上軟下硬復合地層頂管施工技術研究

肖 先

(中鐵二十局集團第四工程有限公司 山東青島 266061)

1 引言

隨著人民生活水平提高，環(huán)保要求越來越嚴，城市原設計污水收集系統已不能滿足發(fā)展需要，新建污水收集系統已成必然。由于既有城市建筑、地下管網已完成，明挖埋管收集污水已不具備條件，采用非開挖方法施工已成為必然[1]。非開挖方法目前主要有牽引法、頂管法、盾構法三種，牽引法的優(yōu)勢在于土層中牽引小直徑管道，受地質及管徑限制較大；盾構的優(yōu)勢在于大直徑及埋深較深地段；對于直徑在1～3 m范圍采用頂管機頂管比較經濟，施工進度可控、對外界干擾小。頂管機有土壓平衡和泥水平衡兩種，兩種設備對地質要求各有優(yōu)缺點[2]。目前對頂管的研究主要集中在地質均勻地段及曲線地段，對不均質地段，特別是上軟下硬復合地層如何有效施工研究較少。

本文以市區(qū)臨河臨街頂管為背景，全面分析了頂管設備穿越復雜地質條件下存在的風險與發(fā)現的問題，并針對發(fā)現的問題提出了解決方案，為同類工程施工提供了指導意見和思路。

2 工程概況

該工程污水管道沿河兩岸現狀道路敷設6 000 m，為污水收集主管道，通過截污井將沿途排污口進行截流，收集污水最終送至污水廠。污水管道管徑DN1400～DN2200，設計采用1‰平流，污水管徑從起點到污水廠漸變增大。由于新建污水管道位于老城區(qū)，一側臨河，一側臨街，河與街道之間空間狹窄，不具備開挖埋管條件，只能采用頂管方式進行施工。頂管埋深2～8m，頂管通過地質上層多為粉砂土，粉砂土厚度不均勻，局部地段從全段面粉砂層漸變到全巖層，沿河地帶含有大量建筑垃圾、醫(yī)療垃圾等廢棄物，下層為中硬巖、堅硬巖。頂管采用泥水平衡法進行施工，所用管道為Ⅲ級混凝土管，接口為鋼承式接口，每節(jié)長度2.5 m，頂管井采用逆作法施工。頂管井之間的距離根據沿河曲線確定，控制在40～160m之間。

3 淺埋段加固技術

頂管機覆蓋層厚度應不小于3倍管道外徑且不小于3 m，當小于該數據時，土壓力不足以控制機頭按設計線路頂進，且由于地下水浮力影響，機頭容易上翹，影響頂進質量[3]。

3.1 淺埋段注漿加固

施工中采用袖閥管對頂進前端注漿加固處理[4]。袖閥管加固寬度范圍為整個道路，加固深度為頂管機頭下500 mm或巖石頂，袖閥管間距采用梅花形布置，間距1 500 mm，水灰比0.5，注漿壓力0.5～1.0 MPa，對于道路兩側邊沿地帶，將注漿壓力控制在0.2～0.5 MPa，以避免壓力較大造成干砌片石處向外涌漿和地面隆起。

3.2 垃圾回填土加固技術

頂進線路上的垃圾回填以生活垃圾與醫(yī)療垃圾為主，垃圾回填時間均超過30年，由于為塑料制品，不易腐爛，在頂進過程中極易阻塞刀盤開口和出漿泵管；當出漿泵管堵塞后，采取加水清孔，大量清水加入使泥水平衡無法保持，容易造成機頭處塌陷[5]。垃圾土由于孔隙較大、含大量廢水和廢氣，注入的觸變泥漿易被稀釋和擴散，起不到相應的潤滑及維持土體穩(wěn)定的作用；同時垃圾土會產生有毒氣體，對人員健康造成不利影響。當少量垃圾堵塞刀盤時，可對刀盤進行開倉，人工清理刀盤開口部分的垃圾；當垃圾堵塞出漿管道時，可采用拆開出漿泵連接管，清理管內垃圾。當前方回填垃圾較多且不能正常頂進時，需對回填垃圾進行改良。改良采用高壓旋噴樁施工，高壓旋噴樁可將垃圾土固化，頂管機刮刀和滾刀將固化后的水泥漿與垃圾磨成小塊，通過泥漿抽出。高壓旋噴樁可采用單液或雙液漿，當工期緊張時，前段采用雙液漿，后段采用單液漿。高壓旋噴樁直徑400 mm，施工范圍為管外徑2 m，如果上部為回填垃圾土，下部為巖層，則施工至巖層；如果通過地段全部為回填垃圾，樁底至管底500 mm，樁位按梅花形布置，間距1 200 mm。對于在垃圾土中頂進，要進行有毒氣體檢測，管內工人必須配戴防毒面具以確保施工安全。

4 頂管機精準始發(fā)測量控制

以最近的控制點作為基點，引測導線點和水準點至工作井附近，布置3個測點，形成閉合導線、水準網。用全站儀將地面坐標及方向傳遞到工作井中，定出頂管設計中心線，通過2臺水準儀及鋼尺將高程傳至工作井下固定點[6]。頂管機精準始發(fā)的關鍵點在于導軌的安裝精度，假設頂管半徑(外徑)為R，導軌間距為A，則可以求得軌道接觸面到頂管中心的高差h或到管底的高差R-h，再求得導軌頂高程為管底設計高程+軌道接觸面至管底高差。根據計算數據確定導軌高程和坡度，根據放樣軸線點確定導軌中心位置[7]，如圖1所示。

圖1 導軌測設放樣圖

5 施工過程中管道減阻技術

隨著頂進長度增加，管道側面摩阻力越來越大，阻力增加會造成千斤頂液壓油泵壓力加大、投入千斤頂設備噸位加大；由于管道在頂進過程中受力不均，管道質量自身存在差異，容易造成管道破裂，影響后續(xù)頂進，所以在施工前要對頂力進行計算，確保施加在管道上的壓力小于管道混凝土抗壓強度。為確保順利頂進，在施工過程要針對不同的地層配備不同配比的觸變泥漿以減小摩擦阻力。

5.1 頂力計算

F=F1+F2

F1=πD2(γgHg)/4

F2=πfkDL

式中，F為頂進阻力(kN)；F1為頂管機前端正面阻力(kN)；F2為管道側摩阻力(kN)；D為管道外徑(m)；L為管道頂進長度(m)；fk為管道外壁與土的單位面積平均摩阻力，取5 kN/m2；γg為土的重度，取18.5 kN/m3；Hg為覆土層厚度，取8 m。

頂力與頂程計算結果見表1。通過計算，配備2臺250 t千斤頂理論上能滿足要求，為防備地質出現突變，配備4臺250 t千斤頂。

表1 頂程與頂力計算結果

5.2 不同漿液配比時頂管頂力與頂程的關系

5.2.1 觸變泥漿參數設置

混凝土管道在頂進過程中，管壁與周圍土體發(fā)生摩擦，增加頂進阻力。為減小頂進過程中的阻力，在頂進過程中必須注入配制好的觸變泥漿，并保證注入的觸變泥漿能均勻包裹住整個管道外壁。觸變泥漿采用膨潤土、水、堿按比例配制，根據不同的地質，經過試驗配制了5種現場使用的觸變泥漿(見表2)。

表2 觸變泥漿參數

5.2.2 不同參數觸變泥漿與頂力、頂程關系確定[8]

不同參數的觸變泥漿對土層的滲透性效果影響較大。對于粉砂土、細砂土層、巖層，土層孔隙率小，采用粘度低、比重為1.01 g/cm3(或1.03 g/cm3)的觸變泥漿，注漿距離控制在7.5 m以內；對于粗砂、砂礫地層，采用粘度高、比重為1.05 g/cm3的觸變泥漿，注漿距離控制在5.0 m以內；對于回填的垃圾土層，采用較高粘度和比重為1.10 g/cm3(或1.15 g/cm3)泥漿，每節(jié)管道均注漿。不同觸變泥漿與不同地質的頂力與頂程關系如圖2所示。

圖2 不同漿液下頂進距離與頂力關系

5.3 計算頂力與實際頂力減阻對比分析

通過實際頂進過程中測取的代表值與計算值比較[9]，觸變泥漿的減阻效果在礫石層與垃圾土層能達到20%以上，在巖石、細砂和黏土中可以達到40%以上。但由于地下工程的不可預見性，地質在頂進過程中會產生突變，給施工造成困難。通過對出渣渣樣分析、頂進中油泵讀數變化判斷前方地質，并對觸變泥漿配比進行調整，以確保泥漿能全面包裹混凝土管道并對四周圍巖進行加固，使圍巖形成一道整體保護層，減少地下水滲入，確保泥漿減阻效果，頂進距離與頂力關系如圖3所示。

圖3 頂進距離與頂力計算關系

6 上軟下硬地層頂進

6.1 首節(jié)管材選用

首節(jié)管道直接與頂管機連接，管道前端的平整度、管道強度直接影響后續(xù)頂進。首節(jié)管道前端與頂近機接觸面全斷面粘貼厚5 mm厚木板或膠合板，減小頂進過程中頂管機振動對管道的影響。管道上密封圈安裝密實，檢查密封圈是否破損、漏水，否則更換密封圈。管道安裝前對混凝土強度進行回彈，滿足設計強度要求后才能用于現場。

6.2 頂進過程控制

使機頭按設計線路前進是線形控制的關鍵[10]。在上軟下硬地層中如果按常規(guī)頂進方法施工，機頭在頂進過程容易產生偏移，如果糾偏不及時，造成線路偏差過大，糾偏后必然會形成折點，管壁摩擦力增大，混凝土管道接口企口縫不能完全吻合，造成折線點開口，管道受力面積減小，管壁容易開裂。糾偏處理前提是及時準確測量，及早發(fā)現偏差[11]。當機頭在上軟下硬土層且硬石層厚度大于1/2機身時，機頭會上翹，此時要增加測量頻率，隨時關注前方軸線測量靶位。在上軟下硬地層中頂進時，將頂進千斤頂由2臺增加至4臺，如果頂管機機頭上翹，則將上方2臺千斤頂油壓增加，油缸伸長值要略大于下方2臺千斤頂伸長值，使頂管機頭緩緩下壓。由于巖層不平順，在頂進過程中容易發(fā)生頂管機機頭側面上升或下降，如果機頭下墜，采取加大下方2臺千斤頂油壓，使下方2臺千斤頂油缸伸長值大于上方2臺千斤頂油缸伸長值。如果側偏，則采取加大側偏方向相反的千斤頂進行糾正。在機頭糾偏過程中，頂進速度要嚴格控制在3～5 mm/min。糾偏長度要形成一段過渡曲線，不能形成突變點[12]。

7 管道裂縫處置

由于地層變化較大，混凝土管道在頂進過程中，局部受力不均，特別是接口鋼帶長度不滿足要求，管道會產生縱向及橫向開裂，嚴重時會管道破碎，不能繼續(xù)頂進。

7.1 管道裂縫處理技術

混凝土管在頂進過程中產生裂縫，必須停機分析產生裂縫的原因，首先對混凝土管進行強度回彈測量，查看其強度是否滿足設計要求，其次檢查連接鋼帶長度是否滿足要求，鋼帶長度設計厚度為5 mm，寬度250 mm，如果不滿足技術要求，對未使用管道更換處理。對于在頂進過程中產生開裂管道，采用加設鋼內襯套管，鋼套管直徑比混凝土內徑小10 mm，鋼板厚度8 mm，鋼內襯分五段加工，每段長度500 mm，為便于運輸及安裝，每段分四片，鋼套管之間采用螺栓連接，混凝土管道與鋼內襯套管之間空隙注入環(huán)氧樹脂填充。具體加固方法如圖4所示。

圖4 鋼內襯支襯

7.2 管道破損處理技術

在頂進過程中發(fā)生管道壁混凝土脫落，破碎，管道已不具備傳力條件，頂進已無法繼續(xù)進行。由于頂進距離較長，不具備回撤管道條件，也不具備在此開挖更換管道的空間，經過技術對比分析，采取現場加固措施。首先對破碎的混凝土進行清除，回填環(huán)氧樹脂混凝土；其次是在破損的混凝土及相鄰兩節(jié)管道上加設鋼內襯套管，并將三節(jié)管道連接形成整體，并對管壁間空隙注環(huán)氧樹脂填實。為加強整體剛性，縱向對稱焊接4根 30槽鋼，槽鋼間橫向采用2根 30槽鋼支撐，支撐數量4道。

8 結束語

通過精準始發(fā)測量控制技術，確保了機頭進洞的姿態(tài)與設計姿態(tài)相符，為后續(xù)頂進的線形控制奠定了基礎。頂管軸線測量技術，確保了頂進線路按設計線路前進。通過試驗和實測，提出了在不同的地質情況下最佳的觸變泥漿配合比，以及在不同配合比下各種地質頂力與頂程的關系。提出了混凝土管在頂進過程中發(fā)生破損的解決辦法，垃圾填埋段堵管解決方案以及頂進過程中發(fā)生偏差的糾偏辦法。但在實際頂進過程中出現大樹根、鋼筋混凝土塊等頂管機無法破碎、開倉不能清除的垃圾，正常頂進不能解決，只能采取開挖清除的方式。