非開挖頂管施工技術在城市管網中的應用研究

廖 芳 (深圳市市政工程總公司 廣東 深圳 518109)

地下管道網絡系統,是城市建設的重要組成部分。隨著經濟的快速發展和城市人口的不斷增長,現存的市政設施與日益增長的人口之間的矛盾日漸突出,諸多城市現存設施不能滿足城市發展與人口增長的需要,如中水、自來水、煤氣、電力和通訊管道的鋪設、維修都是在需要的時候再對街道路面“開臘剖肚”,從而導致交通堵塞、破壞既有基礎設施、環境污染等一系列問題,對市民的生活和城市形象造成很大的影響。因此。地下管網建設的非開挖施工成為大勢所趨,無論是在管道的鋪設中還是管道的置換與修復中,都對推動城市建設發揮著積極意義。

一、非開挖頂管施工技術概述

所謂非開挖施工技術,是在不挖開路面的前提下,實施地下鋪設管線,如剛性管道、光纖電纜、高壓電線等等,也可以在河底、建筑物地下,鋪設管線。

現今社會幾乎所有的人類活動都離不開地下管線,大量的新管線需要鋪設,現有的管線需要及時的檢修、維護和修復。而傳統的開挖技術具有很大的局限性,已經不能適應新時代的需要,如造成交通不便、影響環境、施工周期長、成本高等。此外,如古跡保護區、鬧市區、農作物和植物保護區、穿越鐵路、高速公路、建筑物、河流等地施工十分困難,甚至根本無法進行施工。因此,非開挖技術運用而生。

非開挖技術源于20世紀70年代,并于90年代傳入我國,目前被廣泛應用于給水、排水、電力、通信、燃氣等領域的新管道建設和舊管道修復,也可以應用于文物、古建筑的保護等方面。

非開挖鋪設地下管線技術是指利用巖土鉆掘定向、測控等技術手段,在地表不挖槽和地層結構破壞極小的情況下,對諸如供水、煤氣、天然氣、污水、電信電纜等公用管線進行鋪設的施工技術。它的技術核心是導向鉆進、定向鉆進、微型隧道掘進、沖擊矛、夯管法和頂管等技術。非開挖鋪管技術可用來鋪設直徑40mm 至2500mm 的各種地下管線,距離可達十幾米至上千米。

非開挖技術包括三方面內容:新管線鋪設,現有管線的檢查和維護以及陳舊管線的修復和替換,在動力電纜、通訊電纜和光纜、上下水道、輸油輸氣管道、環境治理工程和基礎工程等領域有著廣泛的應用。

非開挖技術的特點和應用潛力,主要表現在四個方面:一是不阻礙交通、不污染環境、不破壞植被、不影響周邊建筑物、不影響居民的一切生活和工作秩序。二是可以按最短的合理途徑穿越河流、湖泊、公路、鐵路、城市建筑物等施工效率高,節約材料消耗,降低施工費用,而傳統的施工方法是無法做到的。三是由于使用了高精度的跟蹤定位技術或MWD技術,可以控制鋪管的方向和路徑,從而避開地下原有的公共設施和施工復雜區。四是有較好的經濟效益和社會效益。在可比性相同的條件下,非開挖管線鋪設、更換修復的綜合經濟效益和社會效益均高于開挖施工,管徑越大埋深越大時越明顯。

二、非開挖頂管施工技術的基本理論依據

(一)氣壓平衡技術理論

在非開挖頂管施工技術的具體使用過程中,其在頂級管道技術組件之上,以及在挖掘作業面技術結構之上應當存在和分布一定數量的壓力空氣物質形態。借由對壓力空氣物質形態的運用,能夠具體針對土層技術結構或者是地下水施加一定強度的推動力,且借由開展全氣壓平衡處理技術環節,以及局部氣壓平衡處理技術環節,具體助推頂管技術組件能夠順利到達預先設定的接收技術空間位置。

(二)土壓平衡技術理論

為扎實且充分地平衡處置頂管掘進機技術設備所處土層技術空間位置的地下水壓力因素和土層壓力因素,通常應當考慮在基于非開挖頂管施工技術的施工作業技術活動過程中,針對頂管掘進機技術設備的土艙結構組成部分施加適當強度的壓力作用。

(三)泥水平衡技術理論

所謂泥水平衡,就是要在非開挖頂管施工技術具體運用過程中,始終控制確保實際引入運用的泥水施工材料,能夠在密度水平層面具備穩定性,同時還要具備相對充分的粘性。在實際運用的泥水施工材料充實頂管掘進機技術設備泥水艙組成結構之后,通常可以考慮基于外部對其施加一定表現強度的壓力負荷作用,繼而實現對地下水壓力強度與土層壓力強度的恰當控制。

三、非開挖頂管施工技術的應用優勢

(一)對非開挖頂管施工技術的引入運用,能夠有效提升施工活動的總體進度,縮短施工活動過程的總體持續時間,避免具體推進的施工作業活動過程給周邊環境造成不良影響。

(二)對非開挖頂管施工技術的引入運用,通常能夠控制規避針對周邊建筑物或者是構筑物的不良影響作用,實現對原有管道線路技術組件網絡系統的有效保護,避免對原有民用建筑物的地基結構組成部分施加影響破壞作用,保證民眾的正常生活秩序,確保具體化施工時間進度和各項施工環節的順利推進。

(三)對非開挖頂管施工技術的引入運用,有助于改善提升施工活動環節的文明程度。源于頂管施工活動環節開展過程中的開挖量,以及土方棄用量都相對較少,客觀上不會引致發生各種形式的不文明行為,還能控制降低施工活動推進過程對施工現場周邊環境施加的污染破壞程度。

(四)對非開挖頂管施工技術的引入運用,有助于獲取良好工程施工質量。頂管施工活動環節通常不會針對道路交通設施的路面結構組成部分施加較大程度的影響,客觀上能夠有效控制維持總體施工質量水平,并且支持具體推進的施工任務環節順利獲取良好效果。

四、非開挖頂管施工技術的具體運用

(一)大磡河流域水環境綜合治理工程的基本情況概述

大磡河流域水環境綜合治理工程(初雨處理設施除外)項目位于深圳市南山區西麗街道大磡村,地處西麗水庫上游,為西麗水庫的主要入庫支流。大磡河治理范圍包括全流域面積為3.70km,包括建成區面積為1.10km,生態區面積為2.60km,也即是全流域治理,具體內容包含河道整治、山洪解放、雨污分流、初雨收集處理,以及生態綠化和服務設施建設。本項目頂管均采用帶破巖功能的泥水平衡施工工藝,利用分洪溝中下游段經建成區,布置DN2000混凝土頂管及DN3000混凝土頂管連接至大磡河,頂管埋深介于5.5～12.0m,坡度介于3‰～5‰。DN2000頂管694m,DN3000頂管843m,共計1537m,頂管工作井采用圓形井,內尺寸為Ф8500mm,共3座;頂管接收井采用Ф6000mm,共3座;頂管接收井采用Ф6500mm,共2座;頂管接收井5500mm*5000mm,共1座;頂管工作井施工采用沉井工藝,接收井施工采用逆作法工藝。

(二)施工過程的技術質量控制要點及措施

施工前,全面認真查閱分析設計圖紙及有關資料,走訪有關部門,摸清管線位置及埋深并予以標明,提前辦理占道施工許可手續并與管線產權單位簽訂安全保護協議,及時辦理動土作業確認表。對個別情況不明管線,采取人工探挖方式,確定對工程無干擾時再組織施工,必須摸清楚地下情況,做到施工前心中有數,必要時建議建設單位委托勘察單位對沿線管線進行勘探。

1.頂管施工遇孤石、頂管機頂進過程中無法頂進時的處理措施

在沿線頂管穿越的花崗巖層中可能存在差異風化和球狀風化現象,會對施工造成不利影響。遇球狀風化體時,建議采取如下措施

(1)在地面具備條件時從地面鉆孔預裂爆破、沖孔清除。

(2)遇孤石群,則向土倉加氣壓穩定工作面,采用低轉速、低扭矩、低推力謹慎掘進。

(3)施工中遇到地勘未探明孤石時采取地面鉆孔靜爆預裂處理。預裂處理的施工方法為:

①分段引孔、分段爆破。引孔在頂管左右線結構輪廓線外1m 范圍內布置,填石層和孤石引孔深度穿透填石層,基巖突起處引孔深度進入頂管底0.5m,寬度為頂管兩側各1m;引孔采用點陣式布置,間距300×300mm,靜態爆破引孔直徑為42mm。

②靜態爆破。靜態爆破施工方法由具體實施的相關單位完成;管線、重要建(構)筑物爆破安全震動速度1.5cm/s。

③爆破效果檢測。設置檢測孔,采用地質鉆孔,對預裂爆破巖石進行檢測,以確保頂管順利通過。

④引孔封堵。靜態爆破后需要對所有的爆破孔和檢測孔實施封堵,并確保密實。

⑤爆破監測。爆破實施期間,對周邊重要建(構)筑物、管線、高壓線塔進行振動頻率監測。

⑥要求施工單位在設備采購時,結合地質條件,選用硬巖破碎能力較強的頂管機。

2.頂管下穿越軟硬不均及硬巖地層處理措施

(1)頂管下穿越軟硬不均及硬巖地層的具體里程詳見頂管平面及縱斷面圖。

(2)頂管穿越軟硬不均及硬巖地層時需控制頂管自身各項掘進參數,控制好頂管推進速度及姿態,保持推進速度的恒定和穩定,加強同步注漿和二次注漿,采取信息化施工,加強建構筑物的監控量測,信息及時反饋,嚴格控制沉降和位移,確保頂管順利掘進通過。

(3)其它輔助措施

頂管施工應加強超前地質預報,并做好相應的措施。場坪平整、圍擋、管線臨時保護、苗木遷移等現場措施,苗木、溝壑、高邊坡等施工措施,按經批準的施工組織方案實施,以實際發生進行確認。

3.粉質黏土層頂進措施

采用清水頂進攜渣,泥水平衡模式頂進能有效排出刀盤渣土、減小刀盤油壓和防止刀盤泥餅的形成。控制頂進速度和刀具貫入度,降低泥水比重。泥水含土量與粘度超過要求時及時更換清水循環頂進,泥水中超細顆粒采取壓濾處理。

粉質黏土頂管頂進參數

4.雜填土土層頂進措施

(1)雜填土條件下長距離頂管防止失穩、保證工程質量措施

①針對雜填土的特點,采用設備改造等手段設計合理的注漿減摩方案減小摩阻力。

②縮短中繼間之間的距離減小摩阻力。

③減小管道偏斜,在頂進施工時做好監測方案,做到邊施工邊監測,基于雜填土的不均勻性特點,一定要提高監測頻率。

④采取合理的糾偏措施,基于雜填土的不均勻性特點,一定要提高隨時糾偏頻率,同時提高糾偏精度,降低需要糾偏的誤差值標準。

⑤減小中繼間的偏斜,保證管道的偏斜在合理范圍內。

⑥采用鋼承口管橡膠圈接口,它的最大張角可達30左右,也不會產生接口滲漏,可靠性較好。

(2)雜填土條件下大管徑泥水平衡頂管質量保證措施

①針對雜填土及管徑的特點,采用設備改造等手段在合理范圍內適當提高注漿量,減小頂進滑行阻力。

②提高了中繼間布置的可靠性,縮短了中繼間間距,減小頂力,當總推力達到設計推力的50%,安裝第一個中繼間,以后當總推力達到設計推力的70%時放置第二個中繼間。

③雜填土具有空隙大、材質分布不均勻,存在跑漿(漿流入雜填土內部)的現象,常規的注漿量不能滿足該工程的注漿需要,因此,應提高注漿量。

④增加注漿孔密度。雜填土土體材質不均勻性、空隙大,增加了注漿孔的數量,常規土體進行施工時,注漿孔的數量為每三節相鄰管材設一節有注漿孔的管子,每根管材長2.5米,因此常規土體注漿時注漿密度為每7.5米設一組注漿孔,由于雜填土的特點需要提高注漿量,本項目注漿孔數量為每兩個相鄰管材設置一節有注漿孔的管子,即注漿密度為每5米設一組注漿孔。

⑤增大注漿機注漿能力。由于注漿量的增大,為了保證注漿壓力的均衡,必須增大注漿機的注漿能力,本項目注漿機由原來的揚程為100m 的UBH 型螺桿泵注漿機更換為揚程為300m 的1-1B型螺桿泵注漿機。

⑥測量控制管理技術。基于雜填土的不均勻特點,根據前文提出的雜填土條件下長距離大管徑泥水平衡頂管成套技術方案。提高高程與軸線偏差的測量頻率,對于管道軸線控采用紅外線經緯儀測量,為糾偏提供依據,管道高程則采用,水準儀,每節管道測量2個點。

結束語

綜合分析現有研究成果可以知道,在基于非開挖頂管施工技術在城市地下管道網絡技術系統的施工過程中,要嚴格遵照執行施工技術操作規程,控制各項施工技術參數。參與施工人員必須全面系統地學習和掌握非開挖頂管施工技術的基本理論和技術,全面考量各類影響因素,積極開展基于施工技術細節層面和技術參數層面的調整優化,提升總體施工效率和施工質量。