來 峰

(中國建筑西北設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710018)

1 工程概況

項目位于西安市閻良區(qū)航空產(chǎn)業(yè)基地內(nèi)，擬建雨水管道起點接規(guī)劃一號路向南預(yù)埋d2800 mm的雨水管，自北向南敷設(shè)，沿表處南路西側(cè)至郭靳路處，再由東向西敷設(shè)，平行郭靳路至清河左岸東側(cè)，向南穿越郭靳路，最終排放至清河。

表處南路各類市政管線復(fù)雜交錯、熱力廠站的影響以及郭靳路交通繁忙，全線不具備開槽施工的條件，經(jīng)設(shè)計優(yōu)化雨水管線大部分采用頂管方式施工，起終點局部采用開槽施工方式。雨水主管道埋深基本處于6.0 m之下，全長約1 138 m，管徑采用d2800 mm，壁厚280 mm，單節(jié)管長2.5 m，管節(jié)自重17 t；機(jī)械頂管施工采用Ⅲ級鋼筋混凝土鋼承口管，混凝土強(qiáng)度等級不低于C50，抗?jié)B等級不應(yīng)低于P8；除頂管施工管材外，其他管材采用混凝土強(qiáng)度等級不低于C30，抗?jié)B等級不應(yīng)低于P6。頂管工作井、接收井采用鋼筋混凝土護(hù)壁，逆作法施工，抗壓強(qiáng)度為C30，抗?jié)B等級不應(yīng)低于P6。頂管主要工程量工作井4座，接收井3座。Y7、Y11工作井內(nèi)尺寸為9.0 m×9.0 m，墻厚0.6 m，頂管工作井內(nèi)深度分別為8.46 m和9.29 m；Y5、Y9工作井內(nèi)尺寸為9.0 m×6.0 m，墻厚0.5 m，頂管工作井內(nèi)深度分別為6.75 m和8.50 m；Y10接收井內(nèi)尺寸為6.0 m×6.0 m，墻厚0.5 m，頂管工作井內(nèi)深8.94 m；Y6接收井內(nèi)尺寸為14.3 m×4.8 m，墻厚0.7 m，頂管工作井內(nèi)深度分別為7.83 m；Y8接收井內(nèi)尺寸為6.6 m×6.0 m，墻厚0.5 m，頂管接收井內(nèi)深度為8.06 m，頂管中最大頂進(jìn)長度為130 m，管節(jié)52節(jié)。

2 地質(zhì)情況及頂管設(shè)備選型

地勘報告顯示設(shè)計雨水管多位于黃土狀土層，管底離地下水位較近，局部呈軟塑狀態(tài)，可塑性較差；局部穿越因其他工程回填或者拆遷堆砌造成的新地質(zhì)狀況(雜土層和粉質(zhì)黏土層)；管道沿線地下水屬于潛水類型，對本工程影響較大。

結(jié)合地勘情況、水文資料及周圍施工項目的經(jīng)驗，最終確定本項目頂管施工工藝為土壓平衡式頂管施工工藝。

3 土壓平衡式頂管設(shè)備工作原理及特點

3.1 設(shè)備組成及工藝原理

土壓平衡式頂管系統(tǒng)主要由頂進(jìn)系統(tǒng)、洞口止水裝置、排土和出渣系統(tǒng)、測量、糾偏、觸變泥漿等系統(tǒng)及其他輔助設(shè)備構(gòu)成。

本項目頂管施工技術(shù)是采用土壓平衡的基本原理，利用頂管機(jī)頭的旋轉(zhuǎn)刀盤進(jìn)行切削土體，將土體導(dǎo)入機(jī)艙內(nèi)形成正面土體，正面土體壓力與開挖面的水、土的壓力相互抵消，達(dá)到土體穩(wěn)定的效果。頂管機(jī)土倉內(nèi)的土通過螺旋輸送機(jī)導(dǎo)排至接土軌道車內(nèi)，利用軌道車配合把開挖土體輸送到工作井后由軌道行車吊裝至堆土區(qū)。在刀盤削切土及出土的同時工作井內(nèi)千斤頂系統(tǒng)根據(jù)土壓情況推動管材及頂管機(jī)頭。

3.2 土壓平衡式頂管特點

土壓平衡式與泥水平衡式頂管施工相比，機(jī)頭前方的土質(zhì)含水量的高低不影響機(jī)頭削切，排出的土質(zhì)基本為原狀地下土質(zhì)，土質(zhì)形態(tài)可以是干土、濕土或泥漿，排出后不需要再進(jìn)行泥水分離等二次處理；與人工頂管及巖盤式機(jī)械頂管施工相比，具有適應(yīng)土質(zhì)類型廣及額外增加輔助施工手段的優(yōu)點。

4 頂管施工控制要求及參數(shù)

4.1 頂力估算

依據(jù)《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》(CECS 246：2008)、《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》(GB 50268—2008)進(jìn)行頂力計算：

F=F1+F2

(1)

式中：F為總頂力，kN；F1為頂管機(jī)的迎面阻力，kN；F2為管道與土層的摩阻力，kN。

F1的計算公式為：

F1=πD2rH/4

(2)

式中：D為管道外徑，m；r為土的濕容重，根據(jù)地勘數(shù)據(jù)取19 kN/m3。H為覆蓋層土的厚度，m。

F2的計算公式為：

F2=πDLf

(3)

式中：D為管道外徑，m；L為管道頂進(jìn)長度，m；f為管道外壁與土的摩阻力，kN/m2，取6.5。

頂管施工關(guān)鍵參考依據(jù)在于頂力估算，通過計算頂力值確定頂管機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、設(shè)備型號、附屬設(shè)備配備需求、后背墻的規(guī)格、減阻泥漿的形式、中繼間、復(fù)核管節(jié)承受最大頂力等。實際施工頂力與計算出的總頂力可能存在差異，往往和實際的土層情況、施工技術(shù)水平、減阻泥漿的配比有關(guān)。

4.2 頂管工作井、接收井

本項目施工的工作井、接收井采用矩形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用逆作法施工工藝，根據(jù)工作井、接收井的尺寸合理配備頂鐵、千斤頂及后背支座及后背墻。

4.3 頂管管徑、管材、管道接口形式

雨水主管管徑為d2800 mm，管材采用Ⅲ級鋼筋混凝土鋼承口管，管道接口采用滑動橡膠圈承插式接口，橡膠圈應(yīng)符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，并與管材配套供應(yīng)。承插口處設(shè)置襯墊板及麻絲，襯墊板采用12 mm的墊板，粘貼或裝訂時注意對中，環(huán)向間隙符合施工要求。

4.4 頂管進(jìn)出洞控制

(1)將預(yù)留頂管洞口多余的護(hù)壁鑿除，調(diào)整機(jī)頭對準(zhǔn)洞口，緩慢將機(jī)頭推進(jìn)，待刀盤全部進(jìn)洞后，調(diào)整洞口止水裝置，使其完全封閉地下水。

(2)工作井、接收井預(yù)留頂管洞口處應(yīng)加設(shè)止水裝置。防止觸變泥漿從預(yù)留洞口與管節(jié)外壁間隙中流出，降低減阻效果；地下水位較高或存在地下水時因水土流失，會造成地面沉降、井位出現(xiàn)塌方、井內(nèi)溢水等情況。

4.5 測量控制

(1)定向和導(dǎo)入高程測量應(yīng)在初始每頂進(jìn)1.0 m進(jìn)行一次測量，并做好測量記錄。正常項進(jìn)時，每頂進(jìn)1～2節(jié)管道進(jìn)行一次測量，遇到糾偏每1.0 m進(jìn)行一次測量，應(yīng)注意測量激光經(jīng)緯儀對準(zhǔn)機(jī)頭激光靶中心點與管軸線保持一致。

(2)測量人員隨時比對設(shè)計圖紙與現(xiàn)場施工，若出現(xiàn)偏差通知操作人員及時調(diào)整，隨時預(yù)測機(jī)頭的前進(jìn)趨勢，保證頂管機(jī)出洞的軸線、標(biāo)高與設(shè)計無偏差。

4.6 觸變泥漿減阻

本工程管徑大自重大，頂進(jìn)過程中管道摩阻力隨頂進(jìn)長度的增加而增大，所需頂力逐漸增大，頂力增大對管道、后背支撐、后背墻的破壞性就增大。為了提高頂進(jìn)施工的效率，間隔3～4節(jié)管設(shè)置一道注漿裝置，用于對泥漿套進(jìn)行補(bǔ)漿，保證泥漿套的穩(wěn)定，效達(dá)到減阻效果，可有效降低頂力50%以上。

本項目注漿壓力控制在0.15～0.20 MPa。頂進(jìn)采用4臺200 t(2 000 kN)千斤頂主頂，2臺320 t(3 200 kN)千斤頂進(jìn)行協(xié)助頂進(jìn)，1臺31.5 MPa液壓站，理論最大頂力在14 400 kN左右。應(yīng)用觸變泥漿減阻工藝后最大頂力可達(dá)14 000 kN。

4.7 地面沉降及隆起控制

(1)每頂進(jìn)2～3節(jié)管道需要對已成管道高程做一次復(fù)測，一旦出現(xiàn)管道下沉明顯情況，立即對下沉部位進(jìn)行底部注漿，防止由此引起的地面沉降。

(2)解決頂管機(jī)頭頂部背土問題：在頂管機(jī)頭殼體頂部安裝壓漿管，并開有壓漿槽，使?jié){液均勻分布于整個上頂面，在土體和殼體平面之間形成一泥漿膜，以減少土體同殼體的摩擦力，防止背土現(xiàn)象的發(fā)生。

5 常見施工問題及處理措施

5.1 地面沉降及隆起

5.1.1 常見問題

在管道軸線兩側(cè)一定范圍內(nèi)發(fā)生地面沉降或隆起，使地面環(huán)境發(fā)生變化，如道路沉降或隆起影響交通和安全、房屋地基下沉發(fā)生傾斜，危及正常使用及安全。

5.1.2 處理措施

(1)施工前須充分調(diào)查特殊地段的詳細(xì)情況，根據(jù)地質(zhì)情況確定加固方案和保護(hù)措施，控制好后期沉降。

(2)施工中布置監(jiān)測點，定期檢測沉降或隆起數(shù)值，將監(jiān)測數(shù)值控制在相關(guān)部門允許的范圍之內(nèi)。

(3)在頂進(jìn)過程中及時注入足量地觸變泥漿填充管道外環(huán)形空隙。

(4)頂進(jìn)完成后及時置換泥漿，注漿應(yīng)由管段一頭向另一頭連續(xù)注入，及時封堵預(yù)留洞口。

5.2 管道接口滲漏

5.2.1 常見問題

管道貫通后，管道接口密封不達(dá)標(biāo)，出現(xiàn)滲漏情況。

5.2.2 處理措施

(1)管道及附屬配件進(jìn)場，嚴(yán)格驗收，嚴(yán)禁使用不合格產(chǎn)品。

(2)卸車、吊裝應(yīng)在鋼絲繩與管口之間加橡膠墊或管口卡，保護(hù)管口。

(3)下管前鋼承口端管口處黏接牢固木墊板與麻絲，另一端抹好潤滑劑，安裝與之匹配的橡膠圈，橡膠圈要安裝正確，不能翻轉(zhuǎn)。

(4)頂進(jìn)過程要嚴(yán)控管道軸線，按“勤糾”“小糾”的原則進(jìn)行，以避免接口不勻，膠圈無法起到止水作用。

(5)頂進(jìn)完成后，對管口進(jìn)行處理，按照設(shè)計要求對其封堵。

5.3 淺覆土施工

5.3.1 常見問題

按頂管規(guī)程要求頂進(jìn)管道管頂覆土最小厚度不小于外徑的1.5倍，且不小于2.5 m。實際施工中，很多情形不能滿足規(guī)定要求。

5.3.2 處理措施

(1)需根據(jù)地質(zhì)情況合理選擇頂管機(jī)械。

(2)頂管施工穿越江河水底時，調(diào)查實測河床底標(biāo)高，覆土厚度是否屬于淺覆土施工，若為淺覆土層施工時，需加強(qiáng)過江河段全程測量，盡可能少糾偏，同時糾偏幅度要??；頂進(jìn)過程中要嚴(yán)格控制注漿壓力和注漿量，若管節(jié)抗浮不滿足時，需在管節(jié)內(nèi)配置壓重。

(3)頂管施工穿越淺覆土區(qū)域，若覆土層厚度小于管外徑的1.5倍時，應(yīng)采取覆土、壓重等措施。

5.4 管線交叉施工

5.4.1 常見問題

按頂管規(guī)程要求空間交叉管道的凈間距，鋼筋混凝土管道不宜小于1倍的管道外徑，且不小于2.0 m。實際施工很多情形不能滿足規(guī)范要求。本項目在設(shè)計階段已避免大部分不滿足頂管規(guī)程的要求，僅存雨水主管與一條D1200 mm現(xiàn)狀污水管道平縱交叉及熱力場站出廠的熱力管線的平面正交，縱向高程未發(fā)生沖突，但垂直空間交叉凈間距不足，需在施工過程中調(diào)整。

5.4.2 處理措施

(1)因現(xiàn)狀污水管道與設(shè)計雨水主管在平縱斷面無法避開，污水管道排污量較大不能遷移，設(shè)計采用檢查井法解決，將設(shè)計雨水管道斷開后采用雨水檢查井連接，污水管道采用支撐保護(hù)從雨水檢查井內(nèi)穿過；Y6頂管接收井加長制作，使頂管機(jī)頭能順利從污水管道兩側(cè)吊裝，頂進(jìn)方式為從Y5工作井向Y6頂進(jìn)，從Y7工作井向Y6頂進(jìn)。施工處理措施：在制作Y6頂管接收井時對現(xiàn)狀污水管道進(jìn)行保護(hù)和加固措施，保證污水管道支撐得當(dāng)、無偏移、無滲透，避免污水管道斷裂造成重大污染源事故。

(2)雨水管道與熱力管道頂進(jìn)空間要求不足，在頂進(jìn)到熱力管道附近時，對影響范圍內(nèi)的熱力管道區(qū)域開槽施工，將此段熱力管道完全暴露，頂進(jìn)速率采用慢頂推進(jìn)并進(jìn)行動態(tài)觀測，確保未擾動熱力管道，待設(shè)計雨水管道安全穿越后，對其熱力管道進(jìn)行360°混凝土包管進(jìn)行保護(hù)，管道四周回填壓實后恢復(fù)地表形態(tài)。

6 結(jié)束語

項目采用土壓平衡式頂管施工技術(shù)，日掘進(jìn)量在10～15 m。采用此種施工方式施工精度高，進(jìn)度快，對城市交通影響小，且對沿線周邊地上、地下構(gòu)筑物影響小，避免沿線各管線的遷改，經(jīng)濟(jì)效益顯著。