肖 先

(中鐵二十局集團(tuán)第四工程有限公司 山東青島 266061)

1 引言

隨著人民生活水平提高，環(huán)保要求越來(lái)越嚴(yán)，城市原設(shè)計(jì)污水收集系統(tǒng)已不能滿足發(fā)展需要，新建污水收集系統(tǒng)已成必然。由于既有城市建筑、地下管網(wǎng)已完成，明挖埋管收集污水已不具備條件，采用非開挖方法施工已成為必然[1]。非開挖方法目前主要有牽引法、頂管法、盾構(gòu)法三種，牽引法的優(yōu)勢(shì)在于土層中牽引小直徑管道，受地質(zhì)及管徑限制較大；盾構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于大直徑及埋深較深地段；對(duì)于直徑在1～3 m范圍采用頂管機(jī)頂管比較經(jīng)濟(jì)，施工進(jìn)度可控、對(duì)外界干擾小。頂管機(jī)有土壓平衡和泥水平衡兩種，兩種設(shè)備對(duì)地質(zhì)要求各有優(yōu)缺點(diǎn)[2]。目前對(duì)頂管的研究主要集中在地質(zhì)均勻地段及曲線地段，對(duì)不均質(zhì)地段，特別是上軟下硬復(fù)合地層如何有效施工研究較少。

本文以市區(qū)臨河臨街頂管為背景，全面分析了頂管設(shè)備穿越復(fù)雜地質(zhì)條件下存在的風(fēng)險(xiǎn)與發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，并針對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題提出了解決方案，為同類工程施工提供了指導(dǎo)意見和思路。

2 工程概況

該工程污水管道沿河兩岸現(xiàn)狀道路敷設(shè)6 000 m，為污水收集主管道，通過(guò)截污井將沿途排污口進(jìn)行截流，收集污水最終送至污水廠。污水管道管徑DN1400～DN2200，設(shè)計(jì)采用1‰平流，污水管徑從起點(diǎn)到污水廠漸變?cè)龃?。由于新建污水管道位于老城區(qū)，一側(cè)臨河，一側(cè)臨街，河與街道之間空間狹窄，不具備開挖埋管條件，只能采用頂管方式進(jìn)行施工。頂管埋深2～8m，頂管通過(guò)地質(zhì)上層多為粉砂土，粉砂土厚度不均勻，局部地段從全段面粉砂層漸變到全巖層，沿河地帶含有大量建筑垃圾、醫(yī)療垃圾等廢棄物，下層為中硬巖、堅(jiān)硬巖。頂管采用泥水平衡法進(jìn)行施工，所用管道為Ⅲ級(jí)混凝土管，接口為鋼承式接口，每節(jié)長(zhǎng)度2.5 m，頂管井采用逆作法施工。頂管井之間的距離根據(jù)沿河曲線確定，控制在40～160m之間。

3 淺埋段加固技術(shù)

頂管機(jī)覆蓋層厚度應(yīng)不小于3倍管道外徑且不小于3 m，當(dāng)小于該數(shù)據(jù)時(shí)，土壓力不足以控制機(jī)頭按設(shè)計(jì)線路頂進(jìn)，且由于地下水浮力影響，機(jī)頭容易上翹，影響頂進(jìn)質(zhì)量[3]。

3.1 淺埋段注漿加固

施工中采用袖閥管對(duì)頂進(jìn)前端注漿加固處理[4]。袖閥管加固寬度范圍為整個(gè)道路，加固深度為頂管機(jī)頭下500 mm或巖石頂，袖閥管間距采用梅花形布置，間距1 500 mm，水灰比0.5，注漿壓力0.5～1.0 MPa，對(duì)于道路兩側(cè)邊沿地帶，將注漿壓力控制在0.2～0.5 MPa，以避免壓力較大造成干砌片石處向外涌漿和地面隆起。

3.2 垃圾回填土加固技術(shù)

頂進(jìn)線路上的垃圾回填以生活垃圾與醫(yī)療垃圾為主，垃圾回填時(shí)間均超過(guò)30年，由于為塑料制品，不易腐爛，在頂進(jìn)過(guò)程中極易阻塞刀盤開口和出漿泵管；當(dāng)出漿泵管堵塞后，采取加水清孔，大量清水加入使泥水平衡無(wú)法保持，容易造成機(jī)頭處塌陷[5]。垃圾土由于孔隙較大、含大量廢水和廢氣，注入的觸變泥漿易被稀釋和擴(kuò)散，起不到相應(yīng)的潤(rùn)滑及維持土體穩(wěn)定的作用；同時(shí)垃圾土?xí)a(chǎn)生有毒氣體，對(duì)人員健康造成不利影響。當(dāng)少量垃圾堵塞刀盤時(shí)，可對(duì)刀盤進(jìn)行開倉(cāng)，人工清理刀盤開口部分的垃圾；當(dāng)垃圾堵塞出漿管道時(shí)，可采用拆開出漿泵連接管，清理管內(nèi)垃圾。當(dāng)前方回填垃圾較多且不能正常頂進(jìn)時(shí)，需對(duì)回填垃圾進(jìn)行改良。改良采用高壓旋噴樁施工，高壓旋噴樁可將垃圾土固化，頂管機(jī)刮刀和滾刀將固化后的水泥漿與垃圾磨成小塊，通過(guò)泥漿抽出。高壓旋噴樁可采用單液或雙液漿，當(dāng)工期緊張時(shí)，前段采用雙液漿，后段采用單液漿。高壓旋噴樁直徑400 mm，施工范圍為管外徑2 m，如果上部為回填垃圾土，下部為巖層，則施工至巖層；如果通過(guò)地段全部為回填垃圾，樁底至管底500 mm，樁位按梅花形布置，間距1 200 mm。對(duì)于在垃圾土中頂進(jìn)，要進(jìn)行有毒氣體檢測(cè)，管內(nèi)工人必須配戴防毒面具以確保施工安全。

4 頂管機(jī)精準(zhǔn)始發(fā)測(cè)量控制

以最近的控制點(diǎn)作為基點(diǎn)，引測(cè)導(dǎo)線點(diǎn)和水準(zhǔn)點(diǎn)至工作井附近，布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，形成閉合導(dǎo)線、水準(zhǔn)網(wǎng)。用全站儀將地面坐標(biāo)及方向傳遞到工作井中，定出頂管設(shè)計(jì)中心線，通過(guò)2臺(tái)水準(zhǔn)儀及鋼尺將高程傳至工作井下固定點(diǎn)[6]。頂管機(jī)精準(zhǔn)始發(fā)的關(guān)鍵點(diǎn)在于導(dǎo)軌的安裝精度，假設(shè)頂管半徑(外徑)為R，導(dǎo)軌間距為A，則可以求得軌道接觸面到頂管中心的高差h或到管底的高差R-h，再求得導(dǎo)軌頂高程為管底設(shè)計(jì)高程+軌道接觸面至管底高差。根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)確定導(dǎo)軌高程和坡度，根據(jù)放樣軸線點(diǎn)確定導(dǎo)軌中心位置[7]，如圖1所示。

圖1 導(dǎo)軌測(cè)設(shè)放樣圖

5 施工過(guò)程中管道減阻技術(shù)

隨著頂進(jìn)長(zhǎng)度增加，管道側(cè)面摩阻力越來(lái)越大，阻力增加會(huì)造成千斤頂液壓油泵壓力加大、投入千斤頂設(shè)備噸位加大；由于管道在頂進(jìn)過(guò)程中受力不均，管道質(zhì)量自身存在差異，容易造成管道破裂，影響后續(xù)頂進(jìn)，所以在施工前要對(duì)頂力進(jìn)行計(jì)算，確保施加在管道上的壓力小于管道混凝土抗壓強(qiáng)度。為確保順利頂進(jìn)，在施工過(guò)程要針對(duì)不同的地層配備不同配比的觸變泥漿以減小摩擦阻力。

5.1 頂力計(jì)算

F=F1+F2

F1=πD2(γgHg)/4

F2=πfkDL

式中，F(xiàn)為頂進(jìn)阻力(kN)；F1為頂管機(jī)前端正面阻力(kN)；F2為管道側(cè)摩阻力(kN)；D為管道外徑(m)；L為管道頂進(jìn)長(zhǎng)度(m)；fk為管道外壁與土的單位面積平均摩阻力，取5 kN/m2；γg為土的重度，取18.5 kN/m3；Hg為覆土層厚度，取8 m。

頂力與頂程計(jì)算結(jié)果見表1。通過(guò)計(jì)算，配備2臺(tái)250 t千斤頂理論上能滿足要求，為防備地質(zhì)出現(xiàn)突變，配備4臺(tái)250 t千斤頂。

表1 頂程與頂力計(jì)算結(jié)果

5.2 不同漿液配比時(shí)頂管頂力與頂程的關(guān)系

5.2.1 觸變泥漿參數(shù)設(shè)置

混凝土管道在頂進(jìn)過(guò)程中，管壁與周圍土體發(fā)生摩擦，增加頂進(jìn)阻力。為減小頂進(jìn)過(guò)程中的阻力，在頂進(jìn)過(guò)程中必須注入配制好的觸變泥漿，并保證注入的觸變泥漿能均勻包裹住整個(gè)管道外壁。觸變泥漿采用膨潤(rùn)土、水、堿按比例配制，根據(jù)不同的地質(zhì)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)配制了5種現(xiàn)場(chǎng)使用的觸變泥漿(見表2)。

表2 觸變泥漿參數(shù)

5.2.2 不同參數(shù)觸變泥漿與頂力、頂程關(guān)系確定[8]

不同參數(shù)的觸變泥漿對(duì)土層的滲透性效果影響較大。對(duì)于粉砂土、細(xì)砂土層、巖層，土層孔隙率小，采用粘度低、比重為1.01 g/cm3(或1.03 g/cm3)的觸變泥漿，注漿距離控制在7.5 m以內(nèi)；對(duì)于粗砂、砂礫地層，采用粘度高、比重為1.05 g/cm3的觸變泥漿，注漿距離控制在5.0 m以內(nèi)；對(duì)于回填的垃圾土層，采用較高粘度和比重為1.10 g/cm3(或1.15 g/cm3)泥漿，每節(jié)管道均注漿。不同觸變泥漿與不同地質(zhì)的頂力與頂程關(guān)系如圖2所示。

圖2 不同漿液下頂進(jìn)距離與頂力關(guān)系

5.3 計(jì)算頂力與實(shí)際頂力減阻對(duì)比分析

通過(guò)實(shí)際頂進(jìn)過(guò)程中測(cè)取的代表值與計(jì)算值比較[9]，觸變泥漿的減阻效果在礫石層與垃圾土層能達(dá)到20%以上，在巖石、細(xì)砂和黏土中可以達(dá)到40%以上。但由于地下工程的不可預(yù)見性，地質(zhì)在頂進(jìn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生突變，給施工造成困難。通過(guò)對(duì)出渣渣樣分析、頂進(jìn)中油泵讀數(shù)變化判斷前方地質(zhì)，并對(duì)觸變泥漿配比進(jìn)行調(diào)整，以確保泥漿能全面包裹混凝土管道并對(duì)四周圍巖進(jìn)行加固，使圍巖形成一道整體保護(hù)層，減少地下水滲入，確保泥漿減阻效果，頂進(jìn)距離與頂力關(guān)系如圖3所示。

圖3 頂進(jìn)距離與頂力計(jì)算關(guān)系

6 上軟下硬地層頂進(jìn)

6.1 首節(jié)管材選用

首節(jié)管道直接與頂管機(jī)連接，管道前端的平整度、管道強(qiáng)度直接影響后續(xù)頂進(jìn)。首節(jié)管道前端與頂近機(jī)接觸面全斷面粘貼厚5 mm厚木板或膠合板，減小頂進(jìn)過(guò)程中頂管機(jī)振動(dòng)對(duì)管道的影響。管道上密封圈安裝密實(shí)，檢查密封圈是否破損、漏水，否則更換密封圈。管道安裝前對(duì)混凝土強(qiáng)度進(jìn)行回彈，滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求后才能用于現(xiàn)場(chǎng)。

6.2 頂進(jìn)過(guò)程控制

使機(jī)頭按設(shè)計(jì)線路前進(jìn)是線形控制的關(guān)鍵[10]。在上軟下硬地層中如果按常規(guī)頂進(jìn)方法施工，機(jī)頭在頂進(jìn)過(guò)程容易產(chǎn)生偏移，如果糾偏不及時(shí)，造成線路偏差過(guò)大，糾偏后必然會(huì)形成折點(diǎn)，管壁摩擦力增大，混凝土管道接口企口縫不能完全吻合，造成折線點(diǎn)開口，管道受力面積減小，管壁容易開裂。糾偏處理前提是及時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量，及早發(fā)現(xiàn)偏差[11]。當(dāng)機(jī)頭在上軟下硬土層且硬石層厚度大于1/2機(jī)身時(shí)，機(jī)頭會(huì)上翹，此時(shí)要增加測(cè)量頻率，隨時(shí)關(guān)注前方軸線測(cè)量靶位。在上軟下硬地層中頂進(jìn)時(shí)，將頂進(jìn)千斤頂由2臺(tái)增加至4臺(tái)，如果頂管機(jī)機(jī)頭上翹，則將上方2臺(tái)千斤頂油壓增加，油缸伸長(zhǎng)值要略大于下方2臺(tái)千斤頂伸長(zhǎng)值，使頂管機(jī)頭緩緩下壓。由于巖層不平順，在頂進(jìn)過(guò)程中容易發(fā)生頂管機(jī)機(jī)頭側(cè)面上升或下降，如果機(jī)頭下墜，采取加大下方2臺(tái)千斤頂油壓，使下方2臺(tái)千斤頂油缸伸長(zhǎng)值大于上方2臺(tái)千斤頂油缸伸長(zhǎng)值。如果側(cè)偏，則采取加大側(cè)偏方向相反的千斤頂進(jìn)行糾正。在機(jī)頭糾偏過(guò)程中，頂進(jìn)速度要嚴(yán)格控制在3～5 mm/min。糾偏長(zhǎng)度要形成一段過(guò)渡曲線，不能形成突變點(diǎn)[12]。

7 管道裂縫處置

由于地層變化較大，混凝土管道在頂進(jìn)過(guò)程中，局部受力不均，特別是接口鋼帶長(zhǎng)度不滿足要求，管道會(huì)產(chǎn)生縱向及橫向開裂，嚴(yán)重時(shí)會(huì)管道破碎，不能繼續(xù)頂進(jìn)。

7.1 管道裂縫處理技術(shù)

混凝土管在頂進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生裂縫，必須停機(jī)分析產(chǎn)生裂縫的原因，首先對(duì)混凝土管進(jìn)行強(qiáng)度回彈測(cè)量，查看其強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求，其次檢查連接鋼帶長(zhǎng)度是否滿足要求，鋼帶長(zhǎng)度設(shè)計(jì)厚度為5 mm，寬度250 mm，如果不滿足技術(shù)要求，對(duì)未使用管道更換處理。對(duì)于在頂進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生開裂管道，采用加設(shè)鋼內(nèi)襯套管，鋼套管直徑比混凝土內(nèi)徑小10 mm，鋼板厚度8 mm，鋼內(nèi)襯分五段加工，每段長(zhǎng)度500 mm，為便于運(yùn)輸及安裝，每段分四片，鋼套管之間采用螺栓連接，混凝土管道與鋼內(nèi)襯套管之間空隙注入環(huán)氧樹脂填充。具體加固方法如圖4所示。

圖4 鋼內(nèi)襯支襯

7.2 管道破損處理技術(shù)

在頂進(jìn)過(guò)程中發(fā)生管道壁混凝土脫落，破碎，管道已不具備傳力條件，頂進(jìn)已無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。由于頂進(jìn)距離較長(zhǎng)，不具備回撤管道條件，也不具備在此開挖更換管道的空間，經(jīng)過(guò)技術(shù)對(duì)比分析，采取現(xiàn)場(chǎng)加固措施。首先對(duì)破碎的混凝土進(jìn)行清除，回填環(huán)氧樹脂混凝土；其次是在破損的混凝土及相鄰兩節(jié)管道上加設(shè)鋼內(nèi)襯套管，并將三節(jié)管道連接形成整體，并對(duì)管壁間空隙注環(huán)氧樹脂填實(shí)。為加強(qiáng)整體剛性，縱向?qū)ΨQ焊接4根 30槽鋼，槽鋼間橫向采用2根 30槽鋼支撐，支撐數(shù)量4道。

8 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)精準(zhǔn)始發(fā)測(cè)量控制技術(shù)，確保了機(jī)頭進(jìn)洞的姿態(tài)與設(shè)計(jì)姿態(tài)相符，為后續(xù)頂進(jìn)的線形控制奠定了基礎(chǔ)。頂管軸線測(cè)量技術(shù)，確保了頂進(jìn)線路按設(shè)計(jì)線路前進(jìn)。通過(guò)試驗(yàn)和實(shí)測(cè)，提出了在不同的地質(zhì)情況下最佳的觸變泥漿配合比，以及在不同配合比下各種地質(zhì)頂力與頂程的關(guān)系。提出了混凝土管在頂進(jìn)過(guò)程中發(fā)生破損的解決辦法，垃圾填埋段堵管解決方案以及頂進(jìn)過(guò)程中發(fā)生偏差的糾偏辦法。但在實(shí)際頂進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)大樹根、鋼筋混凝土塊等頂管機(jī)無(wú)法破碎、開倉(cāng)不能清除的垃圾，正常頂進(jìn)不能解決，只能采取開挖清除的方式。