崔梓祺,陳家立
(廣東省水利水電第三工程局有限公司 廣東東莞 523710)
在現(xiàn)有水庫(kù)水廠(chǎng)水量充足的情況下,原有輸水管道由于老舊、設(shè)計(jì)流量小等問(wèn)題而無(wú)法滿(mǎn)足居民生活用水日益激增的需求,供水緊張問(wèn)題突出,因此原有輸水管道的改擴(kuò)建及新建就顯得十分重要,而非開(kāi)挖頂管施工因?yàn)榘踩奖悖瑢?duì)地面的影響小的特點(diǎn)應(yīng)用較為廣泛,目前頂管施工技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已得到廣泛應(yīng)用[1-5],國(guó)內(nèi)外在頂管頂進(jìn)施工應(yīng)用方面主要適用于微風(fēng)化巖石中小直徑管道(直徑≤2 m)[6]、緩坡(坡度≤0.5%)[7]等管網(wǎng)系統(tǒng)水利或市政項(xiàng)目,而在輸水工程中,時(shí)常需要在平面空間有限、高差較大的情況下引出水庫(kù)水廠(chǎng)上層干凈水源,使得輸水管的施工坡度較大,這就要求在輸水管道頂管施工過(guò)程中,一方面要控制好大坡度定向及角度精準(zhǔn)性,另一方面也要解決由于頂進(jìn)坡度大所造成的頂管摩擦阻力大所出現(xiàn)的頂管頂進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)管道抱死、刀盤(pán)磨損嚴(yán)重等現(xiàn)象。文章主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)輸水鋼管頂進(jìn)過(guò)程中工作井后背墻設(shè)計(jì)施工、頂進(jìn)方向控制、頂進(jìn)供水反砂、高膨潤(rùn)土接觸灌漿制備等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究,以解決大直徑大坡度輸水鋼管頂進(jìn)施工困難,提高施工效率,在保證施工質(zhì)量的同時(shí)確保工期如期完工。
大直徑大坡度輸水鋼管頂進(jìn)施工是在某中型水庫(kù)新建,該水庫(kù)工程等級(jí)為Ⅲ等,總庫(kù)容1 057 萬(wàn)m3,水庫(kù)大壩為均質(zhì)土壩,以灌溉為主,兼具防洪、供水等功能,水庫(kù)設(shè)計(jì)日供水規(guī)模3 萬(wàn)m3。本次新建輸水隧洞平面長(zhǎng)度約197 m,進(jìn)口段高程為56.00 m,出口段高程為39.34 m,供水高差為16.66 m。
新建輸水隧洞頂管施工中,主要采用DN 2 000 mm×20 mm大直徑壓力鋼管頂管,頂進(jìn)坡比為1∶11.828,其坡度為8.455%,頂進(jìn)坡度大,輸水隧洞軸線(xiàn)所經(jīng)巖體風(fēng)化巖體占80%以上,砂巖層整體強(qiáng)度較好,而進(jìn)出口段均為強(qiáng)風(fēng)化巖體為主,進(jìn)口和出口段的工程地質(zhì)條件相對(duì)較差,殘積粉質(zhì)粘土層遇水易軟化,弱風(fēng)化巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育,極易垮塌,圍巖類(lèi)別為Ⅴ類(lèi),進(jìn)出口段及隧洞內(nèi)局部較破碎的洞段應(yīng)進(jìn)行襯砌處理,在襯砌時(shí)應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的排水孔,其頂管施工縱斷面如圖1所示。
圖1 輸水頂管頂進(jìn)施工縱斷面Fig.1 Longitudinal Section of Jacking Construction of Water Pipe Jacking
1.2.1 設(shè)備選型
根據(jù)頂管機(jī)頂力計(jì)算、頂管傳力計(jì)算及后背墻允許頂力驗(yàn)算選用合適的D2000 型頂管機(jī)和頂管系統(tǒng)設(shè)備。其中頂管機(jī)頂力估算可按《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程:CECS 246∶2008》[8]公式12.4.1驗(yàn)算;DN2000壓力鋼管選用Q235B 材質(zhì),頂管傳力面最大頂力驗(yàn)算按文獻(xiàn)[8]公式8.1.3驗(yàn)算;后背墻允許頂力按《頂管施工技術(shù)及驗(yàn)收規(guī)范(試行)》[9]驗(yàn)算。
1.2.2 材料選擇
為減少大直徑大坡度輸水鋼管頂進(jìn)阻力,所選用的高膨潤(rùn)土(Ksst泥漿)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。
表1 膨潤(rùn)土技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Technical Index of Bentonite
工作井大坡度定向設(shè)計(jì)施工中,為了保證頂管機(jī)在頂進(jìn)過(guò)程中能保持8.455%坡度頂進(jìn),主要是在工作井中修筑具有相同坡度的三角形鋼板混凝土后背墻,輸水頂管頂進(jìn)施工橫剖面圖如圖2所示,輸水頂管頂進(jìn)施工縱剖面圖如圖3所示,為實(shí)現(xiàn)8.455%坡度頂進(jìn)方向的后背支撐,工作井主要采用明挖井體澆筑鋼筋混凝土施工,井壁、底板采用C25 混凝土,鋼板墊塊二期采用C30 混凝土,墊層、后背墻回填C15 混凝土,其中后背墻寬度為5 m,工作井洞與巖體間預(yù)留頂管機(jī)械空間后回填C15 混凝土防滲封堵,在工作井施工前,其定位朝向應(yīng)當(dāng)根據(jù)進(jìn)出口位置進(jìn)行推導(dǎo)確定,工作井施工如圖4所示。
圖2 輸水頂管頂進(jìn)施工橫剖面Fig.2 Longitudinal Section of Jacking Construction of Water Pipe Jacking (mm)
圖3 輸水頂管頂進(jìn)施工縱剖面Fig.3 Longitudinal Section of Jacking Construction of Water Pipe Jacking (mm)
圖4 工作井施工Fig.4 Working Well Construction
頂管頂進(jìn)大坡度方向施工控制主要通過(guò)激光經(jīng)緯儀及后背墻的位置進(jìn)行靜態(tài)定位控制,激光經(jīng)緯儀及后背墻位置設(shè)置如圖5 所示,工作井中后背墻的具體支撐位置及激光經(jīng)緯儀設(shè)置點(diǎn)時(shí),應(yīng)根據(jù)隧洞進(jìn)出水口的位置,采用導(dǎo)線(xiàn)法及平移法相結(jié)合的方式,二者位置應(yīng)當(dāng)設(shè)置在出口至進(jìn)口延長(zhǎng)線(xiàn)上,頂管機(jī)位置安裝施工如圖6所示。
圖5 激光經(jīng)緯儀安裝施工Fig.5 Construction of Laser Theodolite Installation
圖6 頂管機(jī)位置安裝施工Fig.6 Construction for Position Installation
同時(shí)通過(guò)頂管智能控制中心對(duì)頂進(jìn)坡度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),動(dòng)態(tài)糾偏,根據(jù)偏差程度的不同可采取超挖糾偏法、工具管糾偏法和強(qiáng)制糾偏法進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制,非必要情況要盡量避免出現(xiàn)后兩種方法,以確保大坡度頂進(jìn),頂管頂進(jìn)大坡度智能監(jiān)測(cè)控制如圖7所示。
圖7 頂管頂進(jìn)大坡度智能監(jiān)測(cè)控制Fig.7 Intelligent Monitoring Control Chart of Pipe Jacking with Large Slope
頂管頂進(jìn)過(guò)程中,在每節(jié)鋼管安裝焊接完成后于管內(nèi)放置若干G50 供水鋼管,隨著每節(jié)鋼管頂進(jìn)后,采用從外面抽水,通過(guò)從刀盤(pán)后面供水的方式將頂管機(jī)刀盤(pán)破碎的砂土通過(guò)供水管沖洗出大直徑輸水鋼管外,洗出的砂土外排進(jìn)預(yù)先設(shè)置好的沉沙池中,外排水反砂施工如圖8所示。
圖8 外排水反砂施工Fig.8 External Drainage Anti-sand Construction
本次輸水工程根據(jù)工程地質(zhì)滲透系數(shù)大小主要分為3類(lèi),已有徐睿等人研究發(fā)現(xiàn):在滲透系數(shù)較小的土層中,泥水比重可控制在1.05 以下;在滲透系數(shù)適中的土層中,必須保持泥水穩(wěn)定,即泥水中除必須含有一定比例的粘土外,還須加一定比例的膨潤(rùn)土,保持泥水穩(wěn)定[10],經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定,滲透系數(shù)始終的土層的泥水比重可控制在1.05~1.10 之間;而在滲透系數(shù)大的土層,其透水性較強(qiáng),泥水的濃度應(yīng)適當(dāng)增加,其比重控制在1.10~1.20 之間,高濃度泥水可以在頂管機(jī)挖掘面上形成泥膜,保持挖掘面的穩(wěn)定,通常泥水循環(huán)利用會(huì)損失一些粘土,這時(shí)要不斷地向循環(huán)水中加粘土或膨潤(rùn)土來(lái)補(bǔ)充,粘土用量通常占水泥用量10%~15%,但因粘土性能參數(shù)不定,容易成團(tuán)結(jié)塊,流動(dòng)性能差,不易與泥水有效摻和,因此在實(shí)際施工中通過(guò)采取摻加高膨潤(rùn)土的方式居多。
根據(jù)上述工程地質(zhì)滲透系數(shù)大小3種情況結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工試驗(yàn)對(duì)比,分別確定了M7.5、M10、M20 共3 組高濃度膨潤(rùn)土的砂漿配合比,其中M20組主要添加了緩凝型高性能減水劑,3 組分別采取正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法優(yōu)選最佳參數(shù),最終確定3 組砂漿施工配合比如表2所示。
表2 不同強(qiáng)度等級(jí)砂漿摻膨潤(rùn)土試驗(yàn)參數(shù)Tab.2 Test Parameters of Different Strength Grades Mortar Mixed with Bentonite
在制備觸變泥漿進(jìn)行減阻時(shí),膨潤(rùn)土∶水按質(zhì)量比1∶1 稱(chēng)量,采用機(jī)械攪拌桶把水、膨潤(rùn)土進(jìn)行攪拌罐,然后流入儲(chǔ)漿罐靜置12 h,使其充分吸收,膨潤(rùn)成膠體,觸變泥漿減阻應(yīng)遵循“機(jī)尾為主、先注后頂、邊頂邊注、不注不頂”的原則進(jìn)行控制。泥漿攪拌采用ZJ-1500 型高速回轉(zhuǎn)式攪拌機(jī),泥漿池設(shè)置上應(yīng)靠近工作井邊,沉淀池靠近泥漿池,泥水處理器布置在沉淀池上面,注漿泵要靠近工作井,泥漿池漿口宜高出箱底500 mm,出漿口宜設(shè)置截止閥,再通過(guò)軟管與進(jìn)漿泵連接;排漿泵安裝在井內(nèi)或管道內(nèi),井內(nèi)安裝高度宜高出井底500 mm,管內(nèi)安裝宜離開(kāi)頂管機(jī)50~70 m;管路拐彎處應(yīng)使用彎頭連接。注漿系統(tǒng)使用螺桿泵,并配置減壓系統(tǒng),在注漿泵出口1 m 外以及頂管機(jī)頭注漿處各安裝一只隔膜式壓力表,觀(guān)測(cè)注漿壓力。在頂管施工完成后,應(yīng)及時(shí)對(duì)頂管頂進(jìn)施工質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè),可以采用超聲波(UT)對(duì)鋼管的焊接質(zhì)量進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。
大直徑大坡度輸水鋼管頂進(jìn)施工技術(shù)主要工藝流程如圖9所示。
圖9 大直徑大坡度輸水鋼管頂進(jìn)施工工藝流程Fig.9 Process Flow Chart of Jacking Construction of Large Diameter and Large Slope Water Conveyance Steel Pipe
⑴通過(guò)在工作井內(nèi)設(shè)置8.455%大坡度的大塊三角形鋼板混凝土后背墻,能提供8.455%大坡度頂管頂進(jìn)后背支撐,保證DN 2 000 mm×20 mm 大直徑壓力鋼管能定向、精準(zhǔn)精準(zhǔn)頂進(jìn)。
⑵在不通視的條件下,根據(jù)進(jìn)出口的位置,采用導(dǎo)線(xiàn)法及平移法相結(jié)合的方式確定大坡度方向及激光經(jīng)緯儀設(shè)置點(diǎn),始終保持頂管機(jī)的測(cè)量靶的中心與激光斑點(diǎn)中心重合,結(jié)合頂管智能調(diào)控中心對(duì)頂進(jìn)坡度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)糾偏,動(dòng)靜結(jié)合地保證頂管能沿著8.455%大坡度方向頂進(jìn)施工。
⑶采用供水反沙法結(jié)合施加高濃度膨潤(rùn)土結(jié)合的方式能有效降低大坡度頂管頂進(jìn)弱風(fēng)化巖體的摩擦力,能有效降低砂石抱死管道的發(fā)生,節(jié)省施工成本,縮短施工工期。
⑷總結(jié)形成一套適用于大直徑大坡度輸水鋼管頂進(jìn)施工工藝流程,可為類(lèi)似工程提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。