范志超

（中國(guó)電建市政建設(shè)集團(tuán)有限公司,天津 300384）

0 引言

目前我國(guó)所應(yīng)用的頂管機(jī)大部分為氣壓平衡頂管機(jī)、泥水平衡頂管機(jī)和土壓平衡頂管機(jī)[1-3]。這幾種頂管機(jī)對(duì)地質(zhì)條件要求均比較苛刻。在復(fù)雜的地質(zhì)條件下，施工方要提前考慮頂管的成功率，把各種情況分析透徹，才能使頂管成功率增加。雖然泥水平衡頂管機(jī)中有破巖頂管機(jī)，但破巖頂管機(jī)一般管徑較大，尺寸型號(hào)與設(shè)計(jì)管道不相符，且造價(jià)較高，因此，該項(xiàng)施工技術(shù)借助隧道礦山法施工特點(diǎn)，對(duì)頂管管道前面土體進(jìn)行水泥水玻璃雙漿液超前加固，改善開挖土體塑性和流動(dòng)性，并有效地進(jìn)行止水，形成礦山法開挖頂管管道做襯砌的施工技術(shù)[4-5]。為此，該文結(jié)合廣州水環(huán)境治理工程，從頂管設(shè)計(jì)、施工階段的逐漸摸索，穿越河涌底部碎石帶、流沙帶等復(fù)雜條件下的頂管施工方面，總結(jié)了頂管施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)。該文的研究成果對(duì)同類型工程的設(shè)計(jì)和施工具有重要的指導(dǎo)意義。

1 工程背景

廣州市車陂涌、棠下涌治理工程為城市雨污水管網(wǎng)治理工程。車陂涌片區(qū)二期工程龍洞北路位于廣汕路以北，龍洞東路以東，全長(zhǎng)534 m，其中頂管施工443 m。如圖1所示。該文采用了一種高效的頂管施工方法，即逆作法。該方法是指在所有的工作井、接收井和中間檢查井中，先從下游向上游挖掘，再?gòu)纳嫌蜗蛳掠瓮七M(jìn)頂管。頂管的推進(jìn)過(guò)程中，使用了泥水平衡頂管機(jī)，該機(jī)能夠在土層中形成穩(wěn)定的泥餅，并保持土層和泥水的壓力平衡，從而減少地面沉降和土層變形。其中QWB4-QWB5為過(guò)車陂涌頂管，采用DN1800鋼筋混凝土管做套管，內(nèi)設(shè)D820雙排焊接鋼管（雙排過(guò)涌管便于后期維護(hù)管理），QWB4位于車陂涌右岸龍洞北路上，QWB5位于車陂涌左岸綠化帶內(nèi)。根據(jù)廣州市車陂涌棠下涌治理工程巖土工程勘察報(bào)告顯示，該區(qū)域內(nèi)巖土分層為頂管穿越地層，主要為中粗沙層，局部為粉細(xì)砂層，上部覆蓋層為沙層、淤泥和雜填土層，在穿越河涌擋墻基礎(chǔ)及河涌底部處為大量的拋石擠淤塊石，普通泥水平衡頂管機(jī)無(wú)法正常通過(guò)。

圖1 工程示意圖

2 施工技術(shù)措施分析

由于過(guò)涌頂管采用普通泥水平衡頂管機(jī)無(wú)法正常頂進(jìn)，且河涌水系發(fā)達(dá)，河涌底部土質(zhì)含水量已趨于飽和狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)頂管工程目標(biāo)，該段頂管采用了礦山法施工技術(shù)。該技術(shù)的原理是，在頂管機(jī)前方的土層中注入水泥水玻璃雙液漿體，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)和物理作用，將土體中的游離水分排出并迅速固化。這樣可以顯著提高土層的力學(xué)性能，包括黏結(jié)力、內(nèi)摩擦角、抗剪強(qiáng)度和密度等，達(dá)到加固效果。同時(shí)，注漿后的土層具有較低的滲透性和較高的防水性能，形成了有效的隔水層，再配合人工挖掘和頂管機(jī)推進(jìn)，就可以逐漸完成頂管施工。

2.1 施工圍堰加壓與導(dǎo)流

通過(guò)填筑跨河涌圍堰，使圍堰能夠滿足最小覆土厚度要求，保證施工作業(yè)面安全。對(duì)河涌底底板進(jìn)行兩排全斷面封閉，采用兩排D800管材對(duì)河涌水進(jìn)行導(dǎo)流，如圖2所示，圍堰高度取2 m，區(qū)域內(nèi)用帆布敷設(shè)，且用土袋圍堰進(jìn)行填充，避免對(duì)河涌的污染。圍堰加壓有助于頂管超前注漿及頂管頂進(jìn)時(shí)河涌底板壓力滿足施工要求。為了保證圍堰的穩(wěn)定性和防滲性能，建議使用黏性土或砂夾黏土作為填充材料。在進(jìn)行圍堰的填筑時(shí)，應(yīng)按照從上游到下游的順序進(jìn)行，并在下游處實(shí)現(xiàn)閉合，如圖3所示。

圖2 掌子面注漿孔布置圖

圖3 施工圍堰加壓與導(dǎo)流現(xiàn)場(chǎng)平面布置圖

2.2 注漿加固

該施工工藝最主要工序?yàn)樗嗨Ａщp液漿注漿工序，注漿效果直接影響技術(shù)實(shí)施的可行性。一是隔水效果要好，二是必須形成固結(jié)面，缺一不可。注漿材料選用水泥漿液和水玻璃溶液，按照設(shè)計(jì)配合比配置注漿溶液，該工程所需的主要材料有以下要求：①水泥材料應(yīng)選用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，并且進(jìn)場(chǎng)材料應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范的規(guī)定；②雙液注漿原材料中的水玻璃，其模數(shù)應(yīng)控制在2.4~3.2的范圍內(nèi)，其濃度應(yīng)不低于40 Be（波美度）；水泥水玻璃雙漿液作為快凝漿液進(jìn)行注漿時(shí)，其注漿壓力應(yīng)不超過(guò)1 MPa，并且在不影響注漿效果的情況下，盡可能降低注漿壓力，同時(shí)控制漿液流量在10~20 L/min的水平上。

現(xiàn)場(chǎng)該次注漿孔位按照50 cm×50 cm梅花形布置，一次注漿孔深為6 m，掌子面注漿布置如圖3所示。注漿孔采用手持鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔。注漿采用小導(dǎo)管注漿法，小導(dǎo)管為帶孔的塑料管，然后向鉆孔孔內(nèi)灌入封閉泥漿（或封孔器封孔），通過(guò)在管道前方土體鉆進(jìn)的孔中插入注漿管，通過(guò)一定的注漿壓力將雙漿液壓入土體內(nèi)。為了避免注漿孔發(fā)生塌孔現(xiàn)象，可在注漿孔的開口處設(shè)置適當(dāng)長(zhǎng)度的孔口管。該孔口管不僅可以在鉆孔過(guò)程中起到導(dǎo)向作用，還可以在注漿過(guò)程中安裝孔口封閉裝置，防止?jié){液外溢。注漿孔的平面布置圖見圖4。注漿施工的順序是從下部向上部逐層進(jìn)行，同時(shí)采用對(duì)稱和跳距的注漿方式，以防止?jié){液竄流或壓力不均，從而提高漿液的力學(xué)性能和約束效果?，F(xiàn)場(chǎng)注漿效果如圖5所示。

圖4 注漿孔平面布置圖

圖5 現(xiàn)場(chǎng)注漿效果圖

2.3 礦山法輔助頂管施工

該工程采用礦山法頂管施工技術(shù)，所需的主要設(shè)備有工具管、油缸支架、主頂油缸、主頂泵站、導(dǎo)軌、穿墻止水等。圖6為工作井內(nèi)主頂設(shè)備的安裝示意圖。

在進(jìn)行頂管管道的推進(jìn)之前，必須先推進(jìn)工具管，以便控制管道的方向和高程。在開挖土層時(shí)，應(yīng)避免超挖的情況發(fā)生。設(shè)備安裝好后，要檢查管道軸線是否與工作井軸線、導(dǎo)軌軸線和主頂油缸軸線對(duì)齊，如有偏差要及時(shí)調(diào)整。確認(rèn)無(wú)誤后，再安裝調(diào)試電路、油路和注漿系統(tǒng)。該工程使用礦山法頂管施工技術(shù)，開挖方式為人工手持風(fēng)鎬破土開挖。因此，在工具管內(nèi)挖土?xí)r要控制管腔挖土量在300 mm以下，按照由上而下的順序逐層開挖。由于管道內(nèi)有地下滲水，因此，開挖時(shí)要隨時(shí)注意滲水量的變化，水量增多時(shí)要及時(shí)采取堵漏措施。管內(nèi)出土擬采用軌道礦車進(jìn)行運(yùn)輸，經(jīng)卷?yè)P(yáng)機(jī)將裝滿棄土的斗車扯水平牽引出管外，頂管施工流程詳見圖7。

圖7 頂管施工流程圖

3 管道失穩(wěn)與涌水涌沙處理技術(shù)措施分析

3.1 管道失穩(wěn)原因分析

該文針對(duì)礦山法頂管施工中可能出現(xiàn)的管道失穩(wěn)現(xiàn)象進(jìn)行了分析和改寫。工具管后方的管道軸線如果出現(xiàn)不受控制的彎曲，并且彎曲程度不斷加大，就稱為管道失穩(wěn)。這種情況主要發(fā)生在頂管施工的長(zhǎng)距離和超長(zhǎng)距離情況下，所以要嚴(yán)格控制管道的軸線。導(dǎo)致管道失穩(wěn)的直接原因是側(cè)向力。礦山法頂管施工理論上只有在直線推進(jìn)時(shí)才沒(méi)有側(cè)向分力，但實(shí)際上頂管施工過(guò)程中難免會(huì)有一些偏差。一旦有了偏差，就會(huì)產(chǎn)生側(cè)向力。當(dāng)側(cè)向力達(dá)到一定程度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致管道的軸線失穩(wěn)。一旦失穩(wěn)，就會(huì)使得管道的軸線彎曲更加嚴(yán)重，并且增加側(cè)向力，從而形成一個(gè)惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致頂管施工失敗。因此，在礦山法頂管施工中必須采取有效的措施來(lái)防止或減少管道失穩(wěn)的可能性。根據(jù)分析，造成管道失穩(wěn)的主要原因有以下幾種：

（1）不穩(wěn)定的土體：如果在不穩(wěn)定的土體中進(jìn)行頂管施工，那么土體對(duì)于管道的支撐作用就會(huì)很弱，從而使得管道的軸線容易發(fā)生位移。

（2）土體承載力過(guò)低：如果土體的承載力過(guò)低，那么土體對(duì)于頂管施工中產(chǎn)生的側(cè)向力就無(wú)法形成有效的平衡力，從而使得管道的軸線容易發(fā)生位移。

（3）施工軸線偏差過(guò)大：如果施工軸線與設(shè)計(jì)軸線有較大的偏差，就會(huì)造成管道的軸線彎曲，并且隨著偏差的增大，彎曲率和側(cè)向力也會(huì)增大，從而引發(fā)管道軸線失穩(wěn)。尤其是當(dāng)管道軸線向上彎曲時(shí)，頂力的側(cè)向分力也會(huì)向上作用，使得管頂土層的壓力不夠。覆蓋層的厚度越小，管道軸線失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)越高。

（4）在軟黏土中施工時(shí)，如果覆蓋層過(guò)薄，過(guò)量注入觸變泥漿可能導(dǎo)致洞穴擴(kuò)大，覆蓋層上升，洞穴向上發(fā)展。洞穴擴(kuò)大部分被觸變泥漿填充，管道上浮，造成管道軸線彎曲，側(cè)向力增加，引發(fā)管道失穩(wěn)。

3.2 頂管施工流沙處理措施

流沙處理方法是一種綜合性的施工技術(shù)，結(jié)合了換土墊層法和排水固結(jié)法的各自優(yōu)勢(shì)，既能改善流沙的物理性質(zhì)，又能加速流沙的固結(jié)過(guò)程，施工現(xiàn)場(chǎng)防止流沙情況采用超前注漿的工藝對(duì)頂管前端進(jìn)行水泥水玻璃超前注漿加固處理，保證工作面的穩(wěn)定。首先是施工現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備好DN1800折疊式止水面板（含混凝土澆筑預(yù)留口）和折疊式后靠支架，由于此段地質(zhì)條件較差，開挖過(guò)程中若出現(xiàn)流沙現(xiàn)象，用雙漿液注漿處理，如果流沙較大，立即用折疊式止水面板進(jìn)行封堵，后靠支架支設(shè)牢固，在預(yù)留口位置注射混凝土，以確定斷面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，待混凝土終凝后，拆除支架和面板，對(duì)結(jié)構(gòu)斷面進(jìn)行再次注漿加固，以提高其穩(wěn)定性和耐久性，確保作業(yè)人員安全。

4 結(jié)語(yǔ)

富水砂層一直是非開挖管網(wǎng)施工的重難點(diǎn)地段，一直未有很好的處理措施。為此，該文結(jié)合廣州水環(huán)境治理工程，從頂管設(shè)計(jì)、施工階段的逐漸摸索，穿越河涌底部碎石帶、流沙帶等復(fù)雜條件下的頂管施工，總結(jié)了頂管施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)，提出了一種礦山法輔助過(guò)涌頂管復(fù)雜地層施工技術(shù)措施。該施工技術(shù)措施將礦山法開挖的技術(shù)思路進(jìn)行延伸，形成礦山法開挖頂管管道做襯砌的技術(shù)措施，解決了城市管網(wǎng)通過(guò)復(fù)雜地帶的一大難題。在富水砂層進(jìn)行管網(wǎng)施工是一項(xiàng)具有高難度的工程任務(wù)，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體條件，制定出科學(xué)合理的技術(shù)方案，并進(jìn)行有效的動(dòng)態(tài)控制，以保證工程質(zhì)量和效率。