毗鄰既有管道大口徑頂管施工技術研究

朱 國 林

(中國水利水電第十工程局有限公司,四川 成都 610036)

1 概 述

李家巖水庫項目的輸水管道工程共有4個標段,全線采用有壓重力流輸水,雙管同槽敷設,其單線總長度約為50 km。輸水管道的管材為PCCP(預應力鋼筒混凝土管)和成品防腐鋼管,混搭安裝。該輸水管道由李家巖水庫城鄉供水隧洞出口消力池處取水設施接出,由西向東北方向敷設至成都市水六廠、水七廠徐堰河取水設施,沿途經過崇州市、溫江區、郫都區和都江堰市。

由我公司承建的Ⅳ標段工程的主要施工內容包括:分水站;分水站至水六廠次輸水C段管道(C段管道分CⅠ和CⅡ段,管徑為DN 2 000 mm,單線長度為12.7 km);分水站至水七廠次輸水B段管道(管徑為DN 2 800 mm,單線長度為1.4 km)。

1.1 水文與工程地質情況

施工區域內河流眾多且分布于管道沿線各段。域內地下水為埋藏于第四系沙卵石層中的孔隙潛水,沙、卵石層為主要含水層,具有強滲透性[1]。根據場地水文地質區域資料,其沙卵石滲透系數取25 m/d。

經現場勘探測得孔隙潛水穩定水位埋深為0.5～3.9 m,其相應高程為566.60～640.52 m,地下水位自西向東呈逐漸降低趨勢。

施工段地質構造屬于新華夏系第三沉降帶,位于四川盆地西部、成都坳陷中部東側,處于北東走向的龍門山褶斷帶和龍泉山褶斷帶之間,施工區域地質構造穩定,屬于相對穩定地塊。在地質鉆孔深度范圍內所揭露的地層為第四系全新統人工填土層(Q4ml)和第四系中下更新統冰水沉積層(Q1+2fgl)。

1.2 工程頂管施工背景

該工程樁號K5+585.38～K5+674.00段原設計方案為明挖基坑放坡方式施工。但因該段原敷設有一條成都市自來水七廠至郫都區城區的DN1 400 mm球墨鑄鐵型供水管道,其為郫都區城區供水的唯一水源,故不能采取斷水施工的方式完成CI管道穿越DN1 400 mm輸水管施工。該管道與我公司施工的管道(DN2 000 mm,雙管)呈垂直相交布置,且其垂直凈空高度僅為4.6 m。根據現場實際情況,經建設方、設計院、監理、施工方多次踏勘和討論,最終由中國市政工程西南設計研究總院有限公司(設計院)出具了《李家巖水庫輸水管道工程H63號聯系單》,確定將原保護開挖施工方案變更為頂管施工,其頂管施工段樁號為:金品花卉改線0+684.58～C5+668.502。

根據住建部《危險性較大的分部分項工程安全管理規定》(建辦質{2018}31號)的規定,該工程頂管法施工屬于暗挖工程,且頂管工作坑的開挖深度超過5 m,屬于超過一定規模、危險性較大的分部分項工程,其具有以下特點:

(1)施工段位于富水沙礫石地段,其表層軟土厚度較薄,施工降排水量大,頂管施工過程中存在基坑坍塌的危險;

(2)因施工區域上方有DN 1 400 mm球墨鑄鐵輸水管道垂直布置,易脫節和破損;

(3)工作井、接收井深度達11 m,設計采用分層放坡開挖方式,土釘墻支護;

(4)頂管施工長度較長,糾偏難度大。

2 頂管施工程序及方法

2.1 頂管施工工藝的確定

地勘報告顯示:該工程頂管穿越的土層均為沙卵石層。因此,根據工程的實際情況,最終決定采用手掘式頂管施工工藝進行施工。

2.2 施工程序

施工程序:工作坑→側頂進洞口水平注漿→洞口環型加固梁施工→千斤頂后座混凝土施工→頂進機具底座混凝土澆筑→安裝導軌、千斤頂、油泵等→鋼管吊裝就位→鋼管邊頂進邊注入減阻泥漿、鋼管接頭焊接、循環頂進至完成→管道填充注漿→另一側管道頂進參照此流程至施工完成→工作井包封混凝土→工作井回填。

(1)施工降排水措施。該區域地下水豐富,地勘資料顯示:該區域孔隙潛水穩定水位的埋深為0.5～3.9 m,孔隙潛水水位的變化幅度約為1.5～2.0 m,地下水位自西向東呈逐漸降低趨勢。為保證干地施工,對地下水采用井點降水及地面明排的方式以確保地下水位在基坑底以下0.5 m。沿工作坑底部四周設排水明溝,基底對角設置兩個集水坑并配水泵以便及時排除坑內的積水;在工作坑頂部四周設置排水明溝用于排除基坑周圍的地表水。

根據降水計算結果并結合現場施工的實際情況,在管線左側布置了10口降水井,井深21 m。布置降水井時必須考慮降水時間長、降水量大等因素,降水井位置應盡量遠離埋管位置(距離埋管外側7 m),以避免降水導致的埋管位移或下沉情況出現。

(2)頂管工作坑的施工。

①工作坑的結構形式。工作坑為矩形結構,采用基坑放坡開挖形式。基坑分兩級開挖,一、二級之間設置1 m寬的馬道,頂管及接收面的開挖坡比為1∶0.5,兩側邊坡下層的開挖高度為6 m,開挖坡比為1∶1.25,上層的開挖高度視地面高程而定,開挖坡比為1∶1.5;基坑的開挖形式為:工作坑坑底尺寸為8.5 m×11 m(長×寬),接收坑坑底尺寸為8.5 m×11 m(長×寬)。基坑開挖平面情況見圖1;基坑支護側視情況見圖2。

圖1 基坑開挖平面圖

圖2 基坑支護側視圖

②工作坑的施工。

a.工作坑的開挖:采用長臂挖掘機與人工配合的開挖方式。由于開挖深度較深(上層邊坡為5 m,下層邊坡為6 m),開挖結合土釘造孔與安裝及邊坡支護,開挖、錨噴分層施作,分層高度為1.5～2 m[2]。基坑支護采用土釘墻的支護形式,土釘墻正立面見圖3。

圖3 土釘墻正立面示意圖

b.噴混凝土護面:基坑開挖采用分層開挖、分層支護的方式,先進行Φ48 mm鋼花管施工,其間排距為1 m,矩形布置,下傾15°,底層鋼花管的長度為8 m,上層長度為7 m,再進行Φ8 mm鋼筋網的掛設,間排距為15 cm,鋼筋網的搭接長度為1～2個網格,最后進行10 cm厚C20噴射混凝土施工,依次由上而下逐層施工。支護施工時在頂管口增設鋼花管,環形布置,間距1 m。

(3)穿越段加固注漿。頂管施工前,先對頂管線路采用水平注漿和地面注漿相結合的方式加固土體以增強頂進時土體的穩定,避免造成土體沉降而導致DN 1 400 mm埋管斷裂或接頭脫落的情況發生。

就近布置制漿站并在其旁邊設置三級沉淀池,廢漿液及洗管廢水經沉淀后排放或固化處理。

①穿越段DN 1 400 mm球墨鑄鐵管的復勘。在耕植土開挖與灌漿之前,必須對DN 1 400 mm球墨鑄鐵管的位置進行詳細勘查并做出標識,利用小型機械、人工配合將埋管的上覆土挖出,將埋管裸露出來并做好相應的保護和防護措施。為了防止水泥漿污染耕植土,需要將其表層1 m厚的耕植土開挖后(另行堆放)將灌漿面設置在自然地面下1 m,待灌漿完成后回填復耕。

②地面注漿工藝流程。鉆機就位→開孔→鉆孔(鋼套管)→終孔→下袖閥管→拔導管→灌漿→灌漿結束→移機。

③袖閥管注漿(地面注漿)施工工藝。地面注漿孔采用地質鉆機鉆孔,孔徑為110 mm,地面注漿范圍見圖4。

圖4 地面注漿范圍示意圖

地面注漿采用成品50型PVC袖閥管,注漿材料采用普通硅酸鹽水泥漿液,其配合比為水∶水泥=1∶1,現場可根據實際地質條件調整。注漿施工前應進行現場注漿試驗[3],以獲得達到設計擴散半徑所需的注漿施工相關參數,如注漿壓力、加壓持續時間、注漿量等。注漿宜采用全斷面注漿以確保兩管間的土體穩固。

2.3 頂管施工

(1)吊管。管道由專業廠家制作完成后采用汽車運輸至施工現場,卸車就位以吊車為主,人工配合的方式進行。管道兩端用尼龍吊帶拴好后、用25 t汽車吊吊入工作井內,起重司索工用麻繩牽引以保證管節的下吊速度均勻、穩定。管至井底時,施工人員手扶鋼管將其平穩放置在導軌上。

(2)頂進。①將頂進速度控制在30～50 mm/min。頂進前30 m和糾偏時采用低速,以后視情況適當加快頂進速度。雙管平行頂進時其距離不小于12 m,本段設定為20 m。②頂進一節套管后縮回千斤頂,拆開電、通風管路等安裝下一節套管,調正后連接各接頭,安裝頂鐵,接通電路、管線,開動油泵頂進一個千斤頂行程,再次測量、糾偏,安放頂鐵頂進,待其達到具有一節鋼管的長度時為止,重復上述流程。③頂管完成時鋼管露出坑壁的長度應不小于 0.5 m,并且要在露出的管頭下做混凝土支墩。④在頂進過程中,頂鐵上方及側面不得站人并隨時觀察。⑤頂管過程中,可以采用在管節四周灌注觸變泥漿的方式以減少阻力。

(3)頂管減阻。主要采用提前在鋼管外壁上打石蠟和觸變泥漿減阻相結合的方式。鋼管吊入工作坑前,將石蠟涂抹在管外壁,其厚度為0.5～1 mm。觸變泥漿采用膨潤土配制,膨潤土攪拌后通過管壁上預留的注漿孔注入管外壁與巖壁之間的空隙,觸變泥漿最后通過水泥砂漿置換[4]。

(4)出土與運土。

①出土。a.嚴格控制開挖范圍,管端上方可有不大于1.5 cm的空隙,特別是對于管底土基135°范圍內不得超挖。一定要保持管底壁與土基表面的吻合,也可預留1 cm厚的土層(在管子頂進過程中切去)可防止管端下沉。b.挖土必須連續作業,挖出的土要及時外運,盡量縮短出土時間。

②運土。將從工作面挖下的土通過管內的簡易小車水平運輸至工作坑后采用25 t汽車吊垂直運輸提升至地面。管內的水平運輸主要采用手推車運土,人工拖拉。小車內的土方裝入料斗后用吊車吊出工作井,在指定的地點進行臨時堆置并將其作為回填料使用。

(5)管前挖土與頂進的注意事項。管前開挖是確定管節頂進方向和高程的重要環節,是保證頂管質量及管上構筑物安全的關鍵。因此,項目部對管前挖土與頂進施工制定了以下規定:①挖土按照從上而下的順序分層開挖;②軸向挖土:土質不良時,管前的開挖尺寸不得大于30 cm;穿越障礙物時,應將管前的開挖距離控制在10～30 cm;③徑向挖土:在正常頂管段,應將管頂部分的最大超挖量控制在15 mm左右,對于管底部分135°范圍內不得超挖;對于土體下沉有要求的頂管段,其管周不得超挖[5];④頂管進入土層時,每頂進0.3 m其測量頻率不得少于一次;管道進入土層正常頂進時,每1 m測量一次;糾偏時應增加測量的次數。

(6)頂管測量及糾偏措施。

①頂管測量。a.在頂管施工過程中,軸線的控制成為保證管道安裝質量的重中之重。在頂首節管道與正常頂進的校正偏差時,其測量長度的間隔不應超過50 cm,以保證管道入土的軸線精度;管道進入土體正常頂進時,其測量長度的間隔不宜超過100 cm。頂管管道的允許偏差見表2。b.中心測量:采用激光導向經緯儀測量(即用激光束定位)。將經緯儀與洞口的激光發射器對中,將激光發射器的激光發射點定在軸線位置上。c.高程測量:用水準儀及特制高程尺根據工作坑內設置的水準點標高(洞口及頂管前管口各設一個測點)測得兩個測量點的實際高程,掌握管道的高程變化趨勢,完成與工作坑內另一水準點的閉合。d.激光測量:將激光經緯儀(激光束導向)按照管線設計的坡度和方向安裝在工作坑內,安裝好高程測量標識牌,若激光點與洞內高程標示牌中心重合,說明頂進無偏差,否則應根據偏差量進行校正。

表2 頂管管道允許偏差表

②校正糾偏。

a.超挖糾偏法:偏差量為1～2 cm時,可在管道偏向的另一側根據實際情況適當多挖20 cm左右,在偏向側需留坎20 cm左右以形成阻力,形成自然的牽引路線使其逐漸回歸到設計路線。

b.頂木糾偏法:當偏差量大于2 cm時,在第一種方法無明顯作用的情況下,可用Φ40 mm的管道對首節管道進行垂直方向的支撐并將其焊接在管道內壁;管道外側采用材質較軟且直徑不大于4 cm的圓木鑲在管道偏向的另一側外管壁與土體中,在頂進過程中配合超挖糾偏法邊頂邊支。利用頂進時斜支撐分力產生的阻力,使頂管向阻力小的一側校正。

③頂進施工允許的偏差。在頂進施工過程對管道的長度進行測量復核,根據管道的長度,每頂進2 m或每完成一根管道頂進時,必須對前一節管道的垂直和側向位置進行檢測,并將記錄的結果繪制成圖表[6],管道允許偏差及方法應符合表2中的規定。

(7)填充注漿。填充注漿孔沿管道縱向間距3 m布置,每個截面布設4個注漿孔,相互之間的夾角為90°,前后兩個截面的注漿孔交錯布置(即前后兩截面的注漿孔夾角為45°),減摩注漿孔兼做填充注漿孔。

具體的注漿材料配合比為水泥∶粉煤灰=1∶1(重量比),加水量可參考水∶灰(含粉煤灰)=1∶1,注漿壓力為0.3～0.5 MPa。

3 結 語

通過該標段頂管施工的實踐,正確地掌握了頂管施工中機械與人工配合的具體步驟,為公司及同行業頂管施工積累了豐富的施工經驗,克服了農田段深基坑頂管施工中降水難度大的先天條件,采用降水的方式控制頂管施工質量;按照前期策劃的頂管施工方案質量控制措施達到了預定目標要求,將其總變形控制在20 mm內,超過了行業施工質量,滿足了施工需要。通過我公司對該項目毗鄰其他管線復雜環境下進行頂管施工的順利實施,積累了豐富、有效的施工經驗,掌握了一套完整的同類型地質環境下進行施工的關鍵技術,為公司鍛煉出一批專業化的管理人才和技術人才,對當前城市改擴建市政管道施工技術提供了較好的施工技術指導和參考。