豐巨武

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

0 引言

某引水PCCP（DN 1800）壓力管線(xiàn)工程，在穿越縣城時(shí)遇到地下供熱、供水管道密集分布區(qū)，與環(huán)城快速路距離較近，地層巖性為卵石混合土層、級(jí)配不良砂和淤泥質(zhì)低液限粉土，地下水位較高，具有強(qiáng)透水性。結(jié)合工程地質(zhì)、環(huán)境等因素，通過(guò)采取泥水平衡頂管施工方案，順利通過(guò)，保證了施工質(zhì)量、安全和進(jìn)度，而成功的關(guān)鍵是前期合理的施工方案。

1 地質(zhì)適應(yīng)性分析

探明地質(zhì)條件，是進(jìn)行頂管穿越施工方案設(shè)計(jì)的前提，地質(zhì)條件的適應(yīng)性分析是進(jìn)行施工方案比選時(shí)首要考慮的因素。

經(jīng)探明施工區(qū)域位于現(xiàn)狀河床，地面高程1 096.5～1 101.0 m，地層巖性為第四系全新統(tǒng)洪沖積（Q4pal）卵石混合土層，厚度大于10 m，局部表層為厚0～2.0 m的低液限粉土層；局部地表分布有第四系人工堆積物（QS），雜填土（灰渣）、含碎塊低液限粉土，厚度0～3.0 m。頂管深度處于-10.9～-8.0 m處，該區(qū)域內(nèi)分部卵石混合土層、級(jí)配不良砂和淤泥質(zhì)低液限粉土。地下水位處于地面以下-3.75 m，地下水位較高，頂管區(qū)域內(nèi)地質(zhì)具有強(qiáng)透水性。

據(jù)鉆孔注水試驗(yàn)資料，卵石混合層滲透系數(shù)為21.04 m/d，具強(qiáng)透水性，頂管段管道位于地下水位以下，基坑開(kāi)挖時(shí)存在基坑涌水問(wèn)題，需排水。

綜合考慮地層巖性、地下水分布，基坑涌水量等因素，同時(shí)考慮工期、投資因素，排除了土壓平衡盾構(gòu)和人工開(kāi)挖施工方案，采取了泥水平衡盾構(gòu)施工方案，靠泥水在掌子面形成的泥膜抵抗水土壓力，更能適應(yīng)砂卵石高水壓土層。

2 沉井設(shè)計(jì)

根據(jù)本工程地質(zhì)條件及頂管深度（埋深約10 m），結(jié)合類(lèi)似工程的施工經(jīng)驗(yàn)，工作井采用鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)。

沉井施工工藝流程為：施工準(zhǔn)備—地基處理—刃腳支設(shè)—鋼筋、模板安裝—沉井預(yù)制—沉井（排水）下沉—沉井封底—沉井底板。

在沉井施工時(shí)，需重點(diǎn)考慮施工降水、沉井下沉系數(shù)確定，垂直度控制以及突發(fā)涌水、涌泥等意外情況等幾個(gè)因素。

2.1 施工降水

根據(jù)本工程巖土工程勘察報(bào)告，預(yù)處理沉井位于中砂層及卵石層，該土層為不良工程地質(zhì)層，含水量極大、透水性強(qiáng)。通過(guò)基坑涌水量計(jì)算，合理選擇排水方案和排水設(shè)備型號(hào)，確保干地施工，同時(shí)可以減少沉井下沉過(guò)程中浮托力。

在施工降水過(guò)程中，當(dāng)?shù)貙雍猩皩踊蛴倌鄬訒r(shí)，在降水過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)涌泥、涌砂突發(fā)情況，需注意控制排水強(qiáng)度，防止抽水過(guò)快而造成邊坡自穩(wěn)時(shí)間不足，沉井周邊邊坡坍塌、地面沉降，造成沉井難以下沉或不均勻沉降。這種情況，需采取沉井周邊注漿或打設(shè)鋼板樁，保持沉井周邊邊坡穩(wěn)定。地質(zhì)災(zāi)害的處理費(fèi)時(shí)費(fèi)力，工期也難以保證。

2.2 刀盤(pán)選擇

在進(jìn)行刀盤(pán)選擇時(shí)需考慮刀盤(pán)開(kāi)口率和孤石處理兩個(gè)因素。結(jié)合砂卵石地層特點(diǎn)和泥漿泵出渣要求，刀盤(pán)開(kāi)口率不宜過(guò)大，因此在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，刀盤(pán)開(kāi)口率控制在20%左右；另一方，考慮到施工中可能遇到大的孤石的情況，為了避免卡機(jī)現(xiàn)象，需要選擇帶孤石破碎裝置的刀盤(pán)。

2.3 沉井下沉

根據(jù)沉井下沉高度，采取分次制作、一次下沉，制作時(shí)應(yīng)保證其穩(wěn)定性，使沉井能在自重下順利下沉，其下沉系數(shù)K不小于1.15，可按下式計(jì)算：

式中：G——沉井自重及附加荷重；

H——沉井下沉深度；

L——沉井外部周長(zhǎng)；

f——單位面積摩擦力的平均值，一般取1.5 t/m2；

為保證沉井的均衡下沉，挖土?xí)r采用先中間后周邊的鍋形開(kāi)挖次序，周邊刃腳以下嚴(yán)格按均勻?qū)ΨQ(chēng)開(kāi)挖的原則。每層挖土厚度為0.4～1.5 m，具體深度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)情況選定，在開(kāi)挖過(guò)程中，要經(jīng)常注意井壁的垂直度和測(cè)量井面的標(biāo)高，如發(fā)現(xiàn)沉井有較明顯的傾斜時(shí)，即采取刃腳低位處停挖或少挖、刃腳高位處多挖的糾編措施，保證沉井均勻平穩(wěn)下沉。刃腳下部土方必須邊挖邊清理。沉井內(nèi)挖出的土方用汽車(chē)運(yùn)至棄土場(chǎng)堆放。

2.4 垂直度的觀(guān)測(cè)

預(yù)先在沉井內(nèi)壁設(shè)定4個(gè)垂球，觀(guān)測(cè)垂球的錐尖是否分別在相應(yīng)位置的標(biāo)盤(pán)中心。當(dāng)沉井發(fā)生偏斜時(shí)，垂球錐尖就會(huì)偏離標(biāo)盤(pán)中心點(diǎn)，垂球的吊線(xiàn)就會(huì)偏離沉井內(nèi)壁上的垂線(xiàn)。根據(jù)垂球偏離標(biāo)盤(pán)中心及偏離沉井內(nèi)壁垂線(xiàn)的方位和大小進(jìn)行糾偏。一般情況下，每下沉一次的前后均要求做一次觀(guān)測(cè)，并作好記錄。

3 頂管軸力復(fù)核和中繼間設(shè)置

3.1 頂力估算

根據(jù)頂管施工技術(shù)及驗(yàn)收規(guī)范（GB 50268—2008）及頂管技術(shù)規(guī)程（CECS 246—2008），頂管頂力可按以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

式中：F——估計(jì)總推力；

F1——迎面阻力；

F2——頂進(jìn)阻力。

式中：D′——管外徑；

H0——覆土厚度；

γ——卵石重度。

式中：f——管外表面綜合摩阻力，卵石取1.5 t/m2；

D——管外徑；

L——頂距。

通過(guò)頂力復(fù)核，為合理選擇頂管管材等級(jí)提供技術(shù)參數(shù)。

3.2 混凝土頂管允許頂力計(jì)算

頂管管材根據(jù)規(guī)范采用Ⅲ級(jí)C50鋼筋混泥土管，單根長(zhǎng)度一般為2 m。混凝土管允許頂力計(jì)算公式：

式中：F——管道允許頂力，KN；

б——管體軸心抗壓強(qiáng)度；

K——安全系數(shù)（5～6），取5；

t——壁厚；

d——鋼筋混凝土內(nèi)徑；

L1——密封圈槽底與外壁距離；

L2——墊片與外壁預(yù)留距離（L1和L2可忽略不計(jì)）。通過(guò)頂管允許頂力復(fù)核，為是否需要設(shè)置中繼間，以及提高頂管管材等級(jí)提供技術(shù)參數(shù)。

3.3 中繼間設(shè)置

中繼間頂進(jìn)是在管道中間加裝一套中繼間管，在中繼間管上環(huán)形布置小型液壓千斤頂，利用管壁作為受力點(diǎn)將長(zhǎng)距離管道分段進(jìn)行頂進(jìn)，以達(dá)到長(zhǎng)距離頂進(jìn)的目的。通過(guò)管道的允許頂力復(fù)核，則可計(jì)算允許頂進(jìn)長(zhǎng)度，根據(jù)頂管總長(zhǎng)度合理確定中繼間數(shù)量，已滿(mǎn)足Ⅲ級(jí)鋼筋混泥土管頂進(jìn)要求。

3.4 工作坑后背受力分析

為確保安全，頂力后背反力R應(yīng)為總推力的1.2～1.6倍。

R=B（rH2Kp/2+2CHKp1/2+rhHKp）

式中：R——總推力受到的反力，kN；

B——后座墻寬度；

r——卵石容重（kN/m3），一般取22.4 kN/m3；

H——后座墻高度；

Kp——被動(dòng)土壓力系數(shù)為tg2（45°+φ/2）內(nèi)摩擦角φ取依據(jù)地質(zhì)資料合理選用；

C——土的內(nèi)聚力，kPa；

h——地面至后背墻頂部土體高度，m。

頂力后背反力R與最大頂力之比值一般取1.2～1.6倍，確保后靠背受力穩(wěn)定，防止發(fā)生較大位移變形。

4 變形監(jiān)測(cè)

4.1 管道以及后靠背的監(jiān)測(cè)

施工前對(duì)管子接頭的槽口尺寸進(jìn)行檢查，橡膠圈和襯墊板的外觀(guān)和質(zhì)地。確認(rèn)合格再在接口處均勻涂抹薄層硅油等對(duì)橡膠無(wú)侵蝕性的潤(rùn)滑材料以減少摩阻力。承插接管時(shí)加力要均勻，應(yīng)保證橡膠圈不移位，不反轉(zhuǎn)，不露出管外。

頂進(jìn)過(guò)程中加強(qiáng)管道中線(xiàn)、高程的測(cè)量復(fù)核，及時(shí)糾正管道的高程、中線(xiàn)，以降低后方頂力。同時(shí)通過(guò)加強(qiáng)后靠背位移監(jiān)測(cè)，以驗(yàn)證后靠背設(shè)計(jì)的合理性，及時(shí)采取后靠背加固措施。

4.2 周邊構(gòu)筑物的監(jiān)測(cè)

管道頂進(jìn)前，沿管道走向，在管線(xiàn)周邊的建（構(gòu)）筑物上設(shè)置沉降觀(guān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)出初始數(shù)據(jù)；在管道頂進(jìn)過(guò)程中每天早、中、晚定時(shí)對(duì)各沉降觀(guān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量；發(fā)現(xiàn)沉降超過(guò)預(yù)警值，應(yīng)立即停止頂進(jìn)，并及時(shí)采取措施進(jìn)行處理，以免造成安全及質(zhì)量事故。

4.3 管周處理

管道頂進(jìn)結(jié)束后，可由管道上的注漿孔向外注入水泥漿，由水泥漿將管道外周的空隙填實(shí)。注漿壓力控制在2 MPa；通過(guò)注漿壓力及漿液流量控制注漿量。直至注漿壓力增大，流量減少時(shí)為止。通過(guò)采取注漿措施，防止地面沉降，確保周邊地面設(shè)施安全。

5 施工安全

頂管施工存在起重吊裝作業(yè)、高空臨邊作業(yè)、交叉作業(yè)、施工用電以及突出涌泥涌水等地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，安全風(fēng)險(xiǎn)高，存在較大安全隱患。施工過(guò)程要重點(diǎn)做好以下兩項(xiàng)工作：

一是認(rèn)真落實(shí)安全生產(chǎn)責(zé)任制。施工現(xiàn)場(chǎng)必須配置專(zhuān)職安全管理人員進(jìn)行巡視檢查，加強(qiáng)對(duì)起重工、電工等特種作業(yè)人員和起重吊車(chē)、壓力表等特種設(shè)備管理。施工現(xiàn)場(chǎng)需設(shè)置安全警示標(biāo)識(shí)，配足圍擋、臨邊防護(hù)網(wǎng)等安全防護(hù)措施以及施工作業(yè)人員勞動(dòng)保護(hù)用品的發(fā)放。二是加強(qiáng)安全風(fēng)險(xiǎn)和應(yīng)急預(yù)案管理。施工前需認(rèn)真進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)識(shí)別，對(duì)存在較大安全隱患的施工作業(yè)需制定有針對(duì)性的應(yīng)急預(yù)案并組織演練，加強(qiáng)對(duì)施工作業(yè)人員的安全交底，杜絕三違現(xiàn)象。