談復雜施工環境下頂管工程施工技術

董 冠 群

(中鐵二十五局集團第一工程有限公司，廣東 廣州 510010)

1 工程簡介

珠海西部中心城區(B片區)污水匯集主管頂管工程呈東—西走向，西起西湖北路，東至WA30污水檢查井，最終匯入西湖1號污水泵站。本工程污水主干管為管徑D1 000的鋼筋混凝土管，管位布置在道路中心線南側21.5 m處，范圍為金湖大道樁號K0+069～K1+217處，設計坡度為0.8‰，頂管施工長度約1 148 m，管底埋設深度約在6.3 m～7.4 m之間，采用頂進施工，其中最大頂程155 m，最小頂程75 m。工作井采用圓形工作井5座(D=6.5 m)，分別為WA1,WA8,WA16,WA23,WA29；接收井采用圓形井5座(D=5 m)，分別為WA4，WA12，WA19，WA27，WA30；其余井為中間井，采用圓形井22座(D=2 m)，均采用C25鋼筋混凝土結構，分兩節制作及下沉，均深在9 m，最深為9.958 m(WA29)。

2 問題的提出

在從4號工作井向8號工作井頂進過程中，頂進至第44節管時遇到障礙物，里程為K0+307(包含頂管鉆頭)，當時頂力在兩臺320 t千斤頂同時頂進時達到9 MPa，刀盤電流達到40 A，刀盤被卡死，無法啟動機器。按現在這種土層的土質，沒有障礙物的情況下，正常勻速頂進過程中，刀盤電流一般在10 A左右，電流不會波動。而本次在頂進至里程K0+306.5時電流慢慢升到25 A，電流波動較大，之后又慢慢頂進幾厘米,停了下來，但電流一直降不下來，后又繼續向前頂進了約50 cm，到里程約K0+307時，電流突然漲到40 A，刀盤被卡死，無法再啟動機器。

3 出現問題的原因

1)根據設計資料，場地地層按自上而下的順序可分3個工程地質層，共4小層。現按由上至下的順序分述如下：①填筑土、②淤泥、③1粗砂、③2亞粘土。其中頂進范圍均位于淤泥層，現頂進設備無法啟動，鉆頭被卡死，說明實際地質情況與設計不符，鉆頭前方有塊石，影響設備正常頂進。

2)頂進過程中，操作手急功近利，特別是剛剛接觸障礙物的時候，千斤頂頂力過大，刀盤轉速太快造成卡死。

3)因管位范圍地下水位高于管線，管井施工過程中地下水滲入涵管內導致管內外壓力失衡，頂管偏離設計位置。

4 處理方案及結果

4.1 方案選擇

遇到這種情況，必須取出障礙物，方能斷續向前頂進，而且處理時間不宜過久，因為時間越長，土體對混凝土管握緊力越大，使頂力不斷增大，容易造成混凝土管承受不住壓力而破壞。

為取出鉆頭前方障礙物，擬采取打豎井(天窗)取出障礙物的處理方法，由于目前遇到障礙物處位于8號井附近，管道埋設深度為6.5 m，開挖深度較深，又因管道上方有高壓線，為確保安全，考慮降低既有地面標高后采用4 m×4 m的9 m拉森Ⅳ型鋼板樁支護，并沿四個直角設置[12.6槽鋼角撐，共設置兩層。基坑10 m范圍內的挖土應及時運離現場，并禁止作為堆放材料及器械的場地，施工中應注意進行位移、沉降、隆起觀測，若發現異常情況，及時采取有效施工措施處理，確保施工安全，見圖1，圖2。

由于施工現場上空受高壓線限制，為預留安全距離，宜打設9 m長鋼板樁。設原地面標高為h0,開挖后地面標高為h1,設計管底標高為h2，為滿足受力要求，保證h1-h2=4.5 m。本天窗h0=2.95 m,h2=3.6 m,故開挖深度Δh=h0-h2-4.5=2.05 m。

4.2 方案驗算

4.2.1鋼板樁受力模型分析

鋼板樁主要受力情況：挖機在基坑邊作業的施工荷載、圍堰內外土層對鋼板樁壓力差、圍檁對鋼板樁的支撐力的作用。開挖時土方即挖即運，不計堆土的荷載。

回填土：內摩擦角φ=20°，粘結力c=0 kPa，天然容重γ=20 kN/m3。

支護擬采用拉森Ⅳ型鋼板樁，抗彎強度值：[f]=215 MPa，W=2 037 cm3。施工荷載取30 kN/m2，距離基坑邊1 m范圍外。

則主、被動土壓力系數Ka,Kp為[1,2]：

鋼板樁受力分布如圖3所示。

4.2.2驗算鋼板樁的入土深度

為使鋼板樁保持穩定，在B點的力矩必須滿足EaHa+E土H土-EpHp≤0，先按經驗假設鋼板樁入土深度為4.5 m，可知：

E土=P荷×(4.5-1.43)=45.1 kN；

代入數據可得下式：

EaHa=E土H土-EpHp=

396.9×4+45.1×1.25-413.1×5.5=-628.1≤0。

故鋼板樁的入土深度能滿足要求。

4.2.3計算圍檁支撐的反力RB

根據上式EaHa+E土H土-EpHp=0，現對A點求力矩。則有:

EaHa-E土H土-EpHp=RBHB;

E土=P荷×(4.5-1.43)=45.1 kN;

可計算得RB=32.27 kN。

4.2.4鋼板樁抗彎穩定性驗算

可知拉森Ⅳ型鋼板樁能滿足要求。

4.2.5內支撐強度檢算

圍檀采用HW300×300×10×15，斜支撐采用[12.6槽鋼，經分析知，圍檀最大彎矩在跨中Mmax=32.27×22-32.27×1=96.81 kN·m，圍檀的抗彎模量W=902 cm3。

由此可知圍檁支撐能滿足要求。

4.3 方案實施

4.3.1施工準備

鋼板樁進場前需要檢查整理，發現缺陷隨時調整，整理后在運輸和堆放時盡量不使其彎曲變形，尤其不能將連鎖口碰壞。樁打入前將樁尖處的凹槽底口封閉，避免泥土擠入，鎖口宜涂以黃油或其他油脂，對鎖口變形、銹蝕嚴重的鋼板樁，整修矯正。轉角處采用90°的轉角樁。

4.3.2施工放樣

先由技術人員計算鉆頭的位置，以鉆頭為中心，外擴2 m定出基坑的四個角點，然后撒石灰線或者掛繩線作為導線，打樁時利用導線控制鋼板樁的軸線。

4.3.3插打鋼板樁

插打鋼板樁之前需破除混凝土路面，用挖掘機挖至標高h1后再進行鋼板樁施工。鋼板樁采用液壓振動錘插打，插打鋼板樁時須有專人指揮，并人工扶正就位；插打順序從鉆頭一側向另一側合龍，每邊由一角插至另一角；插打時先將全部鋼板樁逐根插打穩定，然后依次打至設計高程，注意樁頂高程不宜相差太大，且鋼板樁須比地面至少高出30 cm，以防物體墜落基坑。

4.3.4基坑開挖及支撐焊接

鋼板樁插打到位后，然后開始基坑開挖，開挖過程中應分層開挖，避免破壞頂進設備及混凝土涵管。首先挖至1 m深后，再進行第一層圍檁焊接及角撐施工。確保安全穩固后繼續開挖至3 m，然后施工第二層圍檁及角撐。然后繼續開挖，直至找到阻礙設備前進的障礙物。開挖過程中，對于挖機挖不到位的地方，可先用人工清理。開挖好以后，基坑四周須做好排水溝和集水井，及時抽排基坑內的地下水。

4.3.5取障礙物

開挖至鉆頭處發現障礙物后，先用鐵錘將其擊碎，然后分塊取出來，直至清理干凈，確保鉆頭前方無堅硬石塊。

4.3.6基坑回填及拔鋼板樁

在鉆頭前方石塊清理干凈后需及時回填基坑，回填料為粘土，切不可含有堅硬石頭。由于基坑開挖較深，需基坑全部回填壓實以后方可拔除。在拔除前，先將基坑回填至圍檁底部，然后將圍檁支撐拆除并回填至地面標高，最后拔除鋼板樁。

4.3.7涵管頂進

鋼板樁拔除并按要求分層壓實后即可進行涵管頂進。開始頂進時，頂力不宜過大，必須緩慢提高鉆頭刀盤轉速直至電流穩定。設備正常啟動后，施頂過程中，為減小地面沉降和管外壁與土層的摩擦力，在施頂過程中應向管外壁注送膨脹潤土泥漿，每隔兩節管安裝一組注漿管系。

5 結語

珠海西部中心城區(B片區)污水匯集主管頂管工程地質復雜，地下水位高，與設計資料不符。施工過程中，項目部全體人員勇于探索，敢于嘗試，于2017年12月底全部頂通，如期完成了業主和金灣區的工期目標。在地下頂進作業中，由于勘探資料不詳細，或者勘探資料更新不及時等，頂進時經常會遇到實際地質與設計地質資料不符的情況。因此在施工前要組織較強的技術力量做好現場勘查與驗證，同時做好必要的預控方案，避免類似情況的發生，施工過程中出現問題，及時采取措施，避免窩工而增加成本。本工程的研究在地下暗挖、頂進方面積累了寶貴的經驗，也為以后其他類似工程提供了參考依據，具有廣泛的推廣應用價值。

參考文獻:

[1] 江正榮.建筑施工計算手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2007:73-74.

[2] 趙明華.土力學與地基基礎工程[M].武漢：武漢理工大學出版社，2003.

[3] 龍馭球.結構力學[M].北京：高等教育出版社，2001.