某水庫項目頂管近距離穿越構筑物施工技術探析

甄祖玲

(廣東省源天工程有限公司，廣州 511300)

0 引 言

隨著城市建設的不斷發(fā)展，一些水庫、河道項目的附屬工程都要不可避免的穿越大型重要的建構筑 物，例如穿越管道隧洞和城市主干道等等，往往這些區(qū)域都分布著重要的管線，對周邊環(huán)境的變形控制要求極其嚴格，如果采用頂管施工工藝，就要著重考慮施工影響的范圍和沉降變形的控制，這給頂管施工工藝帶來了很多大的技術課題。

為此，在某水庫附屬工程項目中我們成立了大型矩形頂管近距離上穿管道隧洞施工技術課題研究小組。在項目正式開工前先進行安全風險評估分析，對施工影響范圍內(nèi)的地表沉降計算，注漿加固不利地層和施工過程中的土壓力平衡控制等進行了較為深入的研究，文章在該類頂管施工項目的重點工序上提出了一些控制要點，提出預先進行安全風險評估分析、施工影響范圍內(nèi)沉降變形的準確計算和施工過程中的土壓力控制計算等等，可為后續(xù)頂管作業(yè)降低安全風險，大幅提高頂管效率。總結形成了大型矩形頂管近距離穿越重要構筑物安全施工技術，可為后續(xù)類似工程施工提供借鑒參考。

1 工程概況

在珠三角地區(qū)有一合流水庫項目，屬環(huán)北部灣廣東水資源配置工程，是一個以灌溉為主，防洪、城市供水綜合利用的小(Ⅰ)型水庫，主要建筑物由主壩、副壩、溢洪道、合流水庫補水泵站和合流水庫輸水管道、綜合管廊等附屬構筑物組成。該合流水庫建設工程以灌溉為主，兼顧市區(qū)供水和應急備用等綜合利用[1]。

其中附屬工程中的綜合管廊采用矩形頂管施工工藝，頂管頂部距離現(xiàn)狀城市主干道約4m，局部頂管段上跨既有管道隧洞，其中距隧洞結構外側的最小凈距離僅為1.5m。

根據(jù)勘察報告資料，頂管區(qū)域位于淤泥質(zhì)砂土層，上部覆蓋素填土，施工場地地下水位為0.70-4.60m。該項目位置情況示意圖詳見圖1所示。

圖1 矩形頂管施工剖面示意圖

2 施工難點

1)本項目頂管施工范圍離城市主干道地面約4m左右，假若施工不當，可能會造成路面隆起、塌陷等問題的發(fā)生，會對社會造成嚴重不良影響。

2)頂管還需上穿現(xiàn)有管道隧洞，與隧洞最外側結構距離最近僅為1.5m，這對隧洞結構的擾動控制要求將會非常高。

3 主要技術要點

3.1 工藝流程

頂管施工的技術要點控制主要是對施工各個工序節(jié)點的控制，為此每一關鍵環(huán)節(jié)和工序節(jié)點的技術控制都需具體落實到每一部門的責任人，并貫穿整個工程的施工。根據(jù)本項目特點和施工難點分析，為確保施工質(zhì)量和提高工效，特制定以下施工工藝流程圖(見圖2)。

圖2 施工工藝流程圖

3.2 施工影響范圍計算

目前，通常采用經(jīng)實踐驗證過的經(jīng)驗公式對頂管施工影響范圍進行計算分析是可以滿足現(xiàn)場實際需要的。

Peck公式和修正后的Peck公式是假定施工引起的地面沉降是在不排水的情況下發(fā)生的，所以沉降槽體積等于地層損失的體積。地面沉降的橫向分布類似正態(tài)分布曲線[2]，如圖3所示。

圖3 地面沉降正態(tài)分布曲線圖

Peck公式為：

(1)

式中：S(X)為距離隧道中線x處的地面沉陷量；X為距離隧道中線的距離；Smax為隧道中線的最大地面沉降量； i—沉陷槽的寬度系數(shù)。

最大沉降量采用下式估算：

(2)

式中：VS為沉陷槽容積；i為沉陷槽的寬度系數(shù)。

(3)

式中：z為隧道埋深；j為隧道覆土有效內(nèi)摩擦角。

根據(jù)經(jīng)驗，地面橫向沉陷槽寬度 W/2≈2.5i。

3.3 地面沉降控制

1)原因分析：①頂進速度太快；②開挖面土壓力大；③開挖面不穩(wěn)定；④管道線型不好；⑤泥漿套形成不好，管道帶土頂進，是初始頂進階段未對頂進參數(shù)進行優(yōu)化[3]。

2)防治措施：①頂進速度應滿足開挖面土壓平衡條件；②采用能穩(wěn)定開挖面水土壓力的頂管掘進機；③機頭姿態(tài)控制精度好；④機頭殼體比管外徑大 20mm 為宜；⑤認真做好注漿工藝。

理論上注漿量可按下式計算：

V=(A·B-a·b)·k

(4)

式中：A為頂管機機頭外徑長度；B為頂管機機頭外徑寬度；a為管節(jié)外徑長度；b為管節(jié)外徑寬度；k為管節(jié)縱向長度。

3.4 頂力計算

F=F1+F2

(5)

式中：F為總推力；F1為迎面阻力；F2為頂進阻力。

F1=π·(D/2)2·P

(6)

式中：D為管外徑P—控制土壓力。

F2=π·D·f·L

(7)

式中：f為管外表面綜合磨擦阻力；L為頂距。

P=K0·r·H0

(8)

式中：K0為靜止土壓系數(shù)。

4 穿越構筑物控制措施

4.1 施工前策劃

項目開工前要吃透設計意圖，對重點構筑物進行全面調(diào)查，尤其涉及重要管線隧洞等關系公共交通安全的構筑物，要完整收集相關資料，進行必要的安全風險評估分析，并組織相應的專家論證，提前作出應急管理預案。

4.2 施工過程控制

1)開挖面土壓力控制：

根據(jù) Rankine 土壓力理論進行計算：

P=k·r·z

(9)

式中：k為軟土的側向系數(shù)；r為土的容重；z為覆土深度；P上為管道頂部的側向土壓力；P下為管道底部的側向土壓力。

2)頂進速度控制：

頂管初始階段的控制至關重要，頂進速度宜適度放緩，可控制為5-10mm/min，待進入正常頂進狀態(tài)時可控制為10-20mm/min。

3)出土量控制：

在頂進過程中必須要嚴格控制出土量，在正常狀態(tài)下的出土量應占理論計算出土量的98%-100%，除非在考慮土體改良劑因素情況下， 可提高比例至105%。一般情況下，不得出現(xiàn)超挖或欠挖現(xiàn)象發(fā)生。

4)泥漿減阻技術措施：

實際施工中，通過管壁外優(yōu)質(zhì)潤滑泥漿的制作和壓注措施可大大降低頂進阻力。頂進時，利用機頭尾部環(huán)向均勻布置的壓漿孔，及時進行注漿，保證在機頭后面形成完整有效的泥漿套。機頭后面的前三個管節(jié)上都有壓漿孔，再往后每隔一個管節(jié)放置一段預留壓漿孔的管節(jié)，壓漿孔均呈斜向 45°正交環(huán)向交叉布置。頂進時利用管節(jié)上的壓漿孔進行補壓漿[4-5]。

制備合格的觸變泥漿性能指標可參考如下： 密度：泥漿比重為 1.1-1.16×103kg/m3； 黏度：用漏斗黏度計測量黏度>30s； 失水量：≤25mL/30min；穩(wěn)定性：泥漿應無離析水；pH值：<10。

5)糾偏控制：

糾偏隨測量進行，隨測隨糾，增加糾偏頻率、減小糾偏幅度。在頂?shù)谝还?jié)管的校正偏差過程中，測量間隔≤50cm，以保證管道入土的位置正確。管道入土層后的正常頂進階段， 測量間隔≤100cm。

6)泥漿置換：

泥漿置換即在單段頂管完成后及時采用水硬性材料置換管道外壁原注膨潤土泥漿，使管道外壁形成強度較大的漿壁，能承受上覆土壓力的作用，避免孔壁的坍塌；另外，摻入膨脹劑具有補償收縮性能的水泥漿還能降低原注泥漿的收縮，從而減少沉降發(fā)生[6]。

7)監(jiān)測信息管理：

實時跟進現(xiàn)場實際動態(tài)監(jiān)測信息，以確立新的施工參數(shù)、注漿量及變形沉降值等關鍵信息，實時傳至頂管操作室，根據(jù)反饋的信息對施工面作及時調(diào)整， 實現(xiàn)反復循環(huán)、驗證和調(diào)整的工作程序，確保工程質(zhì)量。

5 結 語

對于矩形頂管近距離穿越重要構筑物施工難題， 應因地制宜，結合現(xiàn)場的實際情況，綜合考慮各種因素，科學合理組織，突破技術難關，才能保證項目的順利實施。

本工程的順利完成及驗收合格，且滿足了第三方監(jiān)測要求，實踐證明采取事前安全風險評估分析，施工影響范圍內(nèi)的地表沉降分布規(guī)律計算，對不利地層的注漿加固和施工過程中的土壓力平衡控制，可有效的控制地面沉降和對管道隧洞的影響均在安全允許范圍內(nèi)，充分說明了以上控制措施是切實可行的，為后續(xù)類似項目施工積累了成功經(jīng)驗。