安關(guān)峰 王譚

(廣州市市政集團(tuán)有限公司 510060)

引言

隨著現(xiàn)代化城市的快速發(fā)展，城市建設(shè)用地日趨緊張，愈來(lái)愈多的市政公共設(shè)施只能轉(zhuǎn)入地下進(jìn)行開發(fā)建設(shè)，頂管技術(shù)作為一種非開挖地下管道鋪設(shè)的施工技術(shù)，近年來(lái)得到了快速發(fā)展[1-3]。 然而，在施工過(guò)程中，頂管段不可避免地會(huì)穿越富水深厚砂層、全風(fēng)化泥巖、上軟下硬等不利地層。 一方面給頂管施工帶來(lái)了難度，另一方面造成頂管工作井及進(jìn)出洞口涌水涌沙，導(dǎo)致地面塌陷，帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失與不良的社會(huì)影響[4-6]。

石井河上游截污渠箱工程是貫徹執(zhí)行廣東省政府《南粵水更清行動(dòng)計(jì)劃(2013 -2020 年)》，為提高廣州市白云區(qū)石井河上游(均禾涌、夏茅涌)區(qū)域的污水和初雨收集率的重點(diǎn)項(xiàng)目。 工程包括夏茅涌截污管渠、均禾涌截污管渠、進(jìn)廠總管和尾水排放管等4 個(gè)子項(xiàng)。 管渠長(zhǎng)度合計(jì)18.2km，入流設(shè)施 18 座，截污閘 16 座。 本文將結(jié)合石井河上游截污渠箱工程中的頂管施工，針對(duì)富水砂層、上軟下硬地層中頂管工程的施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，重點(diǎn)探討了頂管設(shè)備選型、工作井止水、頂管進(jìn)出洞止水、頂進(jìn)測(cè)量糾偏以及管節(jié)焊接技術(shù)等，并提出相應(yīng)的解決方案。

1 工程概況

石井河上游截污渠箱工程頂管施工分為F、H、I、J、P 線 5 個(gè)標(biāo)段，約 9.2km。 圖 1 中 F 線長(zhǎng)度917m，H、I 截污管長(zhǎng) 2050m，J 線進(jìn)廠總管長(zhǎng)2050m，P 線尾水排放管長(zhǎng)為 2032m，J、P線兩區(qū)段頂管平行分布，為雙層頂管。 管材采用DN2200 鋼管、DN3000 鋼管以及 DN3600 鋼套管內(nèi)襯DN3000 鋼管三種類型，工程采用泥水平衡機(jī)械頂管施工。

圖1 頂管沿線平面布置Fig.1 The diagram of the pipe du ct

頂管所在場(chǎng)地的土層主要為素填土＜1 -0 ＞、粉質(zhì)粘土 ＜1-3 ＞、粉砂 ＜1-4 ＞、中砂 ＜1-5 ＞、礫砂 ＜1 -6 ＞ 、強(qiáng)風(fēng)化泥巖 ＜3 -2 ＞ 、中風(fēng)化泥巖＜3 -3a ＞，各土層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。 由于場(chǎng)地內(nèi)砂層平均厚度約4m ～12m，地下含水量豐富。 頂管工作井、頂管端頭止水均是施工過(guò)程中控制的要點(diǎn)。 本工程共設(shè)置頂管工作井35 個(gè)、接收井31 個(gè)，工作井直徑10m，采用沉井法或逆作法施工。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physico-mechanical parameters of soil

2 工程施工技術(shù)難點(diǎn)

(1)頂管穿越地層分布有砂層、粉質(zhì)粘土層、泥巖層、上軟下硬復(fù)合地層，頂進(jìn)施工控制要求嚴(yán)格，其中粉質(zhì)粘土及泥巖中粘粒含量多，粘度大，非常容易造成刀盤結(jié)泥餅的情形，直接影響頂管掘進(jìn)。

(2)在深厚富水砂層地區(qū)，采用水泥土攪拌樁或旋噴樁作為止水帷幕成樁效果差，跑漿漏漿嚴(yán)重，往往達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，起不到有效的止水作用，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致井內(nèi)涌水涌沙，使地面大范圍塌陷。

(3)在頂管進(jìn)出洞時(shí)，頂管工具頭與頂管關(guān)節(jié)往往會(huì)存在一定厚度的超挖空隙，一般為3cm～5cm，待工具頭穿越后，地下水、砂極易從該空隙滲出，出現(xiàn)安全事故，制約工期。

(4)本工程屬于大直徑頂管工程，管節(jié)長(zhǎng)度為6m，綜合考慮場(chǎng)地內(nèi)不利地層的情況下，工作井內(nèi)施工空間有限，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法滿足在鋼管底部設(shè)置焊坑進(jìn)行施焊，難以保證管節(jié)焊接質(zhì)量。

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 頂管設(shè)備選型

1.頂管機(jī)選型

針對(duì)本項(xiàng)目區(qū)間隧道的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、地層參數(shù)、地面和地下的環(huán)境，以及本工程粉細(xì)砂層廣泛分布等地質(zhì)特點(diǎn)，考慮采用泥水平衡式頂管掘進(jìn)機(jī)施工[7]。

泥水平衡式頂管在水壓很高以及土質(zhì)物理力學(xué)參數(shù)變化很大的條件下都能適用； 另外，頂管設(shè)備泥漿注入系統(tǒng)具有自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，能有效保持泥水壓力與地層水壓力和土壓力平衡，對(duì)排土量能進(jìn)行嚴(yán)格控制，繼而減少地面沉降。 頂進(jìn)過(guò)程中保證泥漿壓力控制在自然地下水壓的1.1 ～1.2 倍。 從頂管機(jī)頭位置注入觸變泥漿，沿頂管周邊將形成具有一定厚度(20mm ～30mm 左右)的潤(rùn)滑泥漿套，并間距10m 設(shè)一道補(bǔ)漿孔，施工中嚴(yán)格控制膨潤(rùn)土的濃度來(lái)達(dá)到最好的減阻效果。

2.刀盤刀具組合

廣州地區(qū)典型的軟硬復(fù)合地層常常會(huì)給頂管掘進(jìn)施工造成相當(dāng)大的困難，如頂管姿態(tài)難以控制、刀盤刀具過(guò)量或異常磨損、刀盤開裂與變形等。 這些困難與頂管機(jī)刀盤在復(fù)合地層中掘進(jìn)受力狀態(tài)密切相關(guān)。

根據(jù)工程地質(zhì)特點(diǎn)，本項(xiàng)目量身定做了適用于軟硬復(fù)合地層中的刀盤與刀具，具備硬巖掘進(jìn)及軟土掘進(jìn)的功能。 配置高強(qiáng)度的刀具包括破碎硬巖的滾刀、刮刀、貝殼刀以及開挖軟土的齒刀，刀盤邊緣配備了超挖刀。 刀盤刀具的設(shè)計(jì)能滿足方便和及時(shí)地進(jìn)行刀具修理和更換的要求。

值得注意的一點(diǎn)是，刀具設(shè)計(jì)中使?jié)L刀超前量略大于刮刀，這樣即使在硬巖地層條件下，滾刀發(fā)生破損時(shí)仍可保護(hù)軟刀工具。 另外，為避免頂管底部硬巖增加邊緣刀具的磨損，在同一開挖軌跡上布置有兩把邊緣滾刀，并配合使用二次破碎裝置，大大提高了刀具壽命。 實(shí)踐證明頂管頂進(jìn)非常順利，表明刀盤刀具的設(shè)計(jì)形式是非常適應(yīng)于該項(xiàng)目的地層情況的，這對(duì)類似地質(zhì)情況下的刀盤選擇有重要的參考作用。

3.結(jié)泥餅處理措施

通過(guò)增加刀盤開口率以及在泥土倉(cāng)設(shè)多個(gè)高壓水孔來(lái)去除刀盤結(jié)泥餅現(xiàn)象，其中噴射高壓水能有效減少粘土在刀盤上形成泥餅的情況。 當(dāng)有大塊土體或塊石進(jìn)入頂管機(jī)泥土倉(cāng)時(shí)，經(jīng)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)被軋碎成小塊土體，經(jīng)泥水倉(cāng)被泥水循環(huán)管道帶走。

3.2 頂管始發(fā)井止水技術(shù)

保證始發(fā)井不漏水一直是設(shè)計(jì)與施工中需要關(guān)心的一個(gè)重要問(wèn)題[8]。 本工程現(xiàn)場(chǎng)砂層深厚，達(dá)10m 以上。 且地下水位較高，在工作井施工時(shí)(逆作法)，由于較高的水頭壓力作用使得砂層從未來(lái)得及施工的工作井井壁下涌出，導(dǎo)致井外地面塌陷嚴(yán)重。 基于此，施工方、設(shè)計(jì)方、業(yè)主方等相關(guān)單位針對(duì)富水深厚砂層地區(qū)工作井止水技術(shù)的難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行探討分析，決定采用一種用于富水地區(qū)的雙重止水結(jié)構(gòu)。

首先在擬定工作井范圍內(nèi)外側(cè)施打一定數(shù)量?jī)蓛上嘟拥睦弯摪鍢丁?鋼板樁打入相對(duì)不透水層大于1m，完全阻斷工作井與外界地下水的聯(lián)系，形成第一層止水帷幕，繼而在鋼板樁帷幕和工作井井壁之間設(shè)有兩排兩兩相交的旋噴樁帷幕(圖2)。 這時(shí)鋼板樁一定程度上防止了旋噴樁在富水深厚砂層地區(qū)出現(xiàn)跑漿漏漿的現(xiàn)象，保障旋噴樁成樁質(zhì)量高，阻水效果加倍。 后續(xù)坑內(nèi)開挖時(shí)可根據(jù)工程實(shí)際情況確定是否設(shè)置降水井。

鋼板樁帷幕和旋噴樁帷幕都具有防止外圍地下水涌入井內(nèi)的功能。 兩者的組合能實(shí)現(xiàn)良好的土層加固與止水功能，在深厚富水砂層地區(qū)具有良好的適用性。 該技術(shù)也成功應(yīng)用于本工程后續(xù)工作井的施工(包括逆作法和沉井)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況良好。

圖2 工作井外側(cè)止水帷幕Fig.2 The water-resisting curtain

因采用雙重止水技術(shù)，使得鋼板樁圍護(hù)、旋噴樁及工作井井壁共同抵抗周邊土層壓力，在一定程度上可以增強(qiáng)工作井本身結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。 根據(jù)有限元數(shù)值分析計(jì)算結(jié)果，鋼板樁可分擔(dān)工作井受力占到10%。

3.3 頂管進(jìn)出洞技術(shù)

頂管進(jìn)出洞容易造成洞口位置坍塌，引起工程事故。 特別是頂管穿越深厚富水砂層地區(qū)時(shí)，對(duì)端頭加固止水要求十分嚴(yán)格，既要確保洞口土體具有一定的承載能力，也要保障洞口的止水效果，達(dá)到進(jìn)出洞口時(shí)不出現(xiàn)涌水流砂現(xiàn)象，保證施工安全[9，10]。

現(xiàn)有頂管井穿洞口止水裝置一般采用在洞周一定范圍內(nèi)施打旋噴樁、攪拌樁、袖閥管和素混凝土墻止水幕墻并加固，并在洞口位置安裝可拆式止水鋼圈，再在鋼圈上安裝止水膠圈，達(dá)到止水效果。 但是在深厚富水砂層地區(qū)，施打攪拌樁效果往往不甚理想，止水效果差。

由于頂管工具頭與頂管關(guān)節(jié)存在一定厚度的超挖空隙，一般為3cm ～5cm。 待工具頭穿越后，地下水、砂極易從該空隙滲出，嚴(yán)重時(shí)造成地面塌陷。 因此，如何選用一種簡(jiǎn)便有效的方法開展頂管進(jìn)出洞口的止水，仍屬于一項(xiàng)關(guān)鍵問(wèn)題。

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，為避免頂管進(jìn)出洞口涌水涌沙，保障頂管順利頂進(jìn)，采取一種多重的洞口止水保障措施。

所采用的第一道止水環(huán)包括預(yù)埋鋼環(huán)、橡膠圈、鋼壓板、鋼壓環(huán)和螺栓。 預(yù)埋鋼環(huán)固定在工作井預(yù)留洞口上，內(nèi)徑同預(yù)留洞口一樣大小。 將止水橡膠圈安裝在預(yù)埋鋼環(huán)上，最后用鋼壓環(huán)和鋼壓板通過(guò)螺栓壓緊(圖3)。

圖3 止水環(huán)構(gòu)造Fig.3 The waterproof ring structure

繼而在始發(fā)井預(yù)留洞口位置的一定范圍內(nèi)澆注混凝土后座。 預(yù)埋鋼環(huán)與混凝土座接觸的一面焊接有數(shù)根開叉的錨桿，并在進(jìn)出洞位置砌成平口形式。 在混凝土座的預(yù)留洞孔安裝第二道止水環(huán)，第二止道水構(gòu)造同第一止水環(huán)。 在頂管準(zhǔn)備出洞時(shí)，將工具頭推進(jìn)預(yù)留孔，這時(shí)兩道止水環(huán)中的止水橡膠圈會(huì)緊抱工具頭外殼，發(fā)揮雙重保障的止水作用。 另外，頂管工具頭外圍纏繞吸水膨脹材料(麻繩、麻絲、棉紗或者布條)，使用纏繞吸水膨脹材料的頂管工具頭進(jìn)行掘進(jìn)。 頂管工具頭進(jìn)洞后所纏繞的吸水膨脹材料會(huì)遺留在洞口以堵住頂管工具頭與管節(jié)之間所存在的超挖空隙，有效防止空隙內(nèi)漏水漏砂，為防止頂管進(jìn)出洞漏水漏砂提供第三道保障，該止水裝置構(gòu)造見圖4。

圖4 頂管進(jìn)出洞止水裝置Fig.4 The schematic entering and exiting tunnel

在深厚富水砂層地區(qū)該頂管進(jìn)出洞止水技術(shù)具有施工方便且止水效果好的特點(diǎn)。 通過(guò)在工作井內(nèi)現(xiàn)澆的混凝土座既可以增加水流的滲流路徑，又能起到加固頂管井的效用，同時(shí)纏繞頂管機(jī)頭的吸水膨脹材料可有效封堵頂管工具頭與管節(jié)之間所存在的空隙。 較傳統(tǒng)采用水玻璃或水泥漿封堵空隙更加簡(jiǎn)便快捷，止水性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)效益好。

3.4 頂進(jìn)測(cè)量糾偏

在上軟下硬復(fù)合地層中進(jìn)行頂管施工，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致頂進(jìn)偏離軸線的情況，頂管的測(cè)量糾偏工作就變得尤為重要[11]。

1.測(cè)量

管道軸向測(cè)量將高精度激光經(jīng)緯儀安置在觀測(cè)臺(tái)上，它發(fā)出的激光束為管道中心線，符合設(shè)計(jì)坡度要求時(shí)為頂管導(dǎo)向的基準(zhǔn)線。 施工開始時(shí)將頂管機(jī)的測(cè)量靶的中心與激光斑點(diǎn)中心重合。當(dāng)頂管機(jī)頭出現(xiàn)偏差，相應(yīng)激光斑點(diǎn)將偏離靶中心。 測(cè)量靶圖像通過(guò)視頻傳送到操作臺(tái)的監(jiān)示器上，從而可觀察激光斑點(diǎn)偏離靶中心圖像。 通過(guò)控制糾偏千斤頂?shù)纳炜s量，進(jìn)行頂進(jìn)方向的糾正，使頂管機(jī)始終沿激光束方向前進(jìn)(圖5)。

圖5 頂進(jìn)施工中的測(cè)量示意Fig.5 The schematic of survey in jacking construction

另外一個(gè)主要的任務(wù)是掌握好管線的高程和設(shè)計(jì)坡度要求。 在地面上把永久性水準(zhǔn)引測(cè)至井邊，通過(guò)垂直吊鋼尺引測(cè)至井下，設(shè)臨時(shí)水準(zhǔn)點(diǎn)。 再在管道內(nèi)架設(shè)水準(zhǔn)儀測(cè)至機(jī)尾部標(biāo)靶，即可知道機(jī)頭高程偏差。 此水準(zhǔn)還可從機(jī)頭測(cè)出來(lái)，閉合差按二級(jí)水準(zhǔn)控制。 為了確保機(jī)頭準(zhǔn)確進(jìn)洞，在頂進(jìn)到最后30m ～50m 時(shí)，用人工測(cè)量的方式，對(duì)管線進(jìn)行復(fù)核，做到精確放樣。

2.糾偏

頂進(jìn)施工時(shí)使測(cè)量靶中心與激光光斑中心重合。 當(dāng)掘進(jìn)機(jī)頭出現(xiàn)偏差，相應(yīng)測(cè)量靶中心將偏離光斑中心，從而給出偏離信號(hào)，通過(guò)視頻傳送到操作臺(tái)的監(jiān)示器。 如果工具頭的方向偏差超過(guò)10mm，即應(yīng)采用糾偏千斤頂進(jìn)行糾偏。

頂管機(jī)的測(cè)量靶網(wǎng)格為10mm，根據(jù)頂管機(jī)測(cè)量靶激光點(diǎn)的偏移量計(jì)算頂管機(jī)的斜率。 伸出相應(yīng)的糾偏千斤頂組，糾偏千斤頂布置見圖6，使頂管機(jī)推進(jìn)改變方向，從而實(shí)現(xiàn)頂進(jìn)方向的控制。糾正偏量應(yīng)緩慢進(jìn)行，使管節(jié)逐漸復(fù)位，不得猛糾硬調(diào)，使工具頭始終沿激光束方向前進(jìn)。

圖6 糾偏千斤頂布置Fig.6 The rectifying jack

頂管頂出穿墻洞及在長(zhǎng)度30m ～40m 范圍內(nèi)的偏差是影響全段偏差的關(guān)鍵。 特別是出墻洞時(shí)，由于管段長(zhǎng)度短、工具頭重量大，進(jìn)出洞口土質(zhì)易受擾動(dòng)等因素的影響，往往會(huì)導(dǎo)致向下偏。 此時(shí)，應(yīng)該綜合運(yùn)用工具頭自身糾偏和調(diào)整千斤頂?shù)淖饔昧狭χ行膩?lái)控制頂管方向。 糾偏應(yīng)貫穿在頂進(jìn)施工的全過(guò)程，必須做到嚴(yán)密監(jiān)測(cè)頂管的偏位情況，并及時(shí)糾偏，盡量做到糾偏在偏位發(fā)生的萌芽階段。

3.5 大直徑鋼頂管焊接

鋼管管節(jié)之間的連接采用焊接，因鋼管屬于柔性管，管節(jié)焊接的質(zhì)量直接影響到管道質(zhì)量。

現(xiàn)場(chǎng)采用標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)段長(zhǎng)6m，鋼管直徑3056mm，鋼管材質(zhì)采用Q235B 級(jí)鋼。 由于工作井施工條件有限，無(wú)法滿足在鋼管底部設(shè)置焊坑進(jìn)行施焊。 為保證鋼管焊接質(zhì)量，現(xiàn)場(chǎng)采用定制的鋼管，其底部1500mm 接口為單坡口(圖7a)，施焊過(guò)程中采用單面焊接雙面成型工藝。 其余接口為雙坡口，施焊過(guò)程全部采用雙面焊接，焊接接口樣式見圖7b 和圖7c。 施焊前將母材坡口位置打磨光滑(圖8)，確保焊縫質(zhì)量符合要求。

圖7 鋼管焊接樣式Fig.7 The style steel pipe welding groove

圖8 管節(jié)坡口示意Fig.8 The schematic diagram of the pipe groove

為了避免焊縫底部無(wú)法進(jìn)行X 射線檢測(cè)。 現(xiàn)場(chǎng)人員在焊縫接口處留長(zhǎng)約1m 螺栓連接的可拆裝軌道，方便焊縫檢測(cè)。 同時(shí)避免每次檢測(cè)都要切割鋼軌的弊端，減少工作量，保證大直徑頂管能正常施工。

4 結(jié)語(yǔ)

1.富水砂層地區(qū)進(jìn)行頂管施工，工作井與頂管進(jìn)出洞口止水是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，采用簡(jiǎn)潔有效的多重止水技術(shù)，避免工作井與洞口位置涌水涌沙，防止地面塌陷。

2.大直徑鋼管管節(jié)的焊接質(zhì)量直接影響管道的質(zhì)量，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選擇單面坡口和雙面坡口的組合形式，單坡口雙面成型和雙坡口雙面焊接工藝保證焊縫質(zhì)量。

3.由于各項(xiàng)技術(shù)、施工措施考慮充分、全面，各項(xiàng)技術(shù)、施工措施選擇得當(dāng)，管理到位，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，積累了很多成功的施工經(jīng)驗(yàn)，可供類似工程參考、借鑒。