謝 旭 智

(中國水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 610213)

1 概 述

在市政工程橫跨高速公路等結構物的給水工程與電力管廊工程建設過程中,頂管施工技術在實際施工中具有特別重要的意義。但因頂管施工技術的特殊性及專業(yè)性,在其應用過程中對其技術的專業(yè)性、技術性要求較高。因此,如何正確做好頂管施工并進一步改善其使用效果,使頂管施工技術具備普遍的適應性和可操作性,就需要以工程實際和該施工方法的特點為出發(fā)點,對施工中的各個環(huán)節(jié)進行標準化作業(yè),精細化控制,方能使頂管施工技術的特點得到充分發(fā)揮和提升,達到將橫跨高速公路的給排水工程、電力通信綜合管廊工程對高速公路的影響降到最小的目的。

筆者結合某市政項目橫跨高速公路零沉降要求著重介紹了泥水平衡頂管法的具體運用過程。

某市政項目跨高速公路段的新建給水管總長度為150 m,管材選用Ⅲ型鋼筋混凝土管,管徑為800 mm;新建纜線管廊(電力通信)的總長度為133 m,管材選用Ⅲ型鋼筋混凝土管,管徑為1 500 mm。頂管井采用井坑法施工,其中新建Φ6 000 mm雨水頂管工作井2座,纜線管廊工作井2座,Φ4 000 mm頂管接收井2座,新建纜線管廊接收井2座。其典型橫斷面見圖1。

圖1 典型橫斷面圖

2 施工方案比選

2.1 施工方案的初步擬定

該頂管施工條件受外部環(huán)境制約多,主要表現(xiàn)在工作井、接收井緊貼瀘黃高速,頂管橫穿高速公路,施工時會對高速公路基礎造成不利影響。受以上因素限制,項目部初步擬定了兩種方案。兩種施工方案之施工工藝對比情況見表1。

表1 兩種施工方案之施工工藝對比表

2.2 兩種施工方案的分析與對比

方案1采用的施工方法為泥水平衡頂管,即工作井和接收井需要開挖、管道不進行明挖的技術進行地下管線的鋪設施工。通過工作井將需要鋪設的管線利用設備頂入地下管線中的設計位置并能曲線穿行以繞開一些地下管線或障礙物。

方案2采用的施工方法為手掘式頂管,即工作井和接收井施工完成后在工作井澆筑底板的同時布設導軌,并在井中安裝起重設備以供出土用,利用人工邊挖土、邊出土的方法[1]。

兩種施工方案具有的優(yōu)缺點對比情況見表2。

表2 兩種施工方案具有的優(yōu)缺點對比情況表

2.3 施工方案的確定

項目部技術人員對以上兩種方案進行了對比分析,結合該項目的現(xiàn)場實際情況,將最優(yōu)方案選擇為方案1,其原因為:

(1)由于兩段頂管皆需下穿高速公路且其最深的覆土厚度僅為6.9 m,且其最小的覆土厚度僅為1 m;而手掘式頂管施工對高速公路造成的沉降影響過大。因此,為保障高速公路正常運行,避免由于頂管施工對高速公路造成的影響最終選擇了泥水平衡頂管施工方案。

(2)該項目總體工期短,工期較為緊張。而手掘式頂管效率低,工期長;泥水平衡頂管施工效率高,工期短。為滿足施工進度要求,最終選擇了泥水平衡頂管施工方案。

(3)考慮到頂管的內(nèi)徑僅為800 mm,手掘式頂管實際施工難度較大且其安全系數(shù)較低。為保證施工人員安全,最終選擇了泥水平衡頂管施工方案。

3 施工工藝

3.1 施工要求

(1)頂管施工前,應在頂管施工周圍設置觀測點,用以監(jiān)測建筑物的位移沉降、傾斜和裂縫,施工時如因排水量過大而出現(xiàn)沉降,應及時通知相關單位采取處理措施[2]。

(2)頂管管材必須符合相應的規(guī)范及設計要求。對于管道覆土厚度超過Ⅲ級管最大允許厚度的管段,訂貨時應向制管廠申明,要求制管廠根據(jù)管道的設計覆土厚度對管壁進行加強;頂管采用泥水平衡頂管法施工并采取有效防止地面隆起的措施。

(3)在頂管頂進過程中,必須嚴格控制頂管軸線上所有點的偏差:①糾偏過程應有記錄;②施工過程應繪制工具管偏差軌跡;③竣工資料中應有竣工管軸線實測圖。

(4)頂管頂進過程中,必須加觸變泥漿進行減阻,觸變泥漿的配比應根據(jù)現(xiàn)場圖紙、地下水水質(zhì)適配情況確定。在頂管頂進過程中,工具管的壓漿應超前于頂進,管外的泥漿不能倒流,應保持泥漿套的壓力,對中長距離的頂管全線應設補漿孔。

(5)頂管頂進過程中,施工單位應依據(jù)工程情況確定頂力,對中長距離的頂管應根據(jù)現(xiàn)場實際情況安裝中繼環(huán)。

(6)頂管施工過程中,應加強對周邊建筑物沉降和水平位移的觀測,及時分析并整理觀測結果,若發(fā)現(xiàn)異常應立即停止施工并及時報告業(yè)主、設計及監(jiān)理單位,以便及時采取處理措施。該項監(jiān)測工作應安排專人24 h不間斷進行。

(7)為保護頂管位置其他地下管線的安全,施工時應“低速頂進、壓住機頭、克服上翹、防止地面隆起”。

3.2 泥水平衡頂管施工工藝流程

3.2.1 頂管井施工

測量放線完成后進行工作井、接收井坑的開挖及混凝土施工。

(1)施工流程。頂管井混凝土施工采用循環(huán)作業(yè),按照設計要求逐層開挖并澆筑混凝土。施工流程為:開挖→鋼筋制安→模板施工→混凝土澆筑→拆模→下一層施工[3]

(2)開挖。開挖前,由測量放線人員根據(jù)圖紙尺寸進行樁位測放,經(jīng)校核無誤后用紅磚砌出200 m高、240 mm厚的樁護圈,并用醒目的坐標標記物呈三角形布置,在護圈上標出樁心十字型線后方可進行土方的開挖施工。采用人工從上至下逐層用鎬、鍬挖土,挖土順序為先中間、后周邊,其尺寸的允許偏差不得超過規(guī)定的數(shù)值。按定位出的中心采用十字吊線檢查孔中心的坐標和孔徑,然后按工序進行施工,依次循環(huán)作業(yè)至設計要求的深度[4]。

對于開挖出的渣土使用吊桶提升至井外,并用小斗車運至渣土堆放場地,最后統(tǒng)一運至指定區(qū)域存放。

(3)鋼筋制安。井壁鋼筋在鋼筋加工廠預先下料加工完成后拉至現(xiàn)場進行安裝綁扎。鋼筋的綁扎必須按照設計圖紙的要求進行,保護層預留3 cm。鋼筋安裝完成后,經(jīng)點位校核并由現(xiàn)場監(jiān)理工程師檢查驗收后方可進行模板的安裝。

(4)模板施工。井壁模板采用鋼模板并按井徑分塊拼裝。安裝前應涂刷脫模劑,安裝時使用專用扣件連接并固定,沿模板底打短插筋進行加固,拼裝中留一道接縫夾一根鋼管以便于拆模;采用鋼管加固、支撐對頂。模板的安裝按照設計結構邊線進行控制并需保證結構的尺寸。

(5)混凝土澆筑。井壁混凝土采用C30抗?jié)B混凝土,厚度為200 mm?；炷劣傻跛脱b置下送,采用圓形防護板或?qū)Ｓ闷脚_作布料臺;應對稱澆筑,防止模板側移或跑位;應按要求振搗密實,每次澆筑時按分層厚澆筑,防止漏搗、過振。首節(jié)井壁混凝土拆模后放出中心線及標高。

(6)拆模。井壁混凝土終凝8 h后或強度達到拆模要求后方能拆除支撐。拆模時,先拆除鋼管等外部加固件,再拆除模板;對于拆下的模板應及時進行清潔,堆放規(guī)整;對于變形的模板,應及時修整或更換,然后進行下一節(jié)護壁的施工。

3.2.2 泥水平衡頂進施工方案及施工工藝

泥水平衡式頂管是一種全斷面切削土體、以泥水壓力平衡土壓力和地下水壓力、以泥水作為輸送棄土介質(zhì)的機械自動化頂管施工方法。其基本原理是將置于工作井中的頂管掘進機通過主頂油缸向前推進至止水圈后,由電動機提供能量轉(zhuǎn)動掘進機頭刀盤切削土層、粉碎石塊,并使之進入泥水艙與泥漿混合,然后由泥漿系統(tǒng)的排泥管泵送至地面;與此同時,機頭連同管道在持續(xù)頂進力的作用下最終穿過土層到達接收井。在挖掘過程中,采用泥水平衡裝置維持水土平衡,使頂進的管道始終處于主動與被動土壓之間,以達到消除地面的沉降和隆起的效果。

根據(jù)設計文件并結合現(xiàn)場實際情況,雨水頂管及管廊頂管均采用泥水平衡頂進的方式施工,采取分段獨立作業(yè)的方法,即待部分頂進段工作井和接收井施工完成后根據(jù)現(xiàn)場具備頂進條件的頂管段進行頂進施工,分段作業(yè)以確保其按計劃完成施工任務。

3.2.3 設備選型

根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料及設計圖紙要求,該工程頂管施工區(qū)域的土質(zhì)主要為素填土。因此,對頂管機型的選擇最終為偏心破碎泥水平衡頂管機。泥水平衡式頂管機頂管施工形象見圖2。

圖2 泥水平衡式頂管機頂管施工形象示意圖

3.2.4 管材與接口

根據(jù)該工程的實際情況,頂管采用DN800和DN1500Ⅲ型鋼筋混凝土管。

管節(jié)的接口主要由外部套環(huán)(鋼質(zhì)套環(huán))、軟木襯墊、密封膠圈和彈性密封填料組成。外部鋼質(zhì)套環(huán)采用成品,運輸與吊裝過程中應注意對成品進行保護,避免其變形與接口損壞,以確保管節(jié)在對接過程中密封膠圈不跑位、不翻口,確保管節(jié)的密封性和有效性。

3.2.5 頂管測量

根據(jù)井位的坐標利用全站儀放出頂進軸線的方向及高程,將軸線放樣于工作井井壁的頂面和地面的適當位置。

利用水準儀放出洞口處的點,并通過點劃一條水平的橫線。安裝并調(diào)整激光發(fā)射器,將激光束打在通過點的水平橫線安裝經(jīng)緯儀并對中M點。瞄準標桿(通常設在接收井處),倒鏡觀察標靶,然后重新整平和對中經(jīng)緯儀,鎖定水平度盤。設備安裝與測量情況見圖3。

圖3 設備安裝與測量示意圖

在頂管頂進過程中,可能會因為外部原因造成激光發(fā)射器偏向或產(chǎn)生大的誤差,因此,需要在頂進過程中經(jīng)常檢查激光束的方向是否發(fā)生錯誤或偏差過大。

3.2.6 施工機械的安裝

(1)設備下井。頂管機頭采用吊車吊裝到位,包括頂進設備的裝拆、頂進管道的吊放和頂鐵的裝拆、材料的垂直運輸。 考慮到大直徑的頂管機機頭重量較大,在機頭吊裝過程中選用50 t汽車起重吊車進行安裝。

(2)頂進機械的組裝。該工程設備的組裝主要包含頂管機、主頂系統(tǒng)、泥水處理系統(tǒng)的安裝,其設備安裝的要點必須符合設備使用要求。

3.2.7 頂進施工

(1)頂進施工前的檢查。工作井內(nèi)的設備安裝完畢必須按照操作規(guī)程進行檢查,看其是否滿足相關要求;對于未達到要求的應及時進行調(diào)整,檢查動力、信號、液壓、糾偏、注漿、工作井旁通裝置等,確認各系統(tǒng)連接正常并處于良好狀態(tài)后方可開動機頭進行二次檢查確認及試機。

由測量工程師檢查激光經(jīng)緯儀系統(tǒng),查看儀器是否能夠正常使用及其測量誤差是否控制在允許范圍內(nèi)。若不在允許范圍內(nèi),應立即更換經(jīng)儀器檢定中心檢定合格的儀器。

(2)頂進施工。泥水平衡頂管工法見圖4。

圖4 泥水平衡頂管工法示意圖

①頂進工藝。有條件頂進施工時宜采用全自動頂進設備施工,各相關機械操作主要通過該系統(tǒng)集中控制臺控制相關參數(shù)。

②泥水平衡施工。頂進千斤頂,觀察工作倉中的土壓力表,調(diào)節(jié)渣漿泵的流量使其達到工作倉的泥水平衡。當進泥和吸泥泵穩(wěn)定工作時,調(diào)節(jié)進泥和吸泥的泵量,使工作倉內(nèi)保持一定的壓力,其倉內(nèi)的泥水壓力應與地下水壓力相平衡。泥水壓力過大地面將隆起;泥水壓力過小地面將沉陷,故控制頂進與出泥的速度非常關鍵。然后操作油缸進行頂進,直到頂進一節(jié)管。拆除供水、排泥管路,采用吊車將下一節(jié)套管安裝到作業(yè)坑內(nèi)。在套管的接口位置設置止水膠圈。在為減小應力集中套管接觸位置沿套管對接位置安裝緩沖墊片,重新安裝好排泥和供水管路,檢查機具、設備正常后啟動頂管機機頭和千斤頂繼續(xù)頂進,重復以上步驟,直至頂管完成。

③泥渣處理。對于施工中產(chǎn)生的泥水通過吸泥泵排到井上泥漿沉淀池或直接將其抽排至泥漿運輸車、運輸至指定場地進行處理。

4 橫跨高速公路頂管施工的質(zhì)量保證措施

(1)頂管的頂進主要分為初始或起始頂進和正常頂進。從破洞開始一直到第三節(jié)混凝土管全部推進入土中的全過程稱之為初始頂進。在頂管施工過程中,初始頂進是一個至關重要的階段,其成敗將決定整個頂管過程的成敗及施工是否順利。

初始頂進分為以下幾個步驟:

①開洞。開洞前,洞口必須要有防止土體、砂層等上方土體塌方的措施。該工程采用的是磚墻+米字型支撐封堵洞口,待井坑下沉到位、頂管之前應拆除米字型支撐及磚墻封門。

②頂管機入土。封門破除后,啟動頂管機刀盤,用主頂油缸緩緩將頂管機推入土中。這一過程應注意防止刀盤嵌入砂土中不轉(zhuǎn)而頂管機殼體旋轉(zhuǎn),同時觀測其在頂入過程中是否存在異常情況,在出洞入土過程中采取控制頂進速度和在頂管機左右兩側加設角撐的辦法防止其旋轉(zhuǎn)。

③將機頭后方的混凝土管與機頭管連接使其形成一個整體,用來控制頂進段的高程和中線在設計的要求之內(nèi),至此,初始推進工作完成。此時應停止作業(yè)、進行一次全面的測量數(shù)據(jù)收集并將測量數(shù)據(jù)繪成曲線以便于分析。

(2)刀盤轉(zhuǎn)速和扭矩的控制。頂進過程中,應根據(jù)實際地質(zhì)情況和頂進施工效果進行刀盤轉(zhuǎn)速和扭矩的控制與調(diào)整,待刀盤電流(或油壓)平穩(wěn)后再按照正常速度頂進。

(3)頂進設備的操作要點。頂進設備的操作應按前方頂進反饋效果的控制信息要求實施。應盡量控制頂進速度平穩(wěn),尤其要避免出現(xiàn)頂速突然加大、突進的現(xiàn)象。

(4)泥水控制。在泥水平衡頂管中對泥水的管理特別重要。正式頂進前應進行必要的計算以確定泥水的主要技術參數(shù)。泥水管理包括對流量、流速、壓力、相對密度等進行管理[5]。

①流速和流量。流速太小,泥砂會在管內(nèi)沉淀、堆積,可能會引起管道的堵塞;排水泥砂中含有較大的顆粒,當其粒徑大于排泥管內(nèi)徑1/3時其排出有困難。為了不造成管道堵塞,其流速必須大于一定值以滿足頂進需要,同時又不堵管,進而達到有效的平衡。

②泥水壓力。泥水壓力主要由排泥管的總長度和挖掘面地下水壓力共同決定。鑒于理論計算出的泥水壓力與現(xiàn)場實際情況相差較大,故工程對泥水壓力的控制主要根據(jù)作業(yè)隊伍以往的施工經(jīng)驗及頂進過程中路面的監(jiān)測情況確定合理的壓力,若監(jiān)測過程中路面隆起開裂或下沉超過允許值或路面周圍出現(xiàn)異常,必須立即停止作業(yè),同時調(diào)整泥水壓力。

③泥水濃度。根據(jù)實際地質(zhì)情況,滲透系數(shù)較小的土層其泥水比重一般在1.05以下;對于滲透系數(shù)適中的土層其泥水比重宜控制在1.05～1.10之間。除須含一定比例的黏土外,還須加入一定比例的膨潤土等以保持泥水穩(wěn)定;對于滲透系數(shù)較大的土層其泥水比重應控制在1.10～1.20之間。而泥水的循環(huán)利用會損失一些黏土,此時應不斷地向循環(huán)水中添加黏土或膨潤土進行補充,同時及時通過儀器測定泥水比重。

(5)糾偏操作。頂進過程中的糾偏是保證頂管質(zhì)量的關鍵,亦是保證頂管作業(yè)順利進行的保障,若操作不當可能會造成頂力驟升、管接口破損等質(zhì)量問題,嚴重時可能會造成管道無法頂進或施工的管道不滿足要求,甚至引發(fā)嚴重的安全、質(zhì)量事故和重大經(jīng)濟損失,尤其是在砂層中頂進,管道極易因泥水過度沖刷而造成頂管機機頭下沉、偏位。因此,對于頂進過程的糾偏就顯得尤為重要,必須做到動態(tài)糾偏,這也是保證頂管施工質(zhì)量的重要措施之一。

5 結 語

頂管施工做為一種常用的地下管線施工方法,尤其是在下穿結構物等設施時,具有對上部結構物無影響或者影響較小的特點,同時其具有施工快速、不影響地面結構、經(jīng)濟、高效的優(yōu)點。在針對高速公路、鐵路等重要設施施工管線時,因其具有的特殊性和重要性,對施工擾動要求特別高,同時又不得影響其正常使用的功能,因此,選用頂管法施工是最科學的施工方案。在施工過程中,通過加強施工管理、改進工藝工裝、采用精細化作業(yè)等方式將其對高速公路的影響降低至最小。該方案的實施對于類似的下穿重要結構的頂管施工方法具有一定的借鑒意義。