王橋路污水頂管施工技術研究

蔣業超 徐小馬

(1.合肥城建投資控股有限公司，安徽 合肥 230601； 2.中煤第三建設(集團)有限責任公司，安徽 合肥 230000)

隨著社會經濟的飛速發展，城市地下空間的開發和利用越來越受到人們的重視。頂管法施工是利用主頂油缸和中繼間等的頂推力，從工作井始發掘進穿過土層，掘進機一直推到接收坑內吊起。在頂進過程中，逐節拼裝管道并推進，最終將管道設置在工作井和始發井之間預先設定的位置，頂管施工是一種非開挖的鋪設地下管道的施工方法。頂管法施工技術屬于暗挖施工技術的一種，能夠做到在不開挖地表土的情況下將管道敷設完成，具有對周邊環境影響小、施工便捷、成本低和安全性高等優點，得到越來越廣泛的應用[1-5]。本文以合肥市合經區王橋路排水工程及管線綜合工程為例，探討泥水平衡頂管施工工藝相關技術要點。

1 工程概況

1.1 工程背景

本工程王橋路段(興業大道—寶教寺路)位于空港國際小鎮中部，為東西走向道路。該路是區域內的重要交通性干道，起點為興業大道，終點為寶教寺路，規劃為城市主干路，全長約 2.43 km，紅線寬 40 m。污水管線位置：污水管道單排布置，主管位于道路中心線以北 1 m處(中央綠化帶內)，污水預留井預留至道路紅線外2 m(見圖1)。污水主管道施工采用泥水平衡頂管施工，主干管管徑為DN600 mm，總頂進長度555 m，管材采用離心澆鑄玻璃鋼夾砂管。本段施工共設6個工作井，7個接收井，最短頂進長度31.9 m，最長頂進長度60 m，平均頂距46.3 m。

1.2 工程地質情況

工程場地位于合肥市經濟技術開發區北區，沿線以農田為主，局部為水塘、樹林、堆土區等，沿線地形起伏較大，各孔口所涉及的自然地面高程在61.09 m～73.27 m之間。

根據本次外業現場的原位測試、外業鉆探，擬建場地地基土構成層序自上而下為：①層素填土：層頂標高61.09 m～73.27 m，層厚0.40 m～2.40 m，普遍分布。②層粉質黏土：層頂標高59.59 m～69.86 m，層厚0.60 m～2.50 m，該層土局部缺失。③層黏土：層頂標高60.14 m～72.27 m，層厚5.00 m～20.80 m，普遍分布。

地下水類型、埋藏情況：王橋路區域內地下水主要是孔隙水和基巖裂隙水。其中，基巖裂隙水埋藏于填土層中，主要是上層滯水，水量微弱。黏土層中水量較少，黏性土透水性和富水性均較弱。王橋路區域的地下水埋深在0.7 m～1.5 m，高程對應為60.23 m～72.42 m。王橋路區域地下水排泄方式主要有蒸發、向下補給潛水和人工抽降等。水位年動態變幅受季節及氣候條件等影響，一般在1 m左右。

1.3 施工工藝

王橋路污水沉井施工工藝流程：

沉井基坑測量放樣→場地平整→基坑開挖→沉井測量放樣→基礎處理→立井筒內模和支架→鋼筋綁扎→立外模和支架→澆搗混凝土→養護和拆模→沉井二次制作(工序同第一次)→井點安裝及降水→鑿除墊層、挖土下沉→沉降觀察→澆筑混凝土墊層→綁扎底板鋼筋、澆搗底板混凝土→混凝土養護→井周回填。

2 關鍵技術

2.1 基礎處理

本工程采用40 cm砂石墊層，用打夯機打夯使之密實，然后澆筑C15混凝土墊層，厚200 mm，寬1 100 mm(見圖2)。將沉井的重量擴散到更大的面積上，從而避免了制作過程中發生的不均勻沉降，還能夠做到易于找平。根據巖土工程勘察報告,沉井井位段，最上層①層素填土厚度為0.5 m～1.0 m，其下均為③層黏土層;沉井刃腳位于③層黏土層，地基承載力基本容許值為fa0=110 kPa。起沉平臺下部應作夯實處理，處理后地基承載力基本容許值fa0≥110 kPa。

2.2 工作井布置

2.2.1結構設計

工作井采用沉井法施工，直徑為6 000 mm。按照方案逐節下沉沉井，直至下沉到位后用素混凝土進行封底。底板采用厚度為600 mm的鋼混，同時埋設導軌預埋件，等混凝土強度達到要求后方可安裝導軌，軌道安裝的高程偏差在+0 mm～+3 mm，中心線偏差±3 mm之內。后座墻尺寸為3 000 mm×3 000 mm×500 mm，后座墻的垂直偏差小于0.1%H(H為后背的高度)，即小于3 mm。相關參數計算和確定如下。

2.2.2工作井內徑計算

王橋路頂管采用的是玻璃鋼夾砂管，長度為3 m/節，工作井內徑大小：

L≥L1+L2+L3+K=3.0+1.5+0.4+1.1=6 m。

其中，L1為玻璃夾砂管下井管節長，取3.0 m；L2為設置的千斤頂的長度，現場千斤頂為1.5 m；L3為留在井內的管道最小長度，取0.4 m；K值為后座加上頂鐵的厚度最小值加上安裝的富余長度，本次取1.1 m。

2.3 后背墻穩定計算

液壓頂進千斤頂由后背墻提供支撐，提供反力。全部的頂力由后背墻傳遞和承受，因此后背墻的剛度、強度必須達到要求。因此需要計算后背墻的最大承受的推力，假設工作井能夠承受的反力為R，那么R應當由工作井的側壁和底板摩擦力R1加上后背墻的反力R2。而側壁和底板和土體的摩擦力計算不易確定，計算時忽略不計，增加了后背墻的R2計算值的富余量。后背墻剛度較大，假設頂進的推力是通過后背墻均勻的作用在工作井后方的土體上。后靠背的計算圖示如圖3所示。

反力應為總推力F的1.2倍～1.6倍，以確保安全。

(1)

其中,R2為后座墻之反力；α為系數(通常取1.5～2.5之間)，為了頂進時結構安全保守取1.5；γ為后背墻的土體容重，根據勘察報告取1.9 t/m3計算；H,B分別為后座墻的高、寬，皆取3.0 m計算；KP為被動土壓系數，tan2(45°+φ/2)=1.894；c為土的粘聚力，取70.9 kPa進行計算；h為從地面到后背墻頂部土體的距離，根據工作井深度h=6.0 m。

代入以上數據，計算可得：R2=5 079.08 t。

2.4 頂力計算

1)控制土壓力值P。

P=K0γh=0.55×1.9×6.7=7.0 kPa

(2)

其中，K0為靜力土壓力系數，取0.55；γ為管道區間土的容重；h為頂進區間的覆土深度，根據斷面圖可知深度約為6.7 m。

2)頂管機初始推力FO。

FO=PπR2=7×3.14×0.3082=2.09 t

(3)

其中，R為玻璃鋼夾砂管有效半徑，為308 mm。

3)一次頂進管道阻力。

PO=2fπRL=2×0.32×3.14×0.308×60=37.14 t

(4)

其中,f為土和管道的摩阻系數，按土質取0.32 t/m2；R為玻璃鋼夾砂管有效半徑，取308 mm；L為頂進長度，為管道始發井和接收井之間的距離，取60 m。

4)一次頂進總推力。

F1=FO+PO=2.09 t+37.14 t=39.23 t

(5)

5)注漿減摩后實際總推力F。

F=αF1=0.8×39.23=31.38 t

(6)

其中，α為減摩系數,取0.8。

6)每延米推力。

(7)

由于DN600離心澆筑玻璃鋼夾砂管能承受最大頂力為990 kN即101.02 t(根據GB/T 21492—2008)，工作井主頂推力可設計為500 kN，即51 t。100 t主頂油缸1臺，60 m需要總推力為31.38 t。滿足頂管設計要求，無需增加中繼點。

2.5 管道頂進施工準備

頂管在頂進過程當中，減阻泥漿是減小頂進阻力的重要措施[6]。頂管前要先將設備安裝調試，安設好泥漿池，泥漿池開挖大致按照10 m×8 m×3 m尺寸，施工完成后泥漿沉淀，拌干土就近使用于綠化工程。按要求調配泥漿同時對注漿的設備進行檢查。對施工供電和現場備料進行檢查，供電主要對電壓、接地等進行檢查，備料包括膠圈、管封、燒堿和膨潤土等，規劃好堆土區和出土設備。王橋路市政道路工程設備采用NPD-500的泥水平衡式頂管機，配套4只500 kN的千斤頂一組，主頂設備為32 MPa油泵，注漿泵的注漿速率為50 L/min，砂漿攪拌機的功率為3 kW。工作坑內設備圖見圖4。

2.6 玻璃鋼夾砂管性能

王橋路頂管一次頂進距離為60 m左右，對于選取的管材剛度要求較高，通過檢測，采用的玻璃鋼夾砂管性能較為優異，相關指標如表1所示。

表1 玻璃鋼夾砂管強度指標

3 結語

本文通過合肥市合經區王橋路排水工程及管線綜合工程，結合實際工程案例，分析了頂管施工技術在城市污水管工程中的實際應用，其中沉井施工和頂管施工是工程中的關鍵性技術和環節。沉井過程中，要注意沉井各個觀測點下沉量的變化，當沉井出現傾斜可通過調整挖土和施加荷載進行調整。利用泥水壓力來平衡地下水壓力和土壓力，可有效地保持挖掘面的穩定，同時加快作業進度。對于長距離頂進，對管材的強度要求較高，應滿足規范和頂進要求。總的來說，頂管法施工技術在市政管道施工中具有很好的應用前景。