劉桂貽

(佛山市禪城區(qū)南莊鎮(zhèn)水利所，廣東 佛山 528061)

1 工程概況

南莊鎮(zhèn)南片區(qū)污水泵站及排污主干管工程是佛山市禪城區(qū)的重點(diǎn)項(xiàng)目，包括泵站2座，近期規(guī)模為2.5萬(wàn)t/d，遠(yuǎn)期規(guī)模為13.2萬(wàn)t/d；排污主干管1條，DN 600～1 400污水管，總長(zhǎng)為7.3 km，項(xiàng)目總投資1.059 7億元。排污主干管工程收集范圍總面積為22 km2，包括吉利村、龍津村、醒群等9個(gè)行政村自然村，總?cè)丝诩s5.3萬(wàn)人，生活和工業(yè)污水通過(guò)兩座污水提升泵站輸送到南莊污水廠進(jìn)行處理。該排污水干管工程自2014年12月開工后，由于各種復(fù)雜原因，經(jīng)過(guò)了多次設(shè)計(jì)修改施工過(guò)程中，分別發(fā)生路面沉降、大坍塌、錯(cuò)位、機(jī)頭抱緊卡住等情況。2017年7月30日21：00，W25～26號(hào)井段由于機(jī)頭被卡、管道經(jīng)過(guò)河涌等原因，頂管施工后第11天，造成入醒群工業(yè)區(qū)道路坍塌，面積達(dá)30 m2，塌落深度達(dá)2～4 m，交通被迫中斷，波及臨近倉(cāng)庫(kù)房屋，由于發(fā)現(xiàn)及時(shí)未造成人員傷害；2017年10月10日下午，W 22 ～23號(hào)井段DN 1 200重力管在頂管施工過(guò)程中，造成沿線道路地面沉降達(dá)10～75 cm，需要緊急封閉地面道路，事發(fā)無(wú)車輛經(jīng)過(guò)，后采用充填固結(jié)灌漿處理，灌入水泥55 t。因該段頂管穿越JNG高壓天然氣管、樵樂(lè)公路，此外由于無(wú)法探明舊橋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，需將原設(shè)計(jì)管道位A點(diǎn)0+428至B點(diǎn)0+543段變更管線走向，改在兩橋間狹窄的間隙中穿過(guò)，使得該段成為施工的重點(diǎn)保護(hù)段。

保護(hù)段平面布置如圖1所示。

圖1 重點(diǎn)保護(hù)段頂管平面布置示意(高程：m)

重點(diǎn)保護(hù)段工程地質(zhì)為粉細(xì)砂、中粗砂，屬透水地層，土層深2.20～11.4 m，地下水位為1.00～2.80 m，與河水有水力聯(lián)系，含水量十分豐富，滲透系數(shù)k20=3.701×10-3cm/s，為中等透水。

2 重點(diǎn)保護(hù)段存在的主要問(wèn)題

已有工程經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)頂管施工出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，僅采用加大主頂推力、快速穿越通過(guò)，往往會(huì)留下很多后續(xù)問(wèn)題，因此應(yīng)當(dāng)系統(tǒng)地分析形成問(wèn)題的原因，深入研究場(chǎng)地水文地質(zhì)條件、河道地下水位變化規(guī)律以及頂管施工對(duì)土層的影響，才能對(duì)癥下藥找出技術(shù)可行、安全經(jīng)濟(jì)的綜合治理方案。

通過(guò)進(jìn)一步分析，認(rèn)為重點(diǎn)保護(hù)段險(xiǎn)情形成的主要原因有以下幾方面：① 粉細(xì)砂土層地下水豐富，而且地下水受河道潮汐的影響大；② 頂管外管壁的粗糙系數(shù)大，增加了對(duì)周邊土層的憂動(dòng)[4]；③ 頂進(jìn)速度過(guò)快，施工時(shí)為節(jié)約成本采用普通膨潤(rùn)土，破壞了土層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；④ 進(jìn)出洞口固結(jié)水泥樁止水效果差，出現(xiàn)流砂現(xiàn)象未引起重視，長(zhǎng)時(shí)間抽水帶走砂土，造成土層失穩(wěn)；⑤ 不排水沉井施工影響靠近進(jìn)出洞段及周邊土層，致使土層完全松散，失去凝結(jié)力。

3 重點(diǎn)保護(hù)段頂管施工方案優(yōu)化

經(jīng)過(guò)拖管試驗(yàn)和水文地質(zhì)條件分析，采用如下的頂管施工優(yōu)化方案[7]：

1)調(diào)整頂管管位平面走向和縱向位置。舊橋基礎(chǔ)勘探表明，污水管頂面至河涌底的淤土厚度僅為1.5 m，因此線路避開橋基礎(chǔ)，降低坡度，減少頂管迎面阻力，防止發(fā)生地面拱起及管道上浮，采用Φ600的拖頭提前刺探勘測(cè)管道中軸線，確保頂管穿越無(wú)障礙物。

2)選取環(huán)剛度S60的玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管[6](俗稱玻璃鋼夾砂管)，同時(shí)采用穩(wěn)定性好的優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土，減少管壁與土的摩阻力。

3)采用“鋼板樁接收井”新方法，先將頂管掘進(jìn)機(jī)(以下稱工具頭)穿越到達(dá)預(yù)定“C”點(diǎn)(見圖1所示)，再打12 m鋼板樁支護(hù)成長(zhǎng)8 m×寬3 m的“匚”形接收井，并在井左右兩邊打輕型深層井點(diǎn)降水井，確保在井下安全進(jìn)行開挖吊裝工具頭及安裝玻璃鋼夾砂管。

4)將工作井洞口由原設(shè)計(jì)的攪拌樁止水改為固結(jié)成型效果好的兩排Φ500高壓旋噴樁，在洞口以兩倍管徑進(jìn)行加密，樁中間距350 mm，樁身強(qiáng)度達(dá)到2 MPa，防止液化的流動(dòng)性土或地下水由洞口進(jìn)入工作坑。

5)充分利用場(chǎng)地潮差較大的特點(diǎn)，在潮水回落時(shí)，快頂多頂，有效地降低對(duì)土的擾動(dòng)，減少破壞土層結(jié)構(gòu)，一旦洞口出現(xiàn)漏水流砂現(xiàn)象時(shí)，快速用插棍將棉塊充滿空隙，再加入堵流靈封堵，以保障土層與機(jī)頭泥倉(cāng)的泥水平衡。

4 頂管設(shè)計(jì)

重點(diǎn)保護(hù)段頂管設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為117 m，原設(shè)計(jì)管材采用鋼管，頂距超90 m，需要加中繼間。通過(guò)頂管管材優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比(見表1)，表明玻璃夾鋼砂管摩擦系數(shù)最小，可大幅度的減少頂管頂力，管道安裝連接迅速，能節(jié)約寶貴的施工時(shí)間，有效保證頂進(jìn)泥水平衡。因此改為對(duì)土體擾動(dòng)小且作業(yè)方便的玻璃鋼夾砂管，頂管坡度由原來(lái)的2.4%，下調(diào)為1.0%，覆土層深度為7.9～8.9 m。玻璃夾鋼砂管選用DN 1 000 mm管，承插接口采用雙“O”型橡膠圈密封(柔性接口)。

表1 頂管管材優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)照

4.1 頂力計(jì)算

在頂管施工前，首先要進(jìn)行頂進(jìn)機(jī)迎面阻力計(jì)算[1]，準(zhǔn)確進(jìn)行頂力計(jì)算是關(guān)系到施工能否成功的關(guān)鍵[3]，同時(shí)也可以判斷頂管材料是否能滿足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)估算總頂力大于管節(jié)頂力允許設(shè)計(jì)值時(shí)，需要設(shè)置中繼間。頂力計(jì)算公式可采用《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50268—2008)6.3.4式[1]:

FP=πD0Lk+NF

(1)

(2)

式中FP為頂進(jìn)阻力,kN；L為管道設(shè)計(jì)頂進(jìn)長(zhǎng)度,m；D0為管道外徑,m；k為管道外壁與土的平均摩阻力,kN/m2，通過(guò)試驗(yàn)確定；Nf為頂管機(jī)的迎面阻力,kN；P為控制土壓力,MPa。

重點(diǎn)保護(hù)段玻璃夾砂管外徑(管壁厚度55 mm)D0=1.110 m，頂管頂進(jìn)長(zhǎng)度按L=120 m，頂管在全風(fēng)化粉細(xì)砂土中頂進(jìn)，采用觸變泥漿減阻技術(shù)[1]，鋼管管道外壁與土的平均摩阻力取k=5.0 kN/m2[2]，玻璃鋼夾砂管可按照鋼管的平均摩阻力系數(shù)乘以0.8計(jì)算，控制土壓通過(guò)資料和經(jīng)驗(yàn)按管材料直徑選取P=0.19 MPa。

FP=3.14×1.110×120×5.0×0.8+3.14×1.110×1.110×190/4=1 857 kN。

根據(jù)廠家提供的玻璃鋼夾砂管最大允許頂力約為4 000 kN，頂進(jìn)的后座采用2個(gè)200 t的千斤頂已經(jīng)足夠，主站頂力200×2×9.8=3 920 kN>FP，滿足設(shè)計(jì)頂進(jìn)要求。在實(shí)際作業(yè)時(shí)頂管的壓力值與計(jì)算值相近，不用設(shè)置中繼間，未出現(xiàn)頂進(jìn)管段管口破壞現(xiàn)象，說(shuō)明計(jì)算參數(shù)的取值比較合理。

4.2 后背墻布置和驗(yàn)算

后背墻的布置和驗(yàn)算與頂力計(jì)算一樣重要，且旁邊有JNG高壓天然氣管線，在頂進(jìn)過(guò)程中必須要求后背墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，雖然可以借助工作井增加后座力，但如果后背墻遭到破壞，頂管作業(yè)將被迫中止。后背墻的設(shè)計(jì)要通過(guò)驗(yàn)算，驗(yàn)算時(shí)假定主頂千斤頂施加的頂進(jìn)力是通過(guò)后背墻均勻地作用在工作井后的土體上[3]，驗(yàn)算采用下列公式[2]:

(3)

Kp=tan2(45°+0.5φ)

(4)

式中R為總推力之反力,kN；B為整體式后座墻的寬度,m；k為安全系數(shù)，當(dāng)B/H0≤1.50時(shí)，取k=1.5，B/H0>1.50，取k=2.0；γ為土的重度,kN/m3；H為管頂覆土高度,m；h為地面到后座墻頂部土體的高度,m；Kp為被動(dòng)土壓系數(shù)；c為土的內(nèi)聚力,kPa；φ為土的內(nèi)摩擦角,°。

后背墻體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)高寬厚為(1.5×4×0.6)m，雙層雙向配筋為Φ22@200，砼強(qiáng)度為C25，承力面為平面。后背墻采用組合鋼模板。同時(shí)使用Φ162@600，單向螺栓拉結(jié)，斜撐及水平撐頂方式固定拉結(jié)螺栓，采用植筋方法固定在混凝土護(hù)壁上。

后背墻保護(hù)段土質(zhì)為粉細(xì)砂土，地面到后背墻頂部土體高度H=6.0 m，后背墻高度h=1.5 m，后背墻寬度B=4 m，由補(bǔ)充舊大橋地質(zhì)勘查報(bào)告知，土的重度γ=19.3 kN/m3，內(nèi)聚力c=49 kPa，摩擦角φ=20°，被動(dòng)土壓系數(shù)計(jì)得2.04：安全系數(shù)k取1.5，計(jì)算得R=20 186 kN>FP，后背墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足施工要求。

4.3 沉降計(jì)算

重點(diǎn)保護(hù)段頂管線路上地面有兩條公路河流夾在中間，地下通信電纜穿插，高壓煤氣管線、高速路等原因，施工方案需要向廣東省交通集團(tuán)等有關(guān)部門備案報(bào)批，因此，沉降監(jiān)控為工程重中之重，在施工前必須進(jìn)行沉降計(jì)算，提前預(yù)知路面沉降是否超出監(jiān)控預(yù)警值。1969年P(guān)eck在分析大量地表沉降的基礎(chǔ)上，提出了地表沉降槽符合正態(tài)分布曲線的概念，現(xiàn)工程廣泛采用Peck的地面沉降量計(jì)算公式[5]:

Sx=Smax·exp[-x2/2i2]

(5)

Smax=v1/2.5i

(6)

式中S(x)為地面沉降量,m；x為離頂管軸線的水平距離,m；S為管道軸線上方的最大地面沉降量,m；i為地面沉降槽寬度系數(shù),m；V1為管道單位長(zhǎng)度的土體損失量,m3/m，通常采用挖掘面面積的百分率來(lái)估算土體損失的大小，令η為土體損失百分率，則V1=πr2η。

η值可根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)取值，自穩(wěn)性差流動(dòng)性大的土層取η=8%[5]，管半徑r=0.555 m，計(jì)得單位頂管長(zhǎng)度的土體損失量V1=0.012，沉降槽寬度系數(shù)i=h/(2.5·tg(45°-φ/2))，取土的內(nèi)摩擦角φ=35°，覆土層厚度取地面到管軸中心線距離，土體擾動(dòng)最大范圍X由地面線計(jì)算點(diǎn)距管中心線的水平距離試算獲得。表2給出了地面沉降量計(jì)算結(jié)果。

表2 地面沉降量計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過(guò)調(diào)整管位埋置深度，可以降低路面沉降量，但仍需要嚴(yán)格控制出泥量，不可超量出泥。在公路下頂進(jìn)，當(dāng)路面沉降量超過(guò)10 mm時(shí)[2]，應(yīng)立即鉆孔取樣檢查土體變化。在整個(gè)管道穿越施工期間，頂管擾動(dòng)范圍內(nèi)的地面構(gòu)筑物、各種地下管線未出現(xiàn)超標(biāo)準(zhǔn)沉降、漏水及漏氣情況。

5 頂管施工

5.1 鋼板樁接收井

針對(duì)工程為重點(diǎn)保護(hù)段，變更原設(shè)計(jì)接收井位置，重新選定頂管線路作業(yè)(見圖1)，待頂管掘進(jìn)機(jī)穿越到達(dá)新選定的C點(diǎn)后，打入鋼板樁支護(hù)(如圖2所示)，形成長(zhǎng)8m×寬3m的“匚”形接收井，井深度約7 m，其中鋼板采取橫向支撐。由于本工程為流砂場(chǎng)地，曾發(fā)生多起頂進(jìn)栽頭現(xiàn)象，需要打鋼板樁成井開挖取出工具頭，此時(shí)采用大流量水泵根本無(wú)法將水位降低到工作面，還發(fā)生鋼板樁支撐變形現(xiàn)象，后采取增加井點(diǎn)降水措施，即可順利吊裝起工具頭。具體做法是：在鋼板樁接收井開挖前，采用Φ500輕型深層井點(diǎn)降水工程措施，在井左右兩側(cè)設(shè)置3個(gè)深15 m的井，每口井配3 kW潛水泵24 h連續(xù)不間斷的抽水，把地下水位影響線降到工作面，以保證井下能安全開挖，順利實(shí)施工具頭吊裝及玻璃鋼夾砂管安裝。施工過(guò)程中，采取后打鋼板樁形成接收井的好處是在機(jī)頭遇到阻礙時(shí)，可留有安全裕度調(diào)整管道走向，不受接收井洞口位置限制，確保工程順利施工和公路河流安全運(yùn)行。

由于管道穿越粉細(xì)砂土層，易產(chǎn)生管涌或流土滲透變形，在地下水位以下需選用泥水平衡頂管機(jī)進(jìn)行施工[2]。

圖2 A點(diǎn)—C點(diǎn)重點(diǎn)保護(hù)段頂管縱斷面示意(單位：高程 m)

5.2 掘進(jìn)機(jī)頂進(jìn)、出洞

頂管的進(jìn)出洞是頂管成功與否的關(guān)鍵[3]，因此在掘進(jìn)機(jī)進(jìn)洞之前，必須積極做好洞口防護(hù)工作，先在洞口外側(cè)采用高壓旋噴固結(jié)灌漿，要求在退潮時(shí)才可以進(jìn)行洞口土體固結(jié)灌漿，以提高灌漿止水效果。施工時(shí)先在出洞口處做一個(gè)止水墻，以便將洞口的止水裝置安裝在平面上，止水墻的二期砼標(biāo)號(hào)與工作井砼標(biāo)號(hào)一樣，寬度應(yīng)滿足止水法蘭的安裝要求。然后預(yù)埋好盤根螺栓，再將大于預(yù)留洞600 mm的橡膠止水圈固定在螺栓上，用10 mm厚鋼板壓緊止水圈并鎖緊，鋼壓板螺栓孔做成多孔長(zhǎng)方形，可徑向內(nèi)外調(diào)節(jié)鋼壓板位置。掘進(jìn)機(jī)進(jìn)洞前要將余下的橡膠止水圈安放在預(yù)留洞內(nèi)，然后掘進(jìn)機(jī)才進(jìn)洞，防止地下水及流沙涌入井內(nèi)，避免洞口坍塌。

機(jī)頭進(jìn)洞前必須對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行全面檢查，經(jīng)過(guò)試運(yùn)行無(wú)故障，另外還要認(rèn)真檢查止水膠板安裝位置是否準(zhǔn)確平順，外夾板安裝是否鎖緊，經(jīng)確認(rèn)無(wú)誤后才可破除磚封門。

進(jìn)洞時(shí)要注意止水膠板壓入是否均勻，有無(wú)翻轉(zhuǎn)、破損等問(wèn)題，如有應(yīng)將工具頭拔出處理好再重新進(jìn)洞。掘進(jìn)機(jī)出洞時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制出洞頂進(jìn)偏差，中心橫向偏差不得大于50 mm，施工時(shí)還要將管道抬高5～10 mm，以抵償頂進(jìn)過(guò)程中的變形。因初始階段頂進(jìn)精度對(duì)后續(xù)頂進(jìn)的管道軸線有非常大的影響，若達(dá)不到上述要求時(shí)，必須拉出掘進(jìn)機(jī)，重新調(diào)整。

在頂?shù)?節(jié)管(工具頭)以及在校正偏差過(guò)程中，測(cè)量間隔不應(yīng)超過(guò)300 mm，以保證管道入口位置。管道進(jìn)入土后的正常頂進(jìn)中，測(cè)量間距不宜超過(guò)1 000 mm[1]。

頂管誤差校正是逐步進(jìn)行的，形成誤差后不可立即將已頂好的管材校正到位，頂進(jìn)中發(fā)現(xiàn)管位偏差3 mm左右即應(yīng)進(jìn)行校正。糾偏校正也要緩緩進(jìn)行，使管節(jié)逐漸復(fù)位，不得猛糾硬調(diào)，以防產(chǎn)生相反的結(jié)果。當(dāng)頂完1個(gè)行程后(1 m)應(yīng)停止頂進(jìn)，調(diào)節(jié)整體式頂進(jìn)構(gòu)架頂塊，再續(xù)頂進(jìn)下一個(gè)行程。

當(dāng)管道在頂進(jìn)中出現(xiàn)阻力較大時(shí)，應(yīng)及時(shí)加注觸變泥漿以減小管道阻力。注泥漿時(shí)應(yīng)遵循下列原則：一是先注后頂，隨注隨頂，這是一條很重要的原則問(wèn)題，如果工具管機(jī)頭向前移動(dòng)時(shí)泥漿套的容積擴(kuò)大，會(huì)產(chǎn)生抽吸作用，容易造成洞穴坍塌使注漿失效；二是注漿孔應(yīng)均勻布置在管道四周，但管道底部不設(shè)注漿孔，每間隔2節(jié)玻璃鋼夾砂管設(shè)一次注漿孔。必須要采用穩(wěn)定性好的優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土，使管壁與泥土間的壓觸變泥漿減阻效果更好，降低推進(jìn)阻力，減少對(duì)土層的憂動(dòng)，這樣可有效的保障施工和路面安全。

5.3 施工效果

由于采用了多方面的組合技術(shù)措施，有效避免了頂管施工中和完工后出現(xiàn)沉降、坍塌、等險(xiǎn)情。重點(diǎn)保護(hù)段路面在工程結(jié)束運(yùn)行2個(gè)多月后，靠河涌公路左右兩側(cè)，沿管線方向4～7 m處發(fā)生了10～45 mm的沉降，分析其原因，是由于在頂進(jìn)過(guò)程中常有瓦礫、雜物阻礙排泥，影響泥水平衡形成空洞；其次是由于靠近河涌，受潮汐動(dòng)水壓力的作用，容易擾動(dòng)土層，造成水土流失。因此，在清管過(guò)程中必須搶時(shí)間，減少停頂作業(yè)的影響，此外在遇到洞口出現(xiàn)滲漏情況時(shí)應(yīng)快速進(jìn)行封堵處理。沉降路面經(jīng)充填拉平處理后，按照驗(yàn)收規(guī)范進(jìn)行壓力管道水壓試驗(yàn)，結(jié)果表明達(dá)到設(shè)計(jì)要求，此外還進(jìn)行了探地雷達(dá)檢測(cè)，結(jié)果表明土層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。重點(diǎn)保護(hù)段頂管工程施工結(jié)束后，經(jīng)過(guò)兩年多雙向8車道車輛的密集運(yùn)行，沒有再發(fā)生過(guò)險(xiǎn)情，公路交通運(yùn)行一切正常。

6 結(jié)語(yǔ)

南莊南片區(qū)排污主干管重點(diǎn)保護(hù)段頂管工程設(shè)計(jì)施工表明，靠單一工程措施較難從根本上解決頂管施工中遇到的問(wèn)題，需要結(jié)合工程實(shí)際情況針對(duì)性地采取綜合措施，才能有效杜絕管道在穿越流沙土層時(shí)出現(xiàn)滲透變形破壞，解決了頂管施工常出現(xiàn)的大范圍坍塌、沉降等老大難問(wèn)題，保障了人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。