蔣業(yè)超 徐小馬

(1.合肥城建投資控股有限公司，安徽 合肥 230601； 2.中煤第三建設(shè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230000)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市地下空間的開發(fā)和利用越來越受到人們的重視。頂管法施工是利用主頂油缸和中繼間等的頂推力，從工作井始發(fā)掘進(jìn)穿過土層，掘進(jìn)機(jī)一直推到接收坑內(nèi)吊起。在頂進(jìn)過程中，逐節(jié)拼裝管道并推進(jìn)，最終將管道設(shè)置在工作井和始發(fā)井之間預(yù)先設(shè)定的位置，頂管施工是一種非開挖的鋪設(shè)地下管道的施工方法。頂管法施工技術(shù)屬于暗挖施工技術(shù)的一種，能夠做到在不開挖地表土的情況下將管道敷設(shè)完成，具有對周邊環(huán)境影響小、施工便捷、成本低和安全性高等優(yōu)點(diǎn)，得到越來越廣泛的應(yīng)用[1-5]。本文以合肥市合經(jīng)區(qū)王橋路排水工程及管線綜合工程為例，探討泥水平衡頂管施工工藝相關(guān)技術(shù)要點(diǎn)。

1 工程概況

1.1 工程背景

本工程王橋路段(興業(yè)大道—寶教寺路)位于空港國際小鎮(zhèn)中部，為東西走向道路。該路是區(qū)域內(nèi)的重要交通性干道，起點(diǎn)為興業(yè)大道，終點(diǎn)為寶教寺路，規(guī)劃為城市主干路，全長約 2.43 km，紅線寬 40 m。污水管線位置：污水管道單排布置，主管位于道路中心線以北 1 m處(中央綠化帶內(nèi))，污水預(yù)留井預(yù)留至道路紅線外2 m(見圖1)。污水主管道施工采用泥水平衡頂管施工，主干管管徑為DN600 mm，總頂進(jìn)長度555 m，管材采用離心澆鑄玻璃鋼夾砂管。本段施工共設(shè)6個工作井，7個接收井，最短頂進(jìn)長度31.9 m，最長頂進(jìn)長度60 m，平均頂距46.3 m。

1.2 工程地質(zhì)情況

工程場地位于合肥市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)北區(qū)，沿線以農(nóng)田為主，局部為水塘、樹林、堆土區(qū)等，沿線地形起伏較大，各孔口所涉及的自然地面高程在61.09 m～73.27 m之間。

根據(jù)本次外業(yè)現(xiàn)場的原位測試、外業(yè)鉆探，擬建場地地基土構(gòu)成層序自上而下為：①層素填土：層頂標(biāo)高61.09 m～73.27 m，層厚0.40 m～2.40 m，普遍分布。②層粉質(zhì)黏土：層頂標(biāo)高59.59 m～69.86 m，層厚0.60 m～2.50 m，該層土局部缺失。③層黏土：層頂標(biāo)高60.14 m～72.27 m，層厚5.00 m～20.80 m，普遍分布。

地下水類型、埋藏情況：王橋路區(qū)域內(nèi)地下水主要是孔隙水和基巖裂隙水。其中，基巖裂隙水埋藏于填土層中，主要是上層滯水，水量微弱。黏土層中水量較少，黏性土透水性和富水性均較弱。王橋路區(qū)域的地下水埋深在0.7 m～1.5 m，高程對應(yīng)為60.23 m～72.42 m。王橋路區(qū)域地下水排泄方式主要有蒸發(fā)、向下補(bǔ)給潛水和人工抽降等。水位年動態(tài)變幅受季節(jié)及氣候條件等影響，一般在1 m左右。

1.3 施工工藝

王橋路污水沉井施工工藝流程：

沉井基坑測量放樣→場地平整→基坑開挖→沉井測量放樣→基礎(chǔ)處理→立井筒內(nèi)模和支架→鋼筋綁扎→立外模和支架→澆搗混凝土→養(yǎng)護(hù)和拆?！辆沃谱?工序同第一次)→井點(diǎn)安裝及降水→鑿除墊層、挖土下沉→沉降觀察→澆筑混凝土墊層→綁扎底板鋼筋、澆搗底板混凝土→混凝土養(yǎng)護(hù)→井周回填。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基礎(chǔ)處理

本工程采用40 cm砂石墊層，用打夯機(jī)打夯使之密實(shí)，然后澆筑C15混凝土墊層，厚200 mm，寬1 100 mm(見圖2)。將沉井的重量擴(kuò)散到更大的面積上，從而避免了制作過程中發(fā)生的不均勻沉降，還能夠做到易于找平。根據(jù)巖土工程勘察報告,沉井井位段，最上層①層素填土厚度為0.5 m～1.0 m，其下均為③層黏土層;沉井刃腳位于③層黏土層，地基承載力基本容許值為fa0=110 kPa。起沉平臺下部應(yīng)作夯實(shí)處理，處理后地基承載力基本容許值fa0≥110 kPa。

2.2 工作井布置

2.2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計

工作井采用沉井法施工，直徑為6 000 mm。按照方案逐節(jié)下沉沉井，直至下沉到位后用素混凝土進(jìn)行封底。底板采用厚度為600 mm的鋼混，同時埋設(shè)導(dǎo)軌預(yù)埋件，等混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后方可安裝導(dǎo)軌，軌道安裝的高程偏差在+0 mm～+3 mm，中心線偏差±3 mm之內(nèi)。后座墻尺寸為3 000 mm×3 000 mm×500 mm，后座墻的垂直偏差小于0.1%H(H為后背的高度)，即小于3 mm。相關(guān)參數(shù)計算和確定如下。

2.2.2工作井內(nèi)徑計算

王橋路頂管采用的是玻璃鋼夾砂管，長度為3 m/節(jié)，工作井內(nèi)徑大?。?/p>

L≥L1+L2+L3+K=3.0+1.5+0.4+1.1=6 m。

其中，L1為玻璃夾砂管下井管節(jié)長，取3.0 m；L2為設(shè)置的千斤頂?shù)拈L度，現(xiàn)場千斤頂為1.5 m；L3為留在井內(nèi)的管道最小長度，取0.4 m；K值為后座加上頂鐵的厚度最小值加上安裝的富余長度，本次取1.1 m。

2.3 后背墻穩(wěn)定計算

液壓頂進(jìn)千斤頂由后背墻提供支撐，提供反力。全部的頂力由后背墻傳遞和承受，因此后背墻的剛度、強(qiáng)度必須達(dá)到要求。因此需要計算后背墻的最大承受的推力，假設(shè)工作井能夠承受的反力為R，那么R應(yīng)當(dāng)由工作井的側(cè)壁和底板摩擦力R1加上后背墻的反力R2。而側(cè)壁和底板和土體的摩擦力計算不易確定，計算時忽略不計，增加了后背墻的R2計算值的富余量。后背墻剛度較大，假設(shè)頂進(jìn)的推力是通過后背墻均勻的作用在工作井后方的土體上。后靠背的計算圖示如圖3所示。

反力應(yīng)為總推力F的1.2倍～1.6倍，以確保安全。

(1)

其中,R2為后座墻之反力；α為系數(shù)(通常取1.5～2.5之間)，為了頂進(jìn)時結(jié)構(gòu)安全保守取1.5；γ為后背墻的土體容重，根據(jù)勘察報告取1.9 t/m3計算；H,B分別為后座墻的高、寬，皆取3.0 m計算；KP為被動土壓系數(shù)，tan2(45°+φ/2)=1.894；c為土的粘聚力，取70.9 kPa進(jìn)行計算；h為從地面到后背墻頂部土體的距離，根據(jù)工作井深度h=6.0 m。

代入以上數(shù)據(jù)，計算可得：R2=5 079.08 t。

2.4 頂力計算

1)控制土壓力值P。

P=K0γh=0.55×1.9×6.7=7.0 kPa

(2)

其中，K0為靜力土壓力系數(shù)，取0.55；γ為管道區(qū)間土的容重；h為頂進(jìn)區(qū)間的覆土深度，根據(jù)斷面圖可知深度約為6.7 m。

2)頂管機(jī)初始推力FO。

FO=PπR2=7×3.14×0.3082=2.09 t

(3)

其中，R為玻璃鋼夾砂管有效半徑，為308 mm。

3)一次頂進(jìn)管道阻力。

PO=2fπRL=2×0.32×3.14×0.308×60=37.14 t

(4)

其中,f為土和管道的摩阻系數(shù)，按土質(zhì)取0.32 t/m2；R為玻璃鋼夾砂管有效半徑，取308 mm；L為頂進(jìn)長度，為管道始發(fā)井和接收井之間的距離，取60 m。

4)一次頂進(jìn)總推力。

F1=FO+PO=2.09 t+37.14 t=39.23 t

(5)

5)注漿減摩后實(shí)際總推力F。

F=αF1=0.8×39.23=31.38 t

(6)

其中，α為減摩系數(shù),取0.8。

6)每延米推力。

(7)

由于DN600離心澆筑玻璃鋼夾砂管能承受最大頂力為990 kN即101.02 t(根據(jù)GB/T 21492—2008)，工作井主頂推力可設(shè)計為500 kN，即51 t。100 t主頂油缸1臺，60 m需要總推力為31.38 t。滿足頂管設(shè)計要求，無需增加中繼點(diǎn)。

2.5 管道頂進(jìn)施工準(zhǔn)備

頂管在頂進(jìn)過程當(dāng)中，減阻泥漿是減小頂進(jìn)阻力的重要措施[6]。頂管前要先將設(shè)備安裝調(diào)試，安設(shè)好泥漿池，泥漿池開挖大致按照10 m×8 m×3 m尺寸，施工完成后泥漿沉淀，拌干土就近使用于綠化工程。按要求調(diào)配泥漿同時對注漿的設(shè)備進(jìn)行檢查。對施工供電和現(xiàn)場備料進(jìn)行檢查，供電主要對電壓、接地等進(jìn)行檢查，備料包括膠圈、管封、燒堿和膨潤土等，規(guī)劃好堆土區(qū)和出土設(shè)備。王橋路市政道路工程設(shè)備采用NPD-500的泥水平衡式頂管機(jī)，配套4只500 kN的千斤頂一組，主頂設(shè)備為32 MPa油泵，注漿泵的注漿速率為50 L/min，砂漿攪拌機(jī)的功率為3 kW。工作坑內(nèi)設(shè)備圖見圖4。

2.6 玻璃鋼夾砂管性能

王橋路頂管一次頂進(jìn)距離為60 m左右，對于選取的管材剛度要求較高，通過檢測，采用的玻璃鋼夾砂管性能較為優(yōu)異，相關(guān)指標(biāo)如表1所示。

表1 玻璃鋼夾砂管強(qiáng)度指標(biāo)

3 結(jié)語

本文通過合肥市合經(jīng)區(qū)王橋路排水工程及管線綜合工程，結(jié)合實(shí)際工程案例，分析了頂管施工技術(shù)在城市污水管工程中的實(shí)際應(yīng)用，其中沉井施工和頂管施工是工程中的關(guān)鍵性技術(shù)和環(huán)節(jié)。沉井過程中，要注意沉井各個觀測點(diǎn)下沉量的變化，當(dāng)沉井出現(xiàn)傾斜可通過調(diào)整挖土和施加荷載進(jìn)行調(diào)整。利用泥水壓力來平衡地下水壓力和土壓力，可有效地保持挖掘面的穩(wěn)定，同時加快作業(yè)進(jìn)度。對于長距離頂進(jìn)，對管材的強(qiáng)度要求較高，應(yīng)滿足規(guī)范和頂進(jìn)要求。總的來說，頂管法施工技術(shù)在市政管道施工中具有很好的應(yīng)用前景。