復雜管線環境下頂管法施工在智慧城市建設中的應用

肖 敏

(亳州市重點工程建設管理服務中心,亳州 236800)

隨著城市化進程的快速發展,智慧城市建設在地下綜合管廊建設、地下管線改造、城市供水管網建設、城市燃氣管道建設等方面得到了快速發展,城市地下空間的管線網絡越來越復雜,傳統的開挖施工方式往往需要大面積的地面掘進,給城市交通和居民生活帶來極大的不便和干擾[1]。頂管法作為一種非開挖施工技術,可以最大限度地減少對地表和現有管道的破壞,大大減少了對交通和環境的影響,可以實現地下管道的快速建設和優化,提高施工效率和安全性,提高管網設施的可持續發展水平[2-5]。因此,研究頂管法施工在智慧城市建設中的應用對于推動城市管網設施的建設和升級具有重要意義。

1 工程概況

湯遜湖污水處理廠尾水排江工程為智慧城市水網工程建設的重要內容,主要為削減污水處理廠尾水入湖污染,新建尾水排江管道將尾水從污水處理廠排至東港,再轉至巡司河后入江。工程范圍起點為湯遜湖污水處理廠,途經濱湖路、武大園路、華師園北路、華師園一路、華師園路、湯遜湖,止點為東港,起止樁號為K0+144.21～K11+047.73,全長約10.8 km。線路主要分為陸地段和穿湖段,全線管道施工以頂管方式為主。陸地段含少量明挖段,陸地段采用雙排DN1 240×20 mm焊接鋼管頂進,總長約7.06 km;穿湖段采用D4 000鋼筋混凝土管頂進,總長約3.77 km。全線共43座豎井均采用沉井法施工。陸地段豎井編號W1(W2合并:K0+148.6)～1#(K6+514.172)、4#(K10+287.99)～W45(K11+047.73),井深約5.8～16.6 m,管埋深大約7～11 m;穿湖段豎井編號1#(K6+514.172)～4#(K10+287.99),井深約19.6～25.2 m,頂管埋深9.2～17.2 m。項目主要包括頂管施工、沉井施工、電氣及自控設備安裝,主要工程量如表1所示。

表1 頂管施工主要工程量

2 場區工程地質條件

工程場區內由上而下主要由7個單元層構成:第一單元層為人工填土(含現狀道路及路基)及湖積淤泥層;第二單元層為一般黏性土、淤泥質土層;第三單元層為老黏性土、老黏性土夾碎石以及黏質砂、礫卵石層;第四單元層為紅黏土及紅黏土夾碎石;第五單元層為泥質粉砂巖、角礫巖;第六單元層為灰巖;第七單元層為炭質泥巖、灰巖等。

3 頂管機械設備的選型

穿湖段采用D4 000 mm鋼筋混凝土頂管,頂管內徑4.0 m、外徑4.8 m,共分3段頂進,頂進長度分別為725 m、1 540 m、1 509 m,設工作井、接收井共4座,1#、3#、4#為始發豎井,平面凈尺寸為Φ13 m,2#接收豎井平面凈尺寸為Φ8 m。

1#(K6+514.172)～2#(K7+238.547)井段:頂管穿越地層上軟下硬,管道上部主要分布有粉質黏土夾粉土、黏質中細砂,底部主要為強風化、中風化泥巖。

3#(K8+778.663)～2#(K7+238.547)井段:頂管穿越地層3#(K8+778.663)～K8+320主要有黏土、粉質黏土、粉質黏土夾粉土,在K8+320為軟硬交界處;在K8+320～2#(K7+238.547)上軟下硬,管道上部主要分布有黏土、粉質黏土、粉質黏土夾粉土,底部主要為強風化泥質粉砂巖。部分段穿越黏質中細砂、礫卵石層。

3#(K8+778.663)～4#(K10+287.99)井段:頂管穿越地層黏土、粉質黏土、淤泥質粉質黏土。

根據頂管機穿越不同地層對刀盤進行合理選型,穿越黏土層頂管機正面刀盤主要布置刮刀;對于穿越巖層地段頂管機正面刀盤合理布置滾刀、刮刀等刀具,刮刀進行切削巖層,能夠滿足在巖層中掘進需求[6]。根據相關資料查閱,該工程頂管段埋深在7～16 m范圍變化,湖泊規劃控制常水位17.65 m,對頂管施工存在較大影響。根據各頂管段所穿越土層的情況、湯遜湖水位以及《給水排水工程頂管技術規程》(CECS246),并結合安全、進度、經濟等因素綜合考慮,選用泥水平衡施工工藝[7]。

陸地段長約7.1 km,布置雙排2-DN1 240壓力管,材質為焊接鋼管,管道凈間距1.2 m。壓力管埋深大約7～11 m變化,根據相關資料查閱,大部分屬于淤泥質粉質黏土、粉質黏土、黏土、黏土夾碎石等地層,地下常水位較高,對頂管施工存在影響。根據各頂管段所穿越土層的情況、地下水位以及《給水排水工程頂管技術規程》(CECS246),并結合安全、進度、經濟等因素綜合考慮,選用泥水平衡施工工藝。

在《語言、語境和語篇》（Halliday&Hasan 1985）一書中，Hasan擴大了銜接概念的覆蓋范圍，把銜接分為非結構銜接和結構銜接。非結構銜接中的成分銜接包括指稱、省略、連接詞語和詞匯銜接。結構銜接是指平行對稱結構、主位—述位結構、已知信息—新信息結構。

4 頂管法設計計算與施工技術

4.1 頂管法設計計算

為了保證頂管的順利進行,需對頂管頂進力、中繼間、管道抗浮穩定性等進行計算,其中頂管頂進力的計算最為復雜,其主要的計算流程如圖1所示[8]。

DN4 000鋼筋混凝土頂管,管道最淺埋深為8 m,總推力計算方法如式(1)所示。

F=F1+F2

(1)

式中,F為總推力,kN;F1為迎面阻力,kN;F2為頂進阻力,kN。

其中

F1=π/4×D2×(P+20)

(2)

P=K0×γ×H0

(3)

F2=πD×f×L

(4)

式中,D為管外徑,取4.8 m;P為控制土壓力,kPa;K0為靜止土壓力系數,取0.65;H0為地面至頂管機中心的厚度,取最小值10.5 m;γ為土的濕重量,取1.8 t/m3;L為最長頂距,穿越土層取值725 m、1 540 m、1 509 m;DN4 000頂管穿越土層為黏土,f值可直接取20.0 kN/m2和10 kN/m2。

由此可得迎面阻力和頂進阻力為

P=0.65×1.8×10.5=12.285 t/m2

(5)

F1=3.14/4×4.8×4.8×(12.285+20)=583.919 t

(6)

F2=3.14×4.8×20×725=218 544 kN=21 854.4 t

(7)

F2=3.14×4.8×10×1 540=232 108.8 kN=23 210.88 t

(8)

F2=3.14×4.8×10×1 509=227 436.48 kN=22 743.648 t

(9)

取泥水平衡頂管施工段最大的頂進阻力進行驗算得知,總推力F分別為22 438.32 t、23 794.80 t、23 327.57 t。

(10)

式中,Fdc為混凝土管允許頂力,N;φ1為混凝土材料受壓強度折減系數,可取0.90;φ2為偏心受壓強度提高系數,可取1.05;φ3為材料脆性系數,可取0.85;φ5為混凝土強度標準調整系數,可取0.79;fc為混凝土受壓強度設計值,N/mm2;Ap為管道的最小有效傳力面積,mm2;γQd為頂力分項系數,可取1.3。

DN4 000鋼筋混凝土管f=23.1 MPa,Ap=5.526 4 m2。經計算,混凝土管道允許頂力設計值為49 923.5 kN>F=23 794.80 t,管道結構滿足受力要求。由此得知:頂管總推力F=22 438.32 t>N=20 000 t、F=23 794.80 t>N=20 000 t、F=23 327.57 t>N=20 000 t,不滿足頂管機頂升力要求。根據《GB 50268—2008給水排水管道工程施工及驗收規范》,需設置中繼間。

中繼間設計允許頂力按24 000 kN估算,頂進長度最長為1 540 m(DN4 000),據《給水排水工程頂管技術規程》 CECS246—2008相關公式,計算中繼間個數如式(11)所示。

(11)

同理,可求得頂進長度最長為725 m(DN4 000)、1 509 m(DN4 000)的中繼間個數均為13個,由此可知,整個頂管段共需設置13×2+14=40個中繼間。

管道抗浮穩定性計算時,管頂豎向壓力計算如式(12)所示。

p=γH1-γsatH2-γwHw=10.5×20-20.5×0-10×10.5=105 kN/m3

(12)

頂管管節自重為G=γ×π×D0×t=143.69 kN/m,滿足抗浮要求。

4.2 頂管法施工技術

泥水平衡頂管機頂進系統主要由主千斤頂、主頂油泵、頂鐵、掘進機頭、進排泥系統、泥水分離裝置以及微機操作室等設備組成。頂管施工時,在主頂千斤頂推動管道向前進。推進過程中通過頂管機的刀盤切削土體,切削下來的土體擠壓在泥土倉內,通過刀盤的轉動攪拌均勻進入泥水倉與進漿管送入的泥漿攪拌成濃的泥漿,再通過排漿管道將濃泥漿排出機頭。泥水平衡頂管施工工藝流程如圖2所示。

在開始頂進前,確保洞口止水圈已正確安裝、導軌安裝就位且偏差符合要求,全部設備經過檢查并試運轉。因頂管工作井、接收井四周大部分為素填土、淤泥質粉質黏土,且存在地下水,需對頂管進出洞口外圍土體進行加固處理。進出洞口采用三軸攪拌樁加固土體,洞身上部加固至管節結構外3 m,下部為結構外3 m,左右兩側為結構外2 m。同時豎井外一周采用直徑1 m、間距75 cm咬合素混凝土樁進行止水帷幕。

管道初始頂進應控制推進速度,宜控制在10～20 mm/min;正常頂進時,頂進速度宜控制在20～30 mm/min。雙排DN1 200管道采用平行前后同步頂進施工,雙排頂管施工必須控制合理的縱向 間距,減少雙管相互干擾,考慮前后管錯位在30 m左右,在頂管掘進機后接入第一節管道時,頂管機尾部至少有20～30 cm處于導軌上。工作井的洞口應設置止水圈和封門板;嚴格控制工具管出洞10 m范圍內管道軌跡的偏差不大于30 mm。穿湖段長度3.77 km,采用D4 000 mm套管,套管內套壓力管采用給水用聚乙烯(PE)管D1 400 mm,用熔接方法連接。此段在施工過程中,每節PE管在D4 000 mm外套管內拖拉安裝的最大長度不應超過250 m。PE管采用拖拉的方式進行安裝,如圖3所示。

施工結果表明,采用頂管施工工藝取得了良好的經濟效果,確保了全長10.8 km頂管段的順利貫通,節約工期34 d,節約造價約5 000萬元。對頂管頂進過程中地表沉降進行現場監測,獲得最大沉降值為5 cm,各監測數據無異常,監測點無報警情況。

5 結 語

在智慧城市建設中,頂管法作為一種先進的施工技術,能夠有效解決城市地下管線繁多、交叉、密集的施工問題,為智慧城市的建設提供了可行性和可靠性的解決方案。利用先進的定位和導向技術,頂管法可以精準地控制頂管設備的位置和方向,避免對周圍環境和管線的損壞,提高了施工的精度和可控性。通過頂管法在湯遜湖污水處理廠尾水排江工程中的應用研究,進一步推動頂管法施工技術的創新和發展,可以為智慧城市的建設提供更加可靠、高效的解決方案,實現城市基礎設施的優化和升級。相信隨著智慧城市建設的不斷推進,頂管法施工將在未來的城市發展中扮演越來越重要的角色,為人們創造更加美好的生活環境。