甄祖玲

(廣東省源天工程有限公司，廣州 511300)

0 引 言

隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，一些水庫(kù)、河道項(xiàng)目的附屬工程都要不可避免的穿越大型重要的建構(gòu)筑 物，例如穿越管道隧洞和城市主干道等等，往往這些區(qū)域都分布著重要的管線，對(duì)周邊環(huán)境的變形控制要求極其嚴(yán)格，如果采用頂管施工工藝，就要著重考慮施工影響的范圍和沉降變形的控制，這給頂管施工工藝帶來(lái)了很多大的技術(shù)課題。

為此，在某水庫(kù)附屬工程項(xiàng)目中我們成立了大型矩形頂管近距離上穿管道隧洞施工技術(shù)課題研究小組。在項(xiàng)目正式開(kāi)工前先進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析，對(duì)施工影響范圍內(nèi)的地表沉降計(jì)算，注漿加固不利地層和施工過(guò)程中的土壓力平衡控制等進(jìn)行了較為深入的研究，文章在該類頂管施工項(xiàng)目的重點(diǎn)工序上提出了一些控制要點(diǎn)，提出預(yù)先進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析、施工影響范圍內(nèi)沉降變形的準(zhǔn)確計(jì)算和施工過(guò)程中的土壓力控制計(jì)算等等，可為后續(xù)頂管作業(yè)降低安全風(fēng)險(xiǎn)，大幅提高頂管效率?？偨Y(jié)形成了大型矩形頂管近距離穿越重要構(gòu)筑物安全施工技術(shù)，可為后續(xù)類似工程施工提供借鑒參考。

1 工程概況

在珠三角地區(qū)有一合流水庫(kù)項(xiàng)目，屬環(huán)北部灣廣東水資源配置工程，是一個(gè)以灌溉為主，防洪、城市供水綜合利用的小(Ⅰ)型水庫(kù)，主要建筑物由主壩、副壩、溢洪道、合流水庫(kù)補(bǔ)水泵站和合流水庫(kù)輸水管道、綜合管廊等附屬構(gòu)筑物組成。該合流水庫(kù)建設(shè)工程以灌溉為主，兼顧市區(qū)供水和應(yīng)急備用等綜合利用[1]。

其中附屬工程中的綜合管廊采用矩形頂管施工工藝，頂管頂部距離現(xiàn)狀城市主干道約4m，局部頂管段上跨既有管道隧洞，其中距隧洞結(jié)構(gòu)外側(cè)的最小凈距離僅為1.5m。

根據(jù)勘察報(bào)告資料，頂管區(qū)域位于淤泥質(zhì)砂土層，上部覆蓋素填土，施工場(chǎng)地地下水位為0.70-4.60m。該項(xiàng)目位置情況示意圖詳見(jiàn)圖1所示。

圖1 矩形頂管施工剖面示意圖

2 施工難點(diǎn)

1)本項(xiàng)目頂管施工范圍離城市主干道地面約4m左右，假若施工不當(dāng)，可能會(huì)造成路面隆起、塌陷等問(wèn)題的發(fā)生，會(huì)對(duì)社會(huì)造成嚴(yán)重不良影響。

2)頂管還需上穿現(xiàn)有管道隧洞，與隧洞最外側(cè)結(jié)構(gòu)距離最近僅為1.5m，這對(duì)隧洞結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)控制要求將會(huì)非常高。

3 主要技術(shù)要點(diǎn)

3.1 工藝流程

頂管施工的技術(shù)要點(diǎn)控制主要是對(duì)施工各個(gè)工序節(jié)點(diǎn)的控制，為此每一關(guān)鍵環(huán)節(jié)和工序節(jié)點(diǎn)的技術(shù)控制都需具體落實(shí)到每一部門的責(zé)任人，并貫穿整個(gè)工程的施工。根據(jù)本項(xiàng)目特點(diǎn)和施工難點(diǎn)分析，為確保施工質(zhì)量和提高工效，特制定以下施工工藝流程圖(見(jiàn)圖2)。

圖2 施工工藝流程圖

3.2 施工影響范圍計(jì)算

目前，通常采用經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證過(guò)的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)頂管施工影響范圍進(jìn)行計(jì)算分析是可以滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要的。

Peck公式和修正后的Peck公式是假定施工引起的地面沉降是在不排水的情況下發(fā)生的，所以沉降槽體積等于地層損失的體積。地面沉降的橫向分布類似正態(tài)分布曲線[2]，如圖3所示。

圖3 地面沉降正態(tài)分布曲線圖

Peck公式為：

(1)

式中：S(X)為距離隧道中線x處的地面沉陷量；X為距離隧道中線的距離；Smax為隧道中線的最大地面沉降量； i—沉陷槽的寬度系數(shù)。

最大沉降量采用下式估算：

(2)

式中：VS為沉陷槽容積；i為沉陷槽的寬度系數(shù)。

(3)

式中：z為隧道埋深；j為隧道覆土有效內(nèi)摩擦角。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，地面橫向沉陷槽寬度 W/2≈2.5i。

3.3 地面沉降控制

1)原因分析：①頂進(jìn)速度太快；②開(kāi)挖面土壓力大；③開(kāi)挖面不穩(wěn)定；④管道線型不好；⑤泥漿套形成不好，管道帶土頂進(jìn)，是初始頂進(jìn)階段未對(duì)頂進(jìn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[3]。

2)防治措施：①頂進(jìn)速度應(yīng)滿足開(kāi)挖面土壓平衡條件；②采用能穩(wěn)定開(kāi)挖面水土壓力的頂管掘進(jìn)機(jī)；③機(jī)頭姿態(tài)控制精度好；④機(jī)頭殼體比管外徑大 20mm 為宜；⑤認(rèn)真做好注漿工藝。

理論上注漿量可按下式計(jì)算：

V=(A·B-a·b)·k

(4)

式中：A為頂管機(jī)機(jī)頭外徑長(zhǎng)度；B為頂管機(jī)機(jī)頭外徑寬度；a為管節(jié)外徑長(zhǎng)度；b為管節(jié)外徑寬度；k為管節(jié)縱向長(zhǎng)度。

3.4 頂力計(jì)算

F=F1+F2

(5)

式中：F為總推力；F1為迎面阻力；F2為頂進(jìn)阻力。

F1=π·(D/2)2·P

(6)

式中：D為管外徑P—控制土壓力。

F2=π·D·f·L

(7)

式中：f為管外表面綜合磨擦阻力；L為頂距。

P=K0·r·H0

(8)

式中：K0為靜止土壓系數(shù)。

4 穿越構(gòu)筑物控制措施

4.1 施工前策劃

項(xiàng)目開(kāi)工前要吃透設(shè)計(jì)意圖，對(duì)重點(diǎn)構(gòu)筑物進(jìn)行全面調(diào)查，尤其涉及重要管線隧洞等關(guān)系公共交通安全的構(gòu)筑物，要完整收集相關(guān)資料，進(jìn)行必要的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析，并組織相應(yīng)的專家論證，提前作出應(yīng)急管理預(yù)案。

4.2 施工過(guò)程控制

1)開(kāi)挖面土壓力控制：

根據(jù) Rankine 土壓力理論進(jìn)行計(jì)算：

P=k·r·z

(9)

式中：k為軟土的側(cè)向系數(shù)；r為土的容重；z為覆土深度；P上為管道頂部的側(cè)向土壓力；P下為管道底部的側(cè)向土壓力。

2)頂進(jìn)速度控制：

頂管初始階段的控制至關(guān)重要，頂進(jìn)速度宜適度放緩，可控制為5-10mm/min，待進(jìn)入正常頂進(jìn)狀態(tài)時(shí)可控制為10-20mm/min。

3)出土量控制：

在頂進(jìn)過(guò)程中必須要嚴(yán)格控制出土量，在正常狀態(tài)下的出土量應(yīng)占理論計(jì)算出土量的98%-100%，除非在考慮土體改良劑因素情況下， 可提高比例至105%。一般情況下，不得出現(xiàn)超挖或欠挖現(xiàn)象發(fā)生。

4)泥漿減阻技術(shù)措施：

實(shí)際施工中，通過(guò)管壁外優(yōu)質(zhì)潤(rùn)滑泥漿的制作和壓注措施可大大降低頂進(jìn)阻力。頂進(jìn)時(shí)，利用機(jī)頭尾部環(huán)向均勻布置的壓漿孔，及時(shí)進(jìn)行注漿，保證在機(jī)頭后面形成完整有效的泥漿套。機(jī)頭后面的前三個(gè)管節(jié)上都有壓漿孔，再往后每隔一個(gè)管節(jié)放置一段預(yù)留壓漿孔的管節(jié)，壓漿孔均呈斜向 45°正交環(huán)向交叉布置。頂進(jìn)時(shí)利用管節(jié)上的壓漿孔進(jìn)行補(bǔ)壓漿[4-5]。

制備合格的觸變泥漿性能指標(biāo)可參考如下： 密度：泥漿比重為 1.1-1.16×103kg/m3； 黏度：用漏斗黏度計(jì)測(cè)量黏度>30s； 失水量：≤25mL/30min；穩(wěn)定性：泥漿應(yīng)無(wú)離析水；pH值：<10。

5)糾偏控制：

糾偏隨測(cè)量進(jìn)行，隨測(cè)隨糾，增加糾偏頻率、減小糾偏幅度。在頂?shù)谝还?jié)管的校正偏差過(guò)程中，測(cè)量間隔≤50cm，以保證管道入土的位置正確。管道入土層后的正常頂進(jìn)階段， 測(cè)量間隔≤100cm。

6)泥漿置換：

泥漿置換即在單段頂管完成后及時(shí)采用水硬性材料置換管道外壁原注膨潤(rùn)土泥漿，使管道外壁形成強(qiáng)度較大的漿壁，能承受上覆土壓力的作用，避免孔壁的坍塌；另外，摻入膨脹劑具有補(bǔ)償收縮性能的水泥漿還能降低原注泥漿的收縮，從而減少沉降發(fā)生[6]。

7)監(jiān)測(cè)信息管理：

實(shí)時(shí)跟進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息，以確立新的施工參數(shù)、注漿量及變形沉降值等關(guān)鍵信息，實(shí)時(shí)傳至頂管操作室，根據(jù)反饋的信息對(duì)施工面作及時(shí)調(diào)整， 實(shí)現(xiàn)反復(fù)循環(huán)、驗(yàn)證和調(diào)整的工作程序，確保工程質(zhì)量。

5 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于矩形頂管近距離穿越重要構(gòu)筑物施工難題， 應(yīng)因地制宜，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，綜合考慮各種因素，科學(xué)合理組織，突破技術(shù)難關(guān)，才能保證項(xiàng)目的順利實(shí)施。

本工程的順利完成及驗(yàn)收合格，且滿足了第三方監(jiān)測(cè)要求，實(shí)踐證明采取事前安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析，施工影響范圍內(nèi)的地表沉降分布規(guī)律計(jì)算，對(duì)不利地層的注漿加固和施工過(guò)程中的土壓力平衡控制，可有效的控制地面沉降和對(duì)管道隧洞的影響均在安全允許范圍內(nèi)，充分說(shuō)明了以上控制措施是切實(shí)可行的，為后續(xù)類似項(xiàng)目施工積累了成功經(jīng)驗(yàn)。