砂卵石地層人工頂管施工減阻工藝探究

摘? 要：頂管施工減阻工藝的應用關系著最終的施工質量以及項目能否正常使用。在砂卵石地層中，由于特殊的地層結構及管土作用形式，對于減阻工藝的確定、減阻材料的選擇都有不同的要求。本文通過分析常見減阻工藝的適應性，并結合工程實例研究了砂卵石地層中人工頂管施工減阻工藝。結果顯示綜合應用管身涂蠟減阻、材料填充工藝對于減小砂卵石地層中人工頂管頂進阻力具有顯著的效果，對類似工程的實施具有一定的指導意義，同時也為相關企業或單位后續在開展相似項目、進行頂管施工時提供了參考。

關鍵詞：砂卵石地層;頂管施工;減阻工藝

中圖分類號：U175? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：1671-2064（2020）03-0000-00

0 引言

現代頂管技術最早由美國于19 世紀初在修建北太平洋鐵路中使用[1]，我國的頂管施工最早于1953年在北京開展[2]，因具備工期偏短、造價較低、不影響地面交通等優勢，在如今在給排水、道路、仍舊有較為廣泛的應用。

近年來機械頂管技術得到了較大的發展，但在砂卵石地層中，由于卵石直徑較大且硬度較高，采用機械頂管技術，對刀盤的磨損較大，對開口率的要求較高，在考慮成本、工期的因素下，人工頂管仍然具有一定的優勢。通常在制定頂管方案時，應考慮管道承受壓力、頂進過程中管道與土體間的摩擦力、減阻措施、后背墻及千斤頂能夠提供的頂力等多種因素來確定頂進距離。合理的頂進距離是控制工程造價、縮短施工工期的重要因素，而適宜的減阻措施對于增加單段頂管頂進距離具有重要的意義。本文對“砂卵石地層人工頂管施工減阻工藝”展開探究，簡述砂卵石地層中管土作用機理，分析常用減阻工藝的實用性，通過工程實例中減阻工藝的應用驗證減阻工藝的效果，希望以此驗證減阻工藝在砂卵石地層頂管施工中的應用成效，總結適應性較強的減阻工藝組合。

1 砂卵石地層頂管阻力特性

1.1 管土相互作用

關于管土作用，目前有兩種常用的假設模型，第一種假設由Haslem[3]提出，認為土體在掘進及頂進過程中保持穩定，管道只在底部一定寬度的弧面上滑動，側壁及頂部與土體沒有接觸，摩擦阻力主要為管道自重作用于底部接觸面形成;第二種假設由O'Reilly 和Rogers[4]提出，認為頂進過程中管道周圍土體均勻接觸，管道自重及土壓力作用于接觸面形成了摩擦阻力，通常在黏性土中第一種假設與工程實際情況更貼近。而砂卵石地層主要由一定粒徑范圍的卵石、沙及少量其他成分構成，由于其致密程度、粒徑分布、黏粒含量等不同，其穩定性也有較大差異。但在人工頂管過程中掘進及頂進對地層造成的擾動，通常會使管道上方及側壁存在不同程度的失穩坍塌，造成了土層與管道外表面間的接觸。這種接觸傳遞的土壓力大小（圖1）與地層本身的特點有直接關系，較難準確計算或模擬。同時在砂卵石地層中，土層與管道外壁的接觸從局部分析也并非均勻接觸，而是體現為卵石與管道外壁的點面接觸和沙層與管道外壁均勻接觸的組合，同時考慮到坍塌過程中由于卵石之間的接觸往往會形成骨架架空結構，而卵石與卵石之間的砂，通常只是松散的充填于管道卵石之間（圖1），因此，土壓力的傳遞主要為卵石與管道壁的接觸。

1.2 阻力特性

頂管頂進過程中為頂入土體的管道與土體之間相對位移，千斤頂提供的軸向頂力主要用于平衡管道外壁與土體產生的摩擦阻力，在工程應用中，對于這種結構中的摩擦阻力，仍然可理解為決定于摩擦系數、接觸面積及土體壓力。在砂卵石地層中，這種摩擦阻力大體上可分為兩個部分，其一為卵石與管壁接觸產生的摩擦阻力，另一部分為砂與管道外壁形成的摩擦阻力，如圖2中所示，砂卵石地層中主要的土體壓力通過卵石與管道外壁間的接觸進行傳遞，同時管道與松散沙塵之間接觸，產生相對滑動時，沙層本身也可以相對滑動，基于此，在砂卵石地層中，可以認為管道頂進阻力的主要來源為管道外壁與卵石的點面接觸摩擦阻力，因此，在考慮制定減阻工藝時，應著重考慮這一因素，制定有針對性的減阻措施。

2 砂卵石地層頂管減阻工藝應用

2.1 工程概況

本文選取了位于成都平原的某給排水工程頂管施工作為工程實例，研究砂卵石地層中減阻工藝的效果。項目位于成都市新都區毗河流域，頂管施工范圍部分位于砂卵石地層中，根據地勘資料卵石層卵石（Q4al）：黃灰～淺灰色。卵石粒徑2～15cm（中、下部偶見含粒徑>20cm以上的漂石）多呈亞圓狀，以微風化為主，極個別處于中等-強風化狀態，其含量>50%。卵石成分以石英巖、閃長巖、花崗巖為主，含少許脈石英等。填充物以細、中砂為主，局部含少量粘粒、粉粒及礫石等。頂管施工井間距最大56m，最大埋深8.93m，最小覆土2m，采用合格的頂管專用鋼承口承插砼管，管徑d800，Ⅲ級管。頂管施工期間采用管徑將地下水位降低至管道底高程以下0.5m。為方便驗證減阻工藝效果，選取27-28、28-29兩個頂管段進行對比試驗，管段長度均為50m，其中27-28管段未采取減阻措施。

2.2 減阻工藝選擇

常見的頂管減阻工藝包括管身涂蠟、泥漿充填等[5]，在砂卵石地層人工頂管過程中，由于掌子面與管道之間不能形成有效的封閉，采用泥漿等流動性較大的減阻材料時，較難在管道外形成封閉的泥漿環，且溢出泥漿污染工作面，劣化施工環境，一般較少直接采用;管身涂蠟，是通過改變接觸面的摩擦系數，降低摩擦阻力，通過給管身、工具管涂蠟使管身變得更加光滑，來增加管材的滑動性，減少頂管施工過程中管身與土壤間的摩擦阻力，達到有效減阻的效果，對砂卵石地層中管道與卵石的接觸面是有效且易于實施的。此外，考慮到砂卵石地層頂管的摩擦阻力主要來源于卵石與管道外壁的接觸的特點，在管道與卵石之間填充固體低強度材料以減少土層塌陷、改善管道與土體之間的接觸特性，也是行之有效的方法。為實現減小阻力的目的，通常要求這種固體建筑材料，有輕質、抗剪強度低、摩擦系數小、松散、具有一定彈性等特點，在工程實踐中，同時還要綜合考慮材料的成本、加工等問題，本項目選用了塑料盲板碎片、稻草作為充填材料。

同時由于采用材料對管道外壁與土層的間隙進行了預先填充，這種填充并不密實，可為后續的回填注漿施工提供了漿液擴散的通道，有利于回填施工的質量控制。

2.3 頂力與頂進距離關系分析

在本項目實施過程中，采用《給水排水管道工程及驗收規范》（GB50268-2008）規范估算頂進阻力、選擇頂進設備，經計算每管段配置2臺150噸千斤頂滿足需要。按照給水排水工程頂管技術規程CECS246：2008式8.1.1，驗算管道結構強度Fdc=2800.9KN，滿足頂進工藝要求。

Fdc=（0.5×∮1×∮2×∮3×fc×Ap）/（ γqd×∮5）

式中：Fdc——允許頂力，N;

∮1——混凝土材料受壓強度折減系數，取0.9;

∮2——偏心受壓強度提高系數，取1.05;

∮3——材料脆性系數，取0.85;

∮5——混凝土強度標準調整系數，取0.79;

fc——混凝土受壓強度設計值（N/mm2）取32.4，

Ap——管體受力橫截面面積，計算得221868.12mm2;

γqd——頂力分項系數，取1.3。

在實施過程中，27-28管段未采取減阻措施，28-29管段采取管身涂蠟+固體材料填充的復合減阻工藝進行頂管施工，施工過程中，對頂進距離及千斤頂頂力讀數進行了記錄結果見圖3。

砂卵石地層頂管施工過程中，頂力平衡的有摩擦阻力、迎面阻力，頂管頂進過程中，迎面阻力恒定且較小，摩擦阻力變化是導致不同頂進距離下頂力出現高低變化的關鍵原因。同時，導致摩擦阻力出現變化的因素極多，頂力與頂進距離的關系十分復雜，例如減阻工藝的運用、地質條件等等，均會導致頂管頂進過程中的頂力出現震蕩。但從整體趨勢上分析，隨著頂進距離的增加，由于其他原因造成的擾動干擾逐漸減弱，頂力與頂進距離之間總體呈現出線性正相關關系。

2.4 減阻工藝效果評價

通過上述兩個管段的頂進試驗，可以看出在0～20米范圍內減阻措施體現的效果并不明顯，但在20米到50米范圍內，采用了減阻措施的管段在相同頂進距離的情況下，頂力明顯小于未采取減阻措施的對照組，且隨著頂進距離的增加，這種優勢越明顯，由此，可以看出采用管身涂蠟及固體充填減阻的復合工藝對于降低砂卵石地層中人工頂管摩擦阻力具有明顯的效果。同時，采取了固體充填減阻措施的28-29管段，在進行對管道外壁與土體之間的間隙進行填充注漿時，漿液擴散速度更快，注漿效果較好。

3 結語

根據對砂卵石地層中管土作用的分析，選擇了管身涂蠟及固體填充物的復合減阻工藝，并在工程中進行了應用，從頂進距離與頂進頂力的關系分析來看，采用這種減阻工藝，對于減小頂進阻力有良好的效果，采用國標Ⅲ級管（管徑D800），單段頂進距離大于50米，同時，可謂后續回填注漿提供漿液擴散通道，有利于保障注漿質量。但同時應注意到由于砂卵石地層中管徑、卵石粒徑、卵石強度、卵石含量及分布的不同，會造成摩擦阻力有較大波動，在進行減阻工藝選擇及阻力計算時應慎重。文中所描述的管土作用及管道與卵石之接觸，僅根據工程實例進行了簡單的分析，要明確管道與砂卵石地層的接觸機理，還需要進行大量的理論分析及工程實踐。

參考文獻

[1] Zhou， JianQing. Numerical? analysis? and? laboratory? test? of? concrete? jacking? pipes[D].Doctor Dissertation， University of Oxford，1998.

[2] 北京市第一上下水道公司.上下水道頂管施工方法[M].北京：城市建設出版社，1957.

[3] Haslem， R. F. Pipe-jacking forces： from practice to theory[C]. Infrastructure renovation and waste control. ICE North Western Association Centenary Conference， Manchester， Manstock， 1986.

[4] O'Reilly， M. P.，Rogers， C. D. F.. Pipe jacking forces[C].In Proceed. International. Conference. On Foundations and Tunnels 87， Edinburgh，1987.

[5] 豐巨武.砂卵石地層泥水平衡頂管施工方案探析[J].山西水利，2018，34（07）：35-36+41.

收稿日期：2020-01-13

作者簡介：柏波（1986—），男，重慶人，本科，工程師，研究方向：工程管理。