漿量。④頂管施工前在頂管軸線上方每隔一定距離布置注漿孔，注漿孔深度為地面至管道上方0.3,m左右，通過沉降觀測頂管通過區(qū)域沉降情況，超過限值即可向沉降區(qū)域注漿。

深層注漿采用壓力注漿工藝，注漿材料為水泥漿，注漿壓力暫定為0.3,MPa，因施工區(qū)域靠近錢塘江邊，考慮到注漿效果，在漿液中摻入一定量的水玻璃(見圖4)。

圖4 注漿管布置示意圖Fig.4 Schematic diagram of grouting pipe arrangement

3.6 頂升管止退措施

在頂升管施工過程中，初始頂進(jìn)隨著頂進(jìn)距離增加，悶頭上部土體產(chǎn)生壓縮并形成一定反彈力，此時(shí)在頂升操作臺(tái)進(jìn)行油缸縮回等操作時(shí)產(chǎn)生管節(jié)回退現(xiàn)象，造成安全隱患。為確保施工安全，在單節(jié)管節(jié)頂升完畢后，油缸縮回前用加固筋板將管節(jié)與頂升加固裝置連接，在完成管節(jié)拼裝及焊接后拆除連接裝置。以公司以往施工經(jīng)驗(yàn)，頂升管施工至1/3高度時(shí)頂力為最大值，一旦頂升管頂部河床土體擾動(dòng)后頂力會(huì)逐步降低。

3.7 施工監(jiān)測措施

頂管施工前委托第三方監(jiān)測單位對頂管軸線管線及構(gòu)筑物進(jìn)行沉降觀測點(diǎn)監(jiān)測，頂管施工期間以專業(yè)監(jiān)測成果作為施工參數(shù)調(diào)整依據(jù)，力求使穿越施工影響最小。為確保數(shù)據(jù)及時(shí)性，測量頻率為4次/d，每次測量數(shù)據(jù)均在測量完成后1,h內(nèi)上報(bào)。

觀測用一期采用DS1級別水準(zhǔn)儀，警戒值為地面沉降5,cm，管線處沉降2,cm，報(bào)警值為警戒值的70%。

4 結(jié) 語

本工程實(shí)施過程中，第三方監(jiān)測單位開展了持續(xù)觀測工作。檢測結(jié)果顯示，頂管前、中、后沉降變形數(shù)據(jù)均控制在規(guī)范允許標(biāo)準(zhǔn)值內(nèi)，表明各項(xiàng)計(jì)算分析準(zhǔn)確，關(guān)鍵措施采用得當(dāng)，技術(shù)手段合理可行。文中大口徑管道頂管施工方案的選擇及頂力計(jì)算、頂管施工過程中的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，可以為類似工程施工提供參考。

［1］ CECS246：2008. 給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程[S]. 北京：中國計(jì)劃出版社，2008.

［2］ JGJ 120—2012. 建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

［3］ JGJ 79—2012. 建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

The Aplication of a Large Diameter Pipe Jacking in Sewage Plant Tail Water Pipes Through the River Bank

DENG Zhen1，WAN Yusheng2
(1.Center of Hangzhou Water Treatment Facilities Construction and Development，Hangzhou 310000，Zhejiang Province，China；2.North China Municipal Engineering Design & Research Institute Co.，Ltd.，Tianjin 300381，China)

This paper takes an example of a construction case of sewage plant tail tube drainage which crosses Qiantang river dike and carries out a detailed calculation and analysis of pipe-jacking of a large diameter pipeline from the aspects of the selection of pipe jacking machine，calculation of jacking force，relay setting，calculation of the force of steel pipe.It probes into the construction phase of key technical measures，including pipe installation and unkennel measures，kennel sealing up measures，reverse prevention measures，initial jacking measures，line crossing and Qiantang river dike subsidence control measures，jack-up tube backstop measures，construction monitoring measures and etc.Continuous observations were made in the process of project implementation and it was found that data of the pipe jacking before，during and after settlement deformation were controlled within allowed specifications.It shows that the calculation and analysis are correct and key measures are properly used，which can provide reference for similar engineering construction projects.

pipe jacking；tail water discharge；jacking force calculation；subsidence control

TU35

：A

：1006-8945(2016)09-0063-04

2016-09-02