弱膨脹黏土地層污水管道頂管管節裂縫控制技術研究

羋韶輝 張魏巍 楊 軍 孔祥寶 張 虎

(安徽省交通航務工程有限公司,安徽 合肥 230000)

0 引言

以爐橋污水廠管網施工為背景，全面分析了頂管施工過程中穿越弱膨脹土地質條件下產生裂縫的問題，并針對產生的裂縫進行研究解決，為同類工程施工提供參考方向。

1 工程概況

1.1 管網設計概況

前進路：頂管長度687m，管徑DN1200，頂管工作井9座。

南二環：頂管長度188m，管徑DN1200，頂管工作井2座。

華塑大道：頂管長度431m，管徑包括DN1200和DN1000兩種，頂管工作井7座。

淮溪大道泵站段：頂管長度51m，管徑DN800。

富民路：頂管長度613m，主管路503m，支管110m。主管管徑DN600，支管管徑DN500，頂管工作井18個。

管材要求：采用Ⅲ級鋼筋混凝土承插管，橡膠圈接口，承插連接。工作井封底及頂管管道均落于第2層粘土，工作井采用沉井方式施工。

1.2 水文地質條件

第一雜填土層，工程性質差，不宜直接作為基礎持力層；第二層粘土層，厚度大、工程性質好，地基承載力特征值為200kPa，具有弱膨脹潛勢。

地下水：第一工程地質層雜填土層結構疏松，滲透性強，淺部填土層地下水水量較小，地表水一般較大；第二層滲透系數小、滲透性差，地下水水量一般較小，但降雨和地表片流水對坡體具有破壞性危害。

2 研究部署

本次研究路段選擇華塑大道和前進路兩個不同的路段頂管施工作為課題內容的研究，通過研究頂管施工過程中地下水對弱膨脹黏土的影響，長距離與深埋的頂管施工過程中出現管道軸線偏移問題及膨脹黏土對管道的摩擦力和擠壓情況下對管節端頭破損等產生裂縫的破壞問題，確定弱膨脹黏土地層市政污水管道頂管管節裂縫控制技術的措施，為后續大面積施工提供依據和指導。

3 施工要求

(1)施工前做好地質勘測及資料審核復查，摸清工程施工范圍內的地質、水文環境，尤其是透水砂層的涉及部位。

(2)實行技術交底制度，施工前確保現場每一位一線施工人員及工人均熟知施工工藝要求、操作要點及質量標準，做到全面交底，簽字存檔。

(3)為確保整體施工工藝水平達到圖紙設計水平和質量驗收要求，在項目開展大面積施工前，需要進行試驗段施工，通過對試驗段的檢查、驗收和總結，確定各項施工參數，明確施工質量標準，避免大面積不合格造成返工損失，同時將樣板質量作為工程驗收的標尺和根據。

(4)嚴格執行自檢、互檢、專檢等“三檢制”，并做好書面記錄以備查。對于不合格的上道工序，而又未被發現時，負責下道工序施工的負責人和一線工人負有相同的質量責任。

(5)做好保護工作，在施工過程當中對易受污染、損壞的成品，安裝提醒標識標牌。做好各項防護措施，并由材料員負責檢查巡視，發現問題，及時整改和處理。

(6)為防止機頭下沉，在頂管機穿越工作井時，要提前設置一定的向上角度，管道下部要設有支撐，加強各管節之間的連接關系，頂管機推進過程中應保持一定的速度，不可停滯或延誤，避免管內的土體長時間暴露。

(7)在機具出洞施工前期，由于頂管周邊的摩擦力和與導軌間的摩擦力的總和小于頂管機正面主動土壓力，為避免頂管機產生扭力破壞，可在頂管機的雙側各焊上一塊擋板，擋板底面與導軌面齊平。

(8)管節在頂進過程當中，因為部分漿液會流失到土層中，因此每間隔一段時間必須進行重新補漿，注漿壓力根據采用漿液的粘度和管路長度綜合計算確定。

(9)為有效提高化學泥漿的黏稠度，增加泥漿的排渣能力，PH值應控制在8～11，黏度控制在28～32s，在工程施工結束后，在泥漿池中添加適量的氧化劑，使其與泥漿充分混合，待泥漿完全降解后即可排放。

(10)頂管穿越現有道路橋梁隧道時，應提前檢測設備性能是否完好，確保穿越頂進過程中一次成功，不影響現有交通運輸。同時，在頂進過程當中應加強對監控量測，做到發現問題實時改正。

4 安全要求

(1)嚴格按照平面布置圖布置現場，設置高度不低于2m的連續硬質圍擋，并設置大門，大門應關閉上鎖，防止非施工人員進入現場。圍擋外側設置安全警示標志，夜間設警示燈。

(2)加強井口臨邊防護，設置防護欄桿，并在井口位置設置水平防護網；上下鋼梯出入口位置，欄桿柱距縮小至1.5m，以保證防護欄桿能經受人群擁擠、物件碰撞的外力，護欄上掛安全網，工作井四周要掛相應的警示標語。

(3)吊車、起重設備的操作和指揮人員必須持有效證件，經考核合格后方可上崗。吊車及起重設備應停放在工作井安全距離以外，避免對工作井造成破壞和發生機械傾翻問題。

(4)利用吊車吊運物體時，必須確定吊運噸位的配備，對吊運的索具進行安全計算，合理配置。

(5)設備在使用中應按規定定期保養和檢查維修，由特定人員操作機電設備，服從用電安全操作規程，避免過負荷作業。

(6)加強對周邊建筑物和穿越道路的日常巡查，重點巡查裂縫、沉降等。有特殊情況及時上報處置。

(7)工作井必須設置工人上下爬梯，且爬梯需增加保護罩，工作井完成后安裝標準爬梯，并經安全部門驗收合格后方可投入使用。

(8)現場臨時用電應符合三級配電兩級保護要求。配電箱應按照規范進行裝配，保護裝置齊全、靈敏、可靠，并設置在干燥、通風的常溫場所。

5 影響因素分析研究

5.1 通過控制地下水減小弱膨脹黏土對頂管頂進的阻礙

5.1.1 潤滑泥漿中的水在膨脹土中對頂管的影響

本工程施工頂管管徑最大為1.2m，只適用泥水平衡頂管方法施工，由于膨脹土吸收水分之后體積膨脹，對管道的壓力增大，摩擦力也隨之增加，施工效率降低，且施工完成之后管道四周土體水分散失之后，膨脹土又會收縮引起土體沉降，導致管道破損滲水。所以，在施工之前就要考慮泥漿被膨脹土地質吸收之后對頂管施工的影響，一般的解決方法是在頂管施工完成之后通過注漿孔進行注入水泥漿或者水玻璃等加固材料，因為土體遇水膨脹，顆粒間隙增大，需要注入的加固漿液也會增多，無形之中又會增加施工成本，所以如何避免或降低膨脹土吸水率就成為了重中之重。

根據2020-2021年在G329繞城段新建工程樁基施工過程中，對化學泥漿輔助旋挖鉆泥漿護壁灌注樁施工技術研究結果可知，化學泥漿相較于傳統膨潤土泥漿而言，除了具有膨潤土泥漿的性能之外，同時化學泥漿又具有其相應的特有性質，如具有很強的吸附能力，在土層表面形成結構性溶劑水化膜，防止自由水滲透，降低失水量[1]，且化學泥漿在使用過程中綠色環保無污染，符合社會發展需求和可持續性發展理念，相對施工成本更低，效果也更好。

5.1.2 地下土層中的水位對阻礙膨脹土層頂管的影響

隨著季節的不同，地下水位也在不斷地變化，膨脹土遇水膨脹失水收縮，膨脹土層對管道的影響主要集中于土質交接變化的部位，對于本工程而言，管道所處土層均為弱膨脹土，地質單一，所以最容易出現問題的部位是在工作井兩端管道連接處，工作井重量大，受土層變化影響小，而管道受影響較大，工作井與管道的連接為剛性連接，隨著土體進行上下起伏的同時會造成接口松動開裂，出現滲水等情況。

為保證接口處的連接不受擾動或擾動之后不出現質量問題，可以在工作井洞口內預留部分管道與溜槽混凝土澆筑形成一個整體，確保第一節管道與工作井之間不發生擾動；同時工作井洞口處采取剛性連接，出洞之后的管節接口之間采用橡膠圈進行柔性連接，通過橡膠圈抵消土層膨脹收縮作用對管道的影響，同時也能保證接口的密封性[2]。

5.2 避免頂管施工過程中管道軸線偏移的情況

5.2.1 膨脹土遇水膨脹影響

在頂進過程中，地下土層吸收泥漿里面的水分膨脹，由于管道四周接觸面吸水情況不同，土體體積不均勻增加，導致頂管阻力受力不均勻，形成導向偏差，造成管道軸線偏差[3]。

本工程頂管直徑較小只適合泥水平衡方法施工，地下弱膨脹黏土層不可避免地被泥漿包裹，此時應按照“勤測量、勤糾偏、微糾偏”的操作原則進行糾偏，循序漸進地頂進，控制管道偏移在規范允許范圍之內；同時采用激光攝像糾偏措施，利用視頻監視系統和數據狀態監視系統，將接收到的信號和數據反映在顯示屏上，對比分析頂管機頭偏移情況，如果偏移量超出允許范圍值，可通過控制室糾偏，調整油缸頂力控制其伸出長度，實現機頭偏移回到預定線路位置。

5.2.2 頂進設備安裝精確度不夠

頂管頂進設備的安裝精確度是決定本次頂管施工研究內容精確度的前提條件，在頂進設備安裝及后續施工過程中，如果盾構機刀盤軸線與管道軸線不在一條直線上，在管道頂進施工過程中會導致產生管道扭轉，在頂進過程中使管道發生扭力破壞。

為保證頂進設備安裝精確度，應盡可能地采用提前組裝好的整體設備，以減少設備安裝之間的累計偏差。在設備安裝之前，按要求對頂管過程中涉及的各類儀器設備進標定或鑒定，合格之后方可使用。對超過使用年限或淘汰的儀器設備杜絕進場，頂管設備安裝完成之后，報測量負責人進行驗收，獨立進行不少于兩次，且測量均合格之后方可開始頂進。

5.3 解決管節端頭破損或產生裂縫的問題

5.3.1 管材質量不合格導致的破損或裂縫

管材本身質量是決定頂管施工質量的首要因素，具體包括管材強度不達標、外觀質量不合格、管身存在裂縫或孔洞以及吊裝運輸不規范導致的管節邊口破損等現象[4]。

加強對預制管道生產廠家的監督和檢查，管材進場之后，由材料員通知質檢員、試驗員及現場施工員共同對進場的材料進行檢查驗收，凡驗收不符合設計和規范要求的，禁止進場使用。

5.3.2 油頂頂力偏大導致的破損或裂縫

根據管材強度，計算最大頂力，在最大頂力范圍內，根據土質情況和頂管距離，合理設置油頂頂力，并通過管道注漿孔注入調配好的化學泥漿，增加潤滑作用，減小管材與土體間的摩擦力，防止油頂頂力突然增大，同時安排專人值守控制室，發現問題及時檢查糾正。

5.3.3 受力不均勻導致的破損或裂縫

采用泥水平衡方式施工，在頂進過程中管道四周土層吸收泥漿中的水分導致土層遇水膨脹，但由于存在吸水膨脹的不均勻性存在，引起管道軸線發生偏移，導致管節接口處接觸面變小應力集中，管口處造成破損或裂縫，控制室值班人員應勤觀察、多測量、勤糾偏，發現問題及時解決，禁止施工過程中無人值守的情況出現。

頂進施工時未使用頂鐵或其剛度較低、變形，致使油頂頂進力不能均勻地分布在所頂管節的端口處，也會引起管節接口處應力集中，導致端口出現破損或裂縫，針對此種情況需要安排專人負責沉井內管節的安裝工作，確保頂鐵安裝完成之后再發出繼續頂進的指令。

6 結 語

(1)選用的合理化學泥漿代替膨潤土泥漿，以及在工作井洞口內，預留部分管道與溜槽混凝土澆筑形成一個整體，可以有效地降低地下水，減小弱膨脹黏土對泥水平衡法頂管施工頂進過程中產生裂縫的影響。

(2)采用激光成像技術，通過勤測量、勤糾偏、微糾偏的措施和提高頂管設備安裝精確度的控制，在一定程度上避免頂管施工過程中因管道軸線偏移所導致的管節開裂影響。

(3)通過加強材料檢查驗收，合理設置油頂頂力及使用剛度較高頂鐵代替油頂直接和預制管節接觸，可大大降低管節端頭處出現破損或產生裂縫。

(4)本次頂管研究段施工完成后，經檢測，各項技術指標均滿足設計及規范要求，此次技術研究是對技術管理人員的一次有效鍛煉，并得到弱膨脹黏土地層市政污水管道頂管管節裂縫控制的措施和經驗，為后續頂管施工創造了條件，同時也為公司提供了相關的人才和技術的積累。