超大直径顶管工程周边环境保护技术研究

薛峰

(中铁上海工程局上海市污水治理南线东段工程SST2.6标项目部，上海201201)

超大直径顶管工程周边环境保护技术研究

薛峰

(中铁上海工程局上海市污水治理南线东段工程SST2.6标项目部，上海201201)

本文结合上海市污水治理白龙港片区南线东段直径4 m钢筋混凝土顶管施工，重点对超大直径曲线顶管工程的主要施工过程中关于周边环境保护的相关技术，在防止周边土体沉降造成的地表环境破坏及减少泥浆排放对土体造成污染的方面的运用进行阐述。

超大直径;顶管;SMW工法桩;触变泥浆;干泥输送;姿态控制系统

污水治理作为市政工程的重要内容，日益受到各国关注。目前污水治理顶管施工，具有不破坏路面、不中断交通、环境影响小、可穿越障碍等诸多的优点。通过顶管施工的最大直径和最长顶距记录不断刷新，不仅能够加大污水排放量，加快污水收集及处理速度，更能够节省地下空间，对污水管线进行平面和空间合理部署，最终形成城市大型污水治理空间布局管网［1］。因此顶管施工应用越来越普遍，并有逐渐替代开挖埋管施工的趋势。因大直径顶管工程沉井体积大，管道走向周边环境复杂，在施工中如何减少周边环境干扰是安全文明施工控制的重点。结合上海市污水治理南线东段工程，对超大直径顶管工程周边环境保护的相关技术的运用进行研究。

1 工程概况

上海市污水治理白龙港片区南线东段完善工程SST2.6标，主要工作内容为3座工作井、2座接收井及长约3.98 km×2的双排DN 4000钢筋混凝土顶管(管道外径4.64 m)。顶管井最大建筑面积506.45 m2，埋深17.8～18.3 m，采用沉井法施工。管道断面主要处于淤泥质粘土层以及淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土交界层。工程位于远东大道西侧绿化带及龙东支路南侧农田地和果园，绿化带以乔木和灌木绿化为主，并分布众多河滨、民宅及厂房等。管道顶进沿程需保护和搬迁的管线多(城镇电缆、城镇污雨水管线、浦东机场航油管、军用光缆及通讯光缆等)、顶管穿越敏感及重要设施多(河道、高架桥、跨线桥、G1501高速公路及民房等)。

2 SMW工法桩周边环境保护施工技术

标段内大部分顶管井距离周边重要道路、房屋、管线较近。为了减少沉井施工对周边环境的影响，在沉井周边采用围护桩进行保护。SMW工法桩的施工起到土地保护和止水帷幕的作用。分别针对沉井下沉过程中因下沉不平稳导致的周边坍塌和因施工降水产生水土流失造成的地表沉降。各井位保护区域为井外壁向外10.0 m，保护区内的各种地下管线施工前进行搬迁。围护桩采用三轴SMWφ850 mm水泥搅拌桩间隔600 mm，搭接长度≥250 mm。搅拌桩采用Po．42.5普通硅酸盐水泥，水泥掺量20%，搅拌桩内插入H 700 mm×300 mm×13 mm×24 mm型钢，型钢间距1 200 mm，即每隔1根搅拌桩插入1根型钢，布置方式见图1。

图1 周边环境保护SMW工法桩平、剖面图

3 触变泥浆技术

顶管施工过程中，因为顶进阻力大，容易产生土层扰动过大，造成土体变形及地表土开裂塌陷等;因管壁与土层之间存在空隙等问题，管道贯通后容易发生地表沉降，造成环境破坏。实际施工中利用管外壁注浆，进行减阻和缝隙填充，以避免上述问题［2］。

触变泥浆选用顶管专用成品泥浆材料，现场直接加水搅拌。泥浆材料以钠基膨润土为主要材料，在工厂内添加纯碱、CMC等辅助材料，经研磨、烘干等工序加工而成。

泥浆材料在现场经充分搅拌水化，静置2 h以上，才可使用。触变泥浆搅拌使用ZJ-400型高速制浆机［3］。

注浆采用顶管掘进机尾部同步注浆和中继环后面管段补浆两种方式进行减阻。顶管机最大直径为φ 4 680 mm，比机尾和混凝土管直径大40 mm，可在管外壁与土体之间形成20 mm的间隙。顶进过程中在机尾同步向管外压注触变泥浆，及时填充机尾的空隙以形成完整的泥浆套，防止土体塌缩，产生有效的润滑减阻效果。

顶管沿途，向管外压注触变泥浆，补充初始泥浆套的损失。补浆操作逐点进行。

同步注浆量为机尾空隙的3～6倍，沿线补浆量为机尾间隙的3～5倍，注浆压力控制在0.8～1.2γh(γ为土的容重，h为埋深)。即同步注浆量为0.9～1.8 m3/m，沿线补浆量为2.25～3.75 m3/环(或0.375～0.625 m3/孔)，注浆压力控制在0.2～0.3 MPa。

机尾后连续设三节带注浆孔的混凝土管节，再往后每三节再设一节带注浆孔的混凝土管节，每节混凝土管有6个注浆孔，每个注浆孔设DN25球阀单独控制。注浆孔用DN25橡胶管连接接入注浆总管。注浆环管布置方式如图2。

图2 注浆环管布置图

注浆总管选用DN50镀锌钢管，每节6 m长，管螺纹连接。注浆泵选用BM160三活塞式泥浆泵，用于沿线补浆。顶管机尾设置同步注浆站，包括螺杆泵、5 m3储浆罐，用于向机尾后3节混凝土管外压注泥浆。

在工程施工过程中，顶管穿越10多处民房群、及浦东机场航油管2处。利用顶进过程中的注浆技术，和贯通后泥浆置换，通过沉降点监测，完全能够将地面沉降控制在10 mm以内，有效起到了土体支撑作用，控制了土体变形下沉。

4 干泥输送技术

目前，顶管施工挖掘出的泥土输送方式一般主要有2种:①管内采用轨道车辆输送至工作井，再由起重设备垂直提升到地面。这种方式运土时，顶进作业必须暂停。顶进距离越长，管内运土所需时间越长，顶进停顿时间也越长，不仅制约顶管施工效率，更有可能导致因施工缓慢造成的土体扰动，从而致使管道行程过程中的地表塌陷，严重影响地表环境。②加水搅拌成泥浆，通过管道直接输送到地面。这种方式需要大量施工用水，而且产生大量的废弃泥浆，如直接排放严重污染环境，若进行处理成本极高。

通过如下几项研究，开发并完善一种具有高效、安全、环保等优点顶管干泥输送技术。

(1)针对液压驱动的往复式活塞泵的结构及性能，进行优化和改进，以满足长距离输送干泥要求。

(2)针对干泥输送管道在中继间及主顶处的运动状态和特点，利用可靠的管道伸缩装置，以解决管道过中继间的问题。

(3)开发管道内壁注浆装置，降低干泥输送阻力，实现干泥超长距离输送。同时降低干泥的含水率，以降低干泥弃置运输的难度和成本。

(4)针对泵管接头形式和密封技术，开发具有柔性、密封可靠、拆装快速简便的专用泵管接头，以满足超长距离曲线输送的要求。

运用该技术，顶管余土全部变为膏状土排出(如图3)，方便土方外运、大大减少因泥浆污染农田造成的土壤环境破坏。

图3 干泥输送膏状土

5 顶管姿态控制技术

超大直径顶管施工经常出现的地面沉降严重、泥浆泄漏等环境问题，不管是因为外力、顶力、管道密封、顶进阻力或土层扰动等方面所产生，最终可以归结到顶管姿态控制失误。目前，曲线顶管工程非常少。由于顶进过程中管道在不断移动，通常都需要暂停顶进，再在管道中设置中间测站，人工测量并传递测量数据，人工分析计算测量成果。开发和使用姿态自动控制系统可以大大提高姿态控制精度，避免因姿态控制失误引起的环境破坏。

姿态自动控制系统组成:系统由固定测站T0、中间移动测站(T01、T02、T03、T04)，后视棱镜(基准点)、前视棱镜(目标点)、控制计算机、倾斜传感器组成。测站由自动全站仪、提把棱镜、控制箱组成，可在计算机程序控制下实现自动搜索目标、照准、测量。系统布置见图4。

图4 姿态自动控制系统

姿态自动控制系统工作原理:T0布置在工作井内，自动测量布置在井壁上的后视点，根据后方交汇原理进行计算定向。然后T0、T1、T2、T3、T4依次自动进行导线测量，测量前视棱镜，实现平面坐标传递。控制计算机，根据测量数据，计算顶管机的轴线偏差，并根据倾斜传感器数据修正计算结果，实现随时监控顶管机头轴线偏差。

6 结语

超大直径顶管施工已成为城市管网布置施工的发展趋势，随着顶管法的日渐成熟，污水管道的布置可以越来越灵活，可极大满足社会对污水处理的要求及大幅度提高城市污、雨水储存排放需求。现国家各大城市均将城市管网施工程归类为全面影响城市生态环境建设的重大工程。在保证管道顺利贯通的同时，对周边环境运用技术措施进行有效的保护尤为重要。

［1］吴熊勋，陶大钧，蒋耀慈．城市水环境污染控制［M］．南京:东南大学出版社，1989:29－32．

［2］魏刚，魏新江，徐日庆．顶管施工技术［M］．北京:化学工业出版社，2011:48－52．

［3］GB 50268－2008，给水排水管道工程施工及验收规范［S］．

TU992

B

2095－1671(2012)03－0132－04

2012-05-16;

2012-05-23

薛峰(1982—)，男，江苏徐州人，助理工程师，从事市政工程工作。