新型離心澆鑄玻璃鋼夾砂管在頂管施工中的應(yīng)用

朱俁捷

上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200002

1 工程概況

1.1 工程背景

上海周鄧公路污水干管完善工程作為上海市第六輪環(huán)保三年行動(dòng)計(jì)劃重點(diǎn)實(shí)施項(xiàng)目，西起浦東新區(qū)周浦污水泵站，東至周鄧公路申江南路。其中頂管施工長(zhǎng)度2 785 m，涉及管徑DN1 200 mm、DN1 400 mm和DN1 800 mm，使用管材為離心澆鑄玻璃鋼夾砂管。

1.2 工程地質(zhì)情況

擬建頂管管道主要位于現(xiàn)有機(jī)動(dòng)車道下方，地下管線（電纜、煤氣管、水管等）較多，周邊無(wú)重要建（構(gòu)）筑物影響。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，頂管施工主要土層為③3層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，④層淤泥質(zhì)黏土，管道覆土深度5.7～12.3 m。

2 研究目的

離心澆鑄玻璃鋼夾砂管作為新型管材，目前在頂管施工中的應(yīng)用較少[1-3]。希望依托本工程頂管施工的數(shù)據(jù)收集和分析，總結(jié)出一套較為有效的施工控制方法，熟悉該管材的性能，為后續(xù)類似項(xiàng)目的施工提供參考作用。

3 施工質(zhì)量控制措施

3.1 管材質(zhì)量控制

離心澆鑄玻璃鋼夾砂管是近年來(lái)在市政工程中采用的新型管材，是主要由聚酯樹(shù)脂、短纖維和石英砂通過(guò)離心力作用澆鑄而成的復(fù)合材料管。與傳統(tǒng)頂管工藝使用的混凝土管節(jié)相比，其主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）耐腐蝕：使用壽命長(zhǎng)，無(wú)需額外處理內(nèi)外防腐涂層，無(wú)需陰極保護(hù)。

2）強(qiáng)度高：管壁質(zhì)地密實(shí)、均勻，壓縮強(qiáng)度高。

3）接頭密封及抗震性好：接口形式為楔形結(jié)構(gòu)，管道和接口抗?jié)B強(qiáng)度更高。

4）外表光滑：施工過(guò)程中可以顯著減少頂進(jìn)時(shí)的摩擦阻力。

5）質(zhì)量輕：運(yùn)輸?shù)跹b更方便，質(zhì)量?jī)H為同規(guī)格混凝土管節(jié)的25%～30%。

在頂管施工前，對(duì)進(jìn)場(chǎng)的管節(jié)進(jìn)行檢查：管接頭的槽口尺寸應(yīng)正確且光滑平整；橡膠密封圈外觀和任何斷面必須致密均勻，無(wú)裂縫、孔隙或凹痕等缺陷，橡膠密封圈應(yīng)保持清潔。

3.2 頂力計(jì)算

根據(jù)本工程地址情況，結(jié)合單段施工長(zhǎng)度、施工特性及所在土層進(jìn)行頂力估算。相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 頂力計(jì)算結(jié)果

3.3 軸線控制

軸線測(cè)量是頂管工程質(zhì)量的關(guān)鍵，管道標(biāo)高和軸線控制的準(zhǔn)確度直接影響管道的線形。在軌道安放和頂管施工過(guò)程中，必須嚴(yán)格按照?qǐng)D紙進(jìn)行施工作業(yè)，確保所用數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)要求相對(duì)應(yīng)，有效控制水平軸線、高程標(biāo)高。

本工程采用一級(jí)智能全站儀，配合自動(dòng)整平基座進(jìn)行測(cè)量糾偏，全程自動(dòng)測(cè)量，設(shè)置測(cè)量頻率為每節(jié)2次，每50 m增加一次設(shè)備聯(lián)測(cè)調(diào)整。根據(jù)測(cè)角精度和測(cè)距精度自動(dòng)調(diào)整水平軸線、高程標(biāo)高誤差。

3.4 泥漿減阻控制

泥漿減阻是減少頂進(jìn)阻力的主要措施。施工過(guò)程中采用優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土，通過(guò)在管節(jié)外壁形成泥漿套，減小與土層間的摩擦力，減小頂力。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果，本工程采用的泥漿配比主要由膨潤(rùn)土（100 kg）、純堿（5 kg）、羧甲基纖維素CMC（1.2 kg）、水（550 kg）組成。壓漿時(shí)嚴(yán)格控制輸出壓力，做到“先壓后頂、隨頂隨壓、及時(shí)補(bǔ)漿”。

4 施工重點(diǎn)技術(shù)管理

4.1 頂管機(jī)出洞技術(shù)措施

頂管機(jī)出洞時(shí)，為了防止“磕頭”產(chǎn)生，故采取以下措施：

1）采用φ850 mm@250 mm高壓旋噴樁進(jìn)行進(jìn)出洞口土體加固，加固區(qū)長(zhǎng)度5 m（軸線方向），寬度5 m（洞門中心兩側(cè)各2.5 m），深度6 m（洞門中心上下3 m）。通過(guò)對(duì)土體進(jìn)行改良處理，提高土體的自立性和承載力，保證頂管機(jī)頭在出洞頂進(jìn)中處于一個(gè)穩(wěn)定、有足夠強(qiáng)度的水泥加固土范圍。

2）頂管機(jī)就位后，將機(jī)頭墊高5 mm，保持出洞時(shí)頂管機(jī)有一向上的趨勢(shì)。

3）調(diào)整后座主推千斤頂?shù)暮狭χ行模龆磿r(shí)觀察頂管機(jī)的狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)下磕趨勢(shì)，立即用后座千斤頂進(jìn)行糾偏。

4）考慮離心澆鑄玻璃鋼夾砂管單節(jié)管節(jié)的質(zhì)量問(wèn)題，將前3節(jié)管節(jié)內(nèi)圈增加鋼環(huán)，制成特殊管節(jié)后延重心，增加防磕頭手段。

5）采用高度可調(diào)的導(dǎo)軌，一旦機(jī)頭入土即加裝滾輪，以消除機(jī)頭和管節(jié)的外徑差。

4.2 初始頂進(jìn)防止管道后退措施

由于出洞口深度較深，故在初始頂進(jìn)階段，正面水土壓力遠(yuǎn)大于管周圍的摩擦阻力。拼接管子時(shí)，主推千斤頂在縮回前必須將已頂進(jìn)的部分與井壁進(jìn)行固定，否則管道一旦后退將會(huì)導(dǎo)致洞口止水裝置受損。因此，初始頂進(jìn)的管子在吊卸頂鐵時(shí)，可以伸出底部2只油缸，然后退縮上部的油缸，將頂鐵卸下去后，快速退縮底部油缸。在吊卸管道時(shí)，主推千斤頂退回前應(yīng)將管道與井前壁上的預(yù)埋鋼板相連，直至管外壁摩阻力大于掘進(jìn)機(jī)正面水土壓力為止。

4.3 洞口止水裝置

相比于普通混凝土管節(jié)，離心澆鑄玻璃鋼夾砂管對(duì)洞口止水裝置的要求更高。為保證頂管施工過(guò)程中洞口密封的完整性，在原有橡膠止水法蘭的基礎(chǔ)上，增設(shè)一道簾布橡膠板（圖1），共2套止水橡膠外加1層保護(hù)隔離鋼板進(jìn)行止水。安裝洞口止水裝置時(shí)必須與導(dǎo)軌上的管道保持同心，在安裝橡膠止水法蘭之前應(yīng)預(yù)埋注漿孔，以便壓注膨潤(rùn)土泥漿。

圖1 定制洞口密封簾布橡膠板示意

4.4 管道抗扭轉(zhuǎn)措施

在頂進(jìn)過(guò)程中，由于周圍土質(zhì)的變化、糾偏的影響及管內(nèi)設(shè)備的不均勻性，造成推進(jìn)時(shí)管道發(fā)生不同程度的扭轉(zhuǎn)，直接影響施工質(zhì)量。為此，主要采用的技術(shù)措施如下：

1）利用質(zhì)量平衡原理，在管內(nèi)設(shè)備及管道安裝時(shí)，另一側(cè)配以相同質(zhì)量的配重，使管道頂進(jìn)時(shí)左右質(zhì)量保持平衡，消除人為造成管道扭轉(zhuǎn)的因素。

2）頂進(jìn)時(shí)設(shè)有管道扭轉(zhuǎn)指示針，一旦發(fā)現(xiàn)微小的扭轉(zhuǎn)即用單側(cè)加壓配重的方法進(jìn)行糾扭。

3）掘進(jìn)機(jī)發(fā)生微小扭轉(zhuǎn)時(shí)，可迅速改變大刀盤的旋轉(zhuǎn)方向。如果掘進(jìn)機(jī)發(fā)生順時(shí)針扭轉(zhuǎn)，則刀盤的旋轉(zhuǎn)方向就要順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，反之則逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。必要時(shí)將刀盤正面加壓旋轉(zhuǎn)。

4.5 離心澆鑄玻璃鋼夾砂管的姿態(tài)管理

增加測(cè)量頻率，認(rèn)真分析測(cè)量數(shù)據(jù)，根據(jù)頂進(jìn)姿態(tài)變化曲線圖，準(zhǔn)確預(yù)判頂管機(jī)姿態(tài)，保證糾偏的針對(duì)性和技術(shù)性。

1）常規(guī)糾偏：在正常頂進(jìn)過(guò)程中，每一管節(jié)測(cè)量2次軸線與高程偏差情況，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工況條件，進(jìn)行有效糾偏，確保不出現(xiàn)較大偏差。

2）異常糾偏：若實(shí)際偏差較大，考慮到管材特殊性（如接口張開(kāi)量大于設(shè)計(jì)值0.3°后，偏轉(zhuǎn)角下的允許頂力會(huì)呈現(xiàn)折減情況），采用液壓千斤頂來(lái)調(diào)整。當(dāng)接口張開(kāi)后，用定制的厚木墊嵌入開(kāi)口處使接口張開(kāi)量保持恒定，確保每個(gè)管節(jié)的接口張開(kāi)均勻，保證線形質(zhì)量，通過(guò)緩和的糾偏方式使之回到設(shè)計(jì)軸線。

4.6 頂管過(guò)程中遇到不明地下障礙物的清障及預(yù)防措施

1）在頂管機(jī)的刀盤上增加硬質(zhì)合金刀頭，同時(shí)增加刀盤和刀頭上的不銹鋼堆焊材料，提高對(duì)障礙物的切削性能。避免因障礙物造成頂力突然增大，從而影響管節(jié)接口質(zhì)量。

2）對(duì)泥水平衡頂管機(jī)面板上進(jìn)泥口的開(kāi)口度進(jìn)行改進(jìn)調(diào)小，使泥水艙內(nèi)的障礙物不易發(fā)生堵管現(xiàn)象。

3）頂進(jìn)時(shí)如頂管機(jī)頭遇到石塊、混凝土等障礙物，機(jī)內(nèi)儀表顯示的土壓力、刀盤電流、刀盤轉(zhuǎn)矩以及主頂頂力都會(huì)發(fā)生變化，操作人員必須密切注意每個(gè)參數(shù)的變化情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，避免機(jī)械被障礙物損壞，同時(shí)正確判斷障礙物的類型、大小，以便及時(shí)采取有效措施。

4）若遇到較小的單個(gè)障礙物，且距接收井距離較近，可放慢頂進(jìn)速度，障礙物有可能被刀盤轉(zhuǎn)到頂管一側(cè)，或者跟隨機(jī)頭一起向前推移。本方案采用的泥水平衡強(qiáng)力頂管掘進(jìn)機(jī)具有二次破碎功能，小顆粒（100 mm以內(nèi)）障礙物可以通過(guò)切削刀盤的破碎功能二次破碎，經(jīng)過(guò)排泥管排出。

5 工程實(shí)際施工數(shù)據(jù)

5.1 施工頂力

施工過(guò)程中對(duì)每節(jié)管道頂力數(shù)據(jù)都做好記錄，5個(gè)施工段均沒(méi)有使用中繼間。通過(guò)記錄分析，得到理論頂力與實(shí)際頂力的對(duì)比情況如表2所示。

由表格數(shù)據(jù)可知，離心澆鑄玻璃鋼夾砂管在施工過(guò)程中的摩阻力很小，實(shí)際頂力僅為理論頂力的30%～50%，在正常頂進(jìn)中，頂力與頂距呈正比關(guān)系，頂力隨頂距逐漸增長(zhǎng)，但相比于理論曲線，斜率明顯緩和。

表2 理論頂力與實(shí)際頂力對(duì)比

5.2 軸線控制

貫通測(cè)量中，高程最大偏差為17 mm，水平最大偏差為13 mm，平面軸線及高程偏差全部控制在20 mm內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

5.3 管道密封

經(jīng)檢測(cè)，管道接口無(wú)滲漏、滴漏現(xiàn)象，密封性滿足要求；功能性檢測(cè)無(wú)缺陷，無(wú)安全質(zhì)量問(wèn)題。

6 結(jié)語(yǔ)

本文以上海市周鄧公路污水干管完善工程為依托，對(duì)離心澆鑄玻璃鋼夾砂管在頂管施工中的一些技術(shù)控制措施（頂管出洞技術(shù)、離心澆鑄玻璃鋼夾砂管的姿態(tài)控制等）進(jìn)行了研究和分析。

通過(guò)研究，該工程采用了科學(xué)合理的施工措施和技術(shù)管理，保證了頂管的順利貫通。離心澆鑄玻璃鋼夾砂管在頂管施工中的技術(shù)應(yīng)用，在城市排水管網(wǎng)工程中具有重要意義，并能為后續(xù)類似施工提供參考作用。