曾廣識

（陽江市陽東區(qū)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局 廣東 陽江 529900）

0 引言

近年來，針對地面可開發(fā)資源愈加窘迫，地面空間利用率趨于飽和等現(xiàn)狀，暗挖法在現(xiàn)代工程建設(shè)中得到了大范圍的推廣。頂管施工作業(yè)面范圍小，具有對交通出行影響小、管線遷改工作量少、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)高等優(yōu)點(diǎn)，故頂管施工比傳統(tǒng)明挖施工更具有良好的社會效益與經(jīng)濟(jì)效益，在市政管網(wǎng)工程中應(yīng)用廣泛［1］。隨著國內(nèi)頂管工程的普及，針對不同工程概況，不同學(xué)者研究并總結(jié)了不同的頂管頂推力的計(jì)算公式［2-3］，為后續(xù)的頂管工程施工設(shè)計(jì)提供了相應(yīng)的技術(shù)指導(dǎo)。

頂管施工技術(shù)重點(diǎn)在于能否及時糾正頂進(jìn)過程中頂管頂進(jìn)力與被動區(qū)土體反作用力不均衡所產(chǎn)生的管道軸線偏差，在軟粘土地區(qū)頂進(jìn)施工時，土體經(jīng)擾動而產(chǎn)生較大的塑性變形，且長期引起固結(jié)、次固結(jié)沉降［4］。工作井作為承受液壓千斤頂?shù)软斶M(jìn)設(shè)備反力的構(gòu)筑物，其強(qiáng)度與穩(wěn)定性關(guān)系整個頂管工程施工安全［5］?，F(xiàn)階段施工設(shè)計(jì)規(guī)范中，對頂管工作井的施工設(shè)計(jì)大部分依靠施工經(jīng)驗(yàn)，相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范中也未明確提出相應(yīng)的技術(shù)指導(dǎo)要求。因此，需對主頂工作井的頂推力進(jìn)行穩(wěn)定性分析，減少因工作井產(chǎn)生過大變形、位移而導(dǎo)致工程事故的可能性。本文結(jié)合具體工程實(shí)例，以工作井施工工藝角度切入，計(jì)算工作井頂推力，管道容許頂力及頂管后背土體反力，考慮一定的安全富裕系數(shù)，進(jìn)行工作井的穩(wěn)定性分析。

1 工程概況

某污水管網(wǎng)工程位于陽江市陽東中心城區(qū)，所在區(qū)域排水體制為分流制，沿城區(qū)道路新建污水管，本工程A21W51-A21W56、A21W56-A21W72、A21W28-A21W59 段采用非開挖頂管施工方式；管道沿線主要為主車道，屬城市道路主干路，終點(diǎn)為城區(qū)污水廠。設(shè)計(jì)污水管道位于道路中心線，管道改為平均埋深8 m，最大埋深10.89 m，設(shè)計(jì)管徑D1 500 mm、D1 200 mm，設(shè)計(jì)管道長度分別為1 518 m、699 m，7.6 m×4.0 m 頂管工作井12 座，4.5 m×4.0 m 接收井9 座，φ7.5 m 頂管工作井2座，φ4.5 m接收井3座，管道采用特制Ⅲ級混凝土管、連接方式為雙插口管鋼環(huán)帶橡膠圈接口，工作井及接收井采用逆作法施工方案。A21W51-A21W56、A21W56-A21W72、A21W28-A21W59 段如圖1所示。

圖1 A21W56-A21W72、A21W28-A21W59段Fig.1 A21W56-A21W72、A21W28-A21W59 Section

2 工程地質(zhì)勘查和水文地質(zhì)

2.1 地質(zhì)勘探

根據(jù)勘探報告發(fā)現(xiàn)本場地第四系土層分布與組成結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，實(shí)為中風(fēng)化花崗巖石層，地基巖土性質(zhì)無論是平面上或沿深度方向均有較大變化，局部層厚和分布變化大，層面里波狀起伏，層厚不穩(wěn)定，土質(zhì)不均勻，力學(xué)性質(zhì)變化較大，綜合判定場地巖土層為不均勻地基。

由于項(xiàng)目所在處屬城市道路主干路，局部存在較多埋藏的管線，測區(qū)內(nèi)有給水、雨水、電力、及通信等現(xiàn)狀管線分布，對于工作井開挖存在一定難度。

2.2 水文地質(zhì)

場地地表水主要為下雨后場地積水，地下水類型主要為賦存于第四系堆積層中的孔隙水和下伏風(fēng)化巖體內(nèi)的裂隙水，接受大氣降水、地表水垂直滲入和巖土層間側(cè)向滲透補(bǔ)給。該區(qū)域近年內(nèi)水位變幅約為2.00 m，對工程施工有一定影響。

3 方案比選

3.1 頂管機(jī)型選用

頂管機(jī)選型是施工關(guān)鍵，應(yīng)根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況合理選型，必要時施工單位可以要求補(bǔ)勘，以獲取詳細(xì)的地質(zhì)資料，一旦選型失誤，將對后續(xù)施工帶來很大的不利影響，出現(xiàn)頂進(jìn)困難甚至失?。?］。

由于項(xiàng)目所在位置地質(zhì)為中風(fēng)化花崗巖石層，且雜填土層含有大量巖石、回填石等障礙物，根據(jù)工程實(shí)際情況選用中風(fēng)化花崗巖（堅(jiān)硬層）泥水平衡頂管機(jī)。本挖掘機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：

⑴頂管機(jī)、主千斤頂、泥水循環(huán)系統(tǒng)和泥水分離裝置成套化。

⑵帶滾刀與破碎扭腿的面板刀盤，既可作業(yè)于巖石面，也可適應(yīng)單軸強(qiáng)度為196 MPa（2 000 kg/cm2）的礫石。

⑶該機(jī)能適用各種土壤條件，如、砂土、砂礫混合卵石土和巖層上。

⑷使用安裝在軌道上的主頂油缸。在一軸強(qiáng)度≤120 MPa的巖面上，一次頂進(jìn)長度超過100 m。

⑸該機(jī)可由單人在地面遙控操縱，可在控制臺上進(jìn)行電視監(jiān)測及方向控制；可將方向誤差控制在10 mm之內(nèi)，測量精度高。

中風(fēng)化花崗巖（堅(jiān)硬層）泥水平衡頂管機(jī)如圖2所示。

圖2 中風(fēng)化花崗巖（堅(jiān)硬層）泥水平衡頂管機(jī)Fig.2 Moderately Weathered Granite（Hard Layer）Mud Water Balance Pipe Jacking Machine

3.2 工作井支護(hù)方案

管工程采用的工作井支護(hù)方式主要有：鋼筋混凝土逆作法支護(hù)、沉井支護(hù)、板撐支護(hù)等，為貫徹技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全適用、確保質(zhì)量的國家技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策，結(jié)合本工程施工特點(diǎn)，對以上支護(hù)方式進(jìn)行了以下技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，以D1 200 mm 頂管工作井為例，支護(hù)方案比選如表1所示。

表1 支護(hù)方案比選Tab.1 Comparison of Support Schemes

根據(jù)安全性、施工進(jìn)度、優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)性5個因素來比選支護(hù)方案，鋼筋混凝土逆作法支護(hù)方案最優(yōu)，頂管完成后可作為永久檢查并使用，根據(jù)設(shè)計(jì)施工圖、結(jié)合地勘報告及現(xiàn)場勘驗(yàn)，針對各層土質(zhì)較厚的地層特點(diǎn)，和鋼筋混凝土逆作法支護(hù)的基本要求，本工程A21W51-A21W56、A21W56-A21W72、A21W28-A21W59段的頂管工作井和接收井采用高壓旋噴樁預(yù)支護(hù)加鋼筋混凝土逆作法支護(hù)，工作井凈尺寸為7.6m×4.0 m、φ7.5 m，接收井凈尺寸為4.5 m×4.0 m、φ4.5 m。

4 設(shè)計(jì)與施工

依據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件及施工技術(shù)手段比選后決定采用鋼筋混凝土逆作法支護(hù)墻為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，高壓旋噴樁作為防滲技術(shù)手段。

使用全站儀進(jìn)行工作井井位中心點(diǎn)的定位，定位完成后開始工作井的施工：①待場地平整后進(jìn)行開挖工作，開挖至首層設(shè)計(jì)標(biāo)高時，在工作井周邊采取雙排高壓旋噴樁作為預(yù)支護(hù)結(jié)構(gòu)，待模板設(shè)置完成后，澆筑第一板鋼筋混凝土支護(hù)墻及井壁；②待首層井壁混凝土整體強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，進(jìn)行第二層井壁施工，開挖至第二層井壁設(shè)計(jì)標(biāo)高，拆除首層井壁模板并重新放置至第二層，完成第二層井壁澆筑；③依據(jù)開挖設(shè)計(jì)標(biāo)高，重復(fù)上述步驟至基坑地面設(shè)計(jì)標(biāo)高，澆筑底板，并安裝洞口止水裝置。整體施工步驟流程如圖3所示。

圖3 整體施工步驟流程Fig.3 Overall Construction Process Flowchart

4.1 土方開挖

工作井土方開挖遵循“開槽支撐、先撐后挖、分層開挖、嚴(yán)禁超挖”的原則進(jìn)行開挖與支撐，并根據(jù)土質(zhì)情況，及時進(jìn)行鋼筋混凝土護(hù)壁的支護(hù)。因管線埋深變化較大，受現(xiàn)場施工機(jī)械動荷載影響，工作井支護(hù)護(hù)壁節(jié)數(shù)根據(jù)井位開挖深度實(shí)時調(diào)節(jié)，嚴(yán)格控制每模不大于1.7 m 開挖。遇至流沙等軟弱土質(zhì)時，開挖深度不宜超過1.0 m。

4.2 綁扎鋼筋

鋼筋經(jīng)驗(yàn)收合格后，按照不同規(guī)格型號分批放置在有枕墊的加工棚內(nèi)。第一節(jié)井壁的鋼筋綁扎時，受拉主筋的連接均采用焊接方式，保證同一斷面焊接的數(shù)量大于50%，相鄰鋼筋焊接斷面間距大于30 cm，同時預(yù)留第二段井壁鋼筋空間，預(yù)留出的鋼筋均插入黃砂中，并確保垂直。

4.3 鋼模板安裝

根據(jù)本工程工作井結(jié)構(gòu)，井壁模板采用預(yù)制的定型鋼模板，模板支撐架根據(jù)所承受的荷載選擇立桿的間距和步距。立桿平面布置為700 mm×700 mm，水平桿步距為1 m，底層縱橫向水平桿作為掃地桿，距地面高度不大于300 mm，并沿模板底部設(shè)置短鋼筋進(jìn)行加固處理，拼裝中預(yù)留接縫并夾入φ48 型號鋼管，以便后續(xù)拆模。

4.4 混凝土澆筑

本工程采取逆作法對壁板進(jìn)行自上而下逐段澆筑，為保證每段混凝土下端澆筑質(zhì)量，壁板混凝土澆筑時每次混凝土澆筑高度不應(yīng)超過1.5 m。為方便澆筑混凝土可設(shè)置跳角，但跳角不得設(shè)在層高中部1.0 m范圍內(nèi)。井壁澆筑完成后，待混凝土整體強(qiáng)度達(dá)至80%的設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，才可進(jìn)行拆模和下一循環(huán)工序施工。

4.5 鋼模板拆除

待上層混凝土澆筑成型后，開挖至下層土方至設(shè)計(jì)標(biāo)高。開挖完成后，拆除上層鋼模板并移至下層進(jìn)行安裝，重復(fù)上述施工步驟，直至底層井壁澆筑成型。

5 工作井穩(wěn)定性分析

5.1 管道容許頂力

本工程采用鋼筋混凝土頂管，依照《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程：CECS 246∶2008》［7］規(guī)定，鋼筋混凝土管頂管傳力面容許最大頂力可按式⑴計(jì)算。

式中：［F］為混凝土管道容許頂力設(shè)計(jì)值（kN）；φ1為混凝土管受壓強(qiáng)度折減系數(shù)，取0.9；φ2為混凝土管偏心受壓強(qiáng)度提高系數(shù)，取1.05；φ3為混凝土管脆性系數(shù)，取0.85；φ5為混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整系數(shù)，取0.79；γd為頂力分析系數(shù)，取1.3；fc為混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（N/mm2）；Ap為混凝土管有效截面面積（mm2）。

由式⑴計(jì)算可得［F］=19 357.778 kN。

5.2 管頂頂推力

因本工程選取泥水平衡頂管機(jī)，頂推過程中可向周遭土體注漿以減少摩阻力，結(jié)合現(xiàn)有研究成果及工程實(shí)際情況，選取張鵬等人［8-9］提出的理論公式計(jì)算頂管最大頂推力。頂管最大頂推力可按式⑵計(jì)算。

式中：F0為刀盤迎面阻力（kN）；ft為單位長度管壁摩阻力（kN）；F為最大頂推力（kN）；μ1為管土摩擦系數(shù)，取0.9；μ2為管道與泥漿之間摩擦系數(shù)，取0.1；Dp為管道外徑（m），取1.44 m；c1為管道與土體之間粘聚力（kPa），取0.6 kPa；pm為管道外側(cè)泥漿壓力（kPa），取值為管道中心靜水壓力加20 kPa，取125.6 kPa；A為刀盤面積（m2），經(jīng)計(jì)算取0.9 m2；L為頂進(jìn)距離（m），即工作井與接收井之間距離，取100 m；G為單位長度自重，取5.5 kN·m-1。

由式⑵計(jì)算可得頂管最大頂力為3 330.912 kN。將頂管最大推力同上述管道容許頂力對比可得，容許頂力大于最大頂力，滿足頂管施工需求。

5.3 頂管后背土體反力

頂管施工設(shè)計(jì)時，能否準(zhǔn)確計(jì)算后背土體所能提供的最大反力是影響頂進(jìn)施工的關(guān)鍵因素，當(dāng)頂管頂推力較大時，后背土體可能會產(chǎn)生較大塑性變形，出現(xiàn)高應(yīng)力集中分布，造成后背土體破壞［10］。為保證頂管施工安全，依照《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范：GB 50268—2008》［11］規(guī)定，后背土體反力應(yīng)為總頂進(jìn)力的1.2～1.6倍，按式⑶計(jì)算。

式中：R為后背土體最大反力；α為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般取α=1.5～2.5，本工程取2.0；β為后座墻寬度（m），取3.04 m；γ為土體重度（kN·m-3），取19 kN·m-3；H為后座墻高度（m），取2 m；Kp為被動土壓力系數(shù)，取3.0；c為土體粘聚力（kPa），取40 kPa；h為后背墻頂部至地面高度（m），取7 m。

根據(jù)式⑶求得頂管后背土體最大反力為7236.173kN。考慮施工安全系數(shù)，本工程計(jì)算求得的后背土體最大反力應(yīng)大于頂管最大頂力1.6 倍，即1.6，滿足施工安全要求。

6 結(jié)語

陽江市陽東某污水管網(wǎng)工程采用了非開挖頂管施工方式，在城市道路下面對復(fù)雜的地質(zhì)條件且有大量管線埋藏的情況下，結(jié)合高壓旋轉(zhuǎn)噴樁預(yù)支護(hù)和逆作法頂管工作井施工方案，成功地實(shí)現(xiàn)污水管網(wǎng)的鋪設(shè)。減少對道路周邊環(huán)境的影響，減輕交通壓力，保證周邊居民的順利出行，產(chǎn)生了一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。該技術(shù)的成功應(yīng)用能夠?yàn)槌鞘械缆肺鬯芫W(wǎng)頂管工程提供施工參考。