桑軍波

（石嘴山市星凱建筑安裝有限責(zé)任公司，寧夏 石嘴山 753000）

在現(xiàn)代城市基礎(chǔ)工程建設(shè)中，市政工程管網(wǎng)建設(shè)是最為重要的內(nèi)容，給排水管網(wǎng)作為城市居民生活基本保障的物質(zhì)基礎(chǔ)和發(fā)展需求，在快速的城市發(fā)展進程中扮演著十分重要的角色[1]。給排水管網(wǎng)的敷設(shè)由于距離長、穿越的城市障礙物多、施工對周邊環(huán)境影響大等特點，采用開挖方式的敷設(shè)方法不僅占用大量擁擠的城市空間，影響著城市居民的生活便利性，而且施工產(chǎn)生的土層擾動、噪聲和泥漿等，也給城市環(huán)境帶來負面影響[2]。另外，對于地下管網(wǎng)密集、既有地下結(jié)構(gòu)物不能開挖或者存在地表水體等障礙物等節(jié)點，采用開挖方式顯得無能為力，采用非開挖的頂管施工將是一個新的解決方案[3]。目前，頂管施工在我國的市政工程中應(yīng)用較多，但主要集中在短距離的頂進，對于長距離、超長距離的頂進施工案例較少，這是因為長距離的頂進面對的地層挑戰(zhàn)更為復(fù)雜，頂管的頂推力計算、頂管的力學(xué)受力特性、土層的擾動變化等控制難度更大[4]。

1 工程案例

1.1 工程概況

寧夏回族自治區(qū)石嘴山市某市政給排水長距離頂管施工項目為城區(qū)東片給排水管網(wǎng)干線，起止樁號為ZDK0+157.210～ZDK10+0657.21，全長約10.50 km，全線管道施工以頂管方式為主，部分地段含少量明挖段。樁號ZDK4+515.173～ZDK7+238.550、ZDK7+248.000～ZDK8+770.500、ZDK8+778.000～ZDK10+580.000 采用D2400 鋼筋混凝土管頂進，總長約6.048 km。全線共43 座豎井均采用沉井法施工。豎井深約19.6～25.2 m，頂管埋深9.2～17.2 m。工作內(nèi)容如表1 所示。

表1 某市政給排水長距離頂管施工項主要工程量

與短距離的頂管施工不同，長距離的頂管施工由于穿越的地層距離長、地層類型多以及穿越風(fēng)險高等特點，對頂管機的設(shè)備要求較高，同時本項目中的頂管尺寸較大，管段直徑為2 400 mm，由此產(chǎn)生頂管側(cè)摩阻力巨大，對頂進動力以及后背墻體反力都提出了更為嚴格的要求。綜合分析本項目的工程特點以及以往類似的工程經(jīng)驗[5]，本項目選擇的頂管機為DK2 000型封閉式土壓平衡頂管機，如圖1 所示。頂管機適用的地層較廣，可適用于黏性土、砂土和標貫技術(shù)小于30擊的礫石土，頂管機的外直徑為2 450 mm，長度是5 735 mm；頂管機采用全斷面施工，削切刀盤的電機功率為30 kW×5臺=150 kW，刀盤最大扭矩為15 000 kW·m，轉(zhuǎn)速為1 r/min；糾偏系統(tǒng)的油缸數(shù)量配備8 臺，油缸推力為800 t，糾偏泵站功率為5.5 kW，糾偏角度最大達到2.5°。施工頂進時，頂管機的出土形式為螺旋出土機軸端面出土，有效出土量每小時可以達到24 m3，出土系統(tǒng)的電機功率為35kW，螺旋出土機的轉(zhuǎn)速最大達到20 r/min，螺旋直徑420 mm。頂進機的頂進速度范圍為0 至200 mm/min，機頭的總功率可以達到185.5 kW，機頭總重量約49 000 kg，頂進的控制方式為機內(nèi)操控臺控制。另外，在長距離的給排水頂管施工過程中，中繼間配備的泵站型號為ZB520-高壓油泵，中繼間油缸為800 kN。

圖1 長距離給排水管網(wǎng)施工封閉式土壓平衡頂管機

1.2 工程地質(zhì)條件

工程場區(qū)為黃河流域沖擊層，沿線現(xiàn)狀主要為渠道、市政道路、荒地、既有住宅樓、菜地、湖塘等，場地現(xiàn)狀地形有一定起伏，高程在15.35～32.17 m 之間變化。覆蓋層由上而下主要由4 個單元層構(gòu)成，第1 單元層為人工填土（含現(xiàn)狀道路及路基）以及沖積黏土層；第2 單元層為一般黏性土、粉質(zhì)黏土層；第3單元層為老黏性土、老黏性土夾碎石以及黏質(zhì)砂、礫卵石層；第4 單元層為黏土及黏土夾碎石。各層土的力學(xué)參數(shù)如表2 所示。

表2 場區(qū)巖土工程力學(xué)性質(zhì)

2長距離市政給排水頂管施工關(guān)鍵工藝

2.1 長距離市政給排水頂管總體施工工藝

頂管施工是各個專業(yè)交叉施工的過程，它是依靠頂管掘進機電機系統(tǒng)驅(qū)動刀盤進行削切土體，排土系統(tǒng)（螺旋運輸機）進行土體移除，按照設(shè)定的線路進行開挖掘進，頂進設(shè)備將預(yù)制好的給排水鋼筋混凝土管節(jié)進行推擠，后續(xù)管節(jié)段依次推擠灌入，在頂管機頂進管片過程中，除了頂進設(shè)備的油缸提供動力之外，工作井的后座墻體也提供反力，長距離的市政給排水頂管總體施工工藝如圖2 所示。值得注意的是，由于長距離的市政給排水頂管施工屬于非開挖的施工工藝，穿越的地層類別眾多，特別是對于軟硬不均地層、存在孤石或者堅硬地下障礙物的情況，極易使得頂管機機頭出現(xiàn)偏位和變形，導(dǎo)致整體的頂管路徑出現(xiàn)偏差，使得給排水管片的整體線性不能滿足設(shè)計要求，也使得管片在頂進安裝過程增大了頂進助力，使得管片出現(xiàn)局部頂進壓碎，或者在頂管安裝完成后出現(xiàn)應(yīng)力集中，導(dǎo)致給排水管線出現(xiàn)開裂和滲流，影響使用效果，因此，對于頂管法施工時，需要采用有效的測量控制措施和配備強有力的糾偏系統(tǒng)，對頂進過程中的軸線平面坐標和高層進行實施監(jiān)測、反饋，當(dāng)出現(xiàn)管片頂進姿態(tài)偏離設(shè)定線形時，需啟動糾偏措施，使其逐步回到正常狀態(tài)。

圖2 長距離市政給排水工程頂管總體施工工藝

2.2 長距離市政給排水頂管施工受力分析和減摩效果

在長距離市政給排水頂管施工過程中，其主要的施工難點是克服長距離施工時刀盤阻力以及頂管周邊摩阻力，這些都涉及到復(fù)雜的土壓力演變過程，在基礎(chǔ)的土壓力理論基礎(chǔ)上考慮頂管上部覆蓋層厚度、土的內(nèi)摩擦力、注漿的影響因素。為此，有限元模擬分析軟件建立頂管模型進行數(shù)值計算，分析時上覆蓋土體的厚度取10.0 m，頂管的直徑與實際一致，為2 400 mm，管側(cè)壁的厚度為250 mm，頂管混凝土的彈性模量為3.2×104MPa，重度為30 kN/m，土體的內(nèi)摩擦角取10 個等級，從10°～55°，增加等級為5°。

無注漿時，刀盤阻力、管側(cè)壁摩阻力以及總頂進力隨著內(nèi)摩擦角的變化計算結(jié)果如圖3所示。圖中可以看出，隨著內(nèi)摩擦角的增加，給排水長距離頂管刀盤的阻力變化不大，總頂進力主要受到管側(cè)壁摩阻力的影響?？傢斶M力和管側(cè)壁摩阻力的變化規(guī)律一致，在土體內(nèi)摩擦角為10°～30°時，管側(cè)壁摩阻力和總頂進力隨著內(nèi)摩擦角的增加呈近線形增加，而大于30°后管側(cè)壁摩阻力和總頂進力突然降低，且隨著內(nèi)摩擦角的增加變化不大。

圖3 無注漿時刀盤阻力、管側(cè)壁摩阻力以及總頂進力隨著內(nèi)摩擦角的變化計算結(jié)果

注漿時，刀盤阻力、管側(cè)壁摩阻力以及總頂進力隨著內(nèi)摩擦角的變化計算結(jié)果如圖4所示。圖中可以看出，隨著內(nèi)摩擦角的增加，給排水長距離頂管刀盤的阻力變化不大，總頂進力主要受到管側(cè)壁摩阻力的影響?？傢斶M力和管側(cè)壁摩阻力的變化規(guī)律一致，在土體內(nèi)摩擦角為10°～30°時，管側(cè)壁摩阻力和總頂進力隨著內(nèi)摩擦角的增加呈近線形減小，而大于30°后管側(cè)壁摩阻力和總頂進力突然降低，且隨著內(nèi)摩擦角的增加呈近線形減小。由此表明，土體的側(cè)摩阻力越大，采取注漿后對減小管壁側(cè)摩阻力和總頂進力的效果越明顯。

圖4 注漿時刀盤阻力、管側(cè)壁摩阻力以及總頂進力隨著內(nèi)摩擦角的變化計算結(jié)果

3長距離市政給排水頂管施工軸線控制

在長距離給排水頂管施工中，控制管道的軸線線形顯得尤為重要，這不僅需要控制頂管的平面線形，還需要控制頂管軸線的高程，避免由于管道的線形曲率、坡度等不能滿足設(shè)計要求，產(chǎn)生施工誤差，影響運營效果。因此，在長距離頂管施工中，一般配合激光定位技術(shù)，對頂管的四周均勻布置的4 個點（上下左右）以觀測其平面坐標和高程變化，以指導(dǎo)頂管施工過程中，采取合適的糾偏措施對軸線的平面變形和高程位置進行控制。

以 里 程ZDK8+500～ZDK10+500 段 給 排 水頂管施工為例，對施工中的軸線的平面誤差進行觀測，監(jiān)測結(jié)果如圖5 所示。圖中的負值表示頂管向左偏移，正值表示頂管向右偏移，從圖中可以看出，長距離的給排水頂管向左偏移的最大值為44.35 mm，向右偏移的最大值為58.15 mm，整體平面偏移誤差平均值6.7 mm，均小于平面誤差控制值100 mm。

圖5 長距離市政給排水頂管施工平面誤差控制

對施工中的軸線的平面誤差進行觀測，監(jiān)測結(jié)果如圖6 所示。圖中的負值表示頂管向下偏移，正值表示頂管向上偏移，從圖中可以看出，長距離的給排水頂管向下偏移的最大值為58.48 mm，向上偏移的最大值為92.14 mm，整體高程偏移誤差平均值11.10 mm，均小于高程誤差控制值100 mm。

圖6 長距離市政給排水頂管施工平面誤差控制

4 結(jié)語

以寧夏回族自治區(qū)石嘴山市某市政給排水長距離頂管施工項目為研究對象，研究了施工過程中的頂管頂進力計算問題、泥漿減阻和地層變形，得到以下結(jié)論。

（1）無注漿時，隨著內(nèi)摩擦角的增加，給排水長距離頂管刀盤的阻力變化不大；在土體內(nèi)摩擦角為10°～30°時，管側(cè)壁摩阻力和總頂進力隨著內(nèi)摩擦角的增加呈近線形增加，而大于30°后管側(cè)壁摩阻力和總頂進力突然降低，且隨著內(nèi)摩擦角的增加變化不大。

（2）注漿時，總頂進力和管側(cè)壁摩阻力的變化規(guī)律一致，在土體內(nèi)摩擦角為10°～30°時，管側(cè)壁摩阻力和總頂進力隨著內(nèi)摩擦角的增加呈近線形減小，而大于30°后管側(cè)壁摩阻力和總頂進力突然降低，且隨著內(nèi)摩擦角的增加呈近線形減小。

（3）運用激光定位技術(shù)，對頂管的四周均勻布置的4 個點（上下左右）以觀測其平面坐標和高程變化，結(jié)果表明長距離的給排水頂管向左偏移的最大值為44.35 mm，向右偏移的最大值為58.15 mm，向下偏移的最大值為58.48 mm，向上偏移的最大值為92.14 mm，整體高程偏移誤差平均值11.10 mm，均小于平面誤差控制值100 mm。