津南污水处理厂配套顶管工程施工技术研究

2016-11-18刘岩

城市道桥与防洪 2016年7期

关键词：顶管机顶管处理厂

刘岩

（天津城建集团有限公司，天津市　300073）

津南污水处理厂配套顶管工程施工技术研究

刘岩

（天津城建集团有限公司，天津市300073）

以天津市津南污水处理厂配套管网顶管工程为依托，在大管径顶管、长距离顶进、双排顶进、穿越高速公路、新型管材施工等方面进行深入探讨。针对顶管施工设备及方法的选择、施工中的控制技术及施工中的技术难题进行了多方面研究。

污水处理厂；顶管；施工技术

0　引言

随着城市建设的不断发展，地下给排水改造工程日益增多。顶管施工技术以其不开挖地面、不破坏地面建筑物及环境、不受气候和环境影响，以及省时、高效、安全、综合造价低等优点，被广泛应用到地下给排水工程中。天津津南污水处理厂配套管网工程为市重点工程，采取顶管施工方式，管道直径在2 600～3 200 mm。在施工过程中，针对顶管施工设备及方法的选择、施工中的控制技术及施工中的技术难题进行了多方面研究。

1　工程概况及难点分析

天津津南污水处理厂配套管网工程连接西青、津南、河西三区，覆盖了天津市区进出水网络的1/3，是关系到该区域市民生活用水供给和生活污水排放的一项市重点民生工程。该工程地处华北平原，属冲积、海积低平原，场地内埋深40.00 m深度范围内均由黏性土和粉土组成。本次顶管穿越土层为粉质黏土，其土质易液化，扰动后易失稳，具有高度的敏感性。该工程施工过程中遇到了大管径、双排顶进、穿越高速公路顶进、新型管材焊接等多项难题，其中1标段工程大管径达到2 600 mm，顶管表面平均覆土深度8.89 m，覆土层部分在现场地面下有杂填层6～8 m，有效覆土深度最薄处只有几十厘米，周围环境是最为复杂的一段。管线右侧为池塘，左侧距铁路最近距离不到20 m。由于受周边环境、拆迁及铁路部门要求等限制，不能采用传统的中间设工作坑的方式。经与设计单位研究，采取了不采用中继间，一次顶进576 m的施工工艺，一次顶进长度为天津之最。

2　顶管施工设备及方法选型

成败的关键在于顶管机设备的选择。施工中可供选择的顶管机类型多样，合理选型应该以顶管机本身的特性与工程实际情况相适应为原则来进行。尤其是对各种底层适应性的不同，使得变形控制精度及施工效率有很大差别。该工程顶管所处的地层地质特点是以粉土和粉质黏土为主，顶管两侧分布有池塘、铁路、高速公路等，受到周边环境影响以及铁路部门的相关要求限制，施工采用长距离顶管施工的方式，最长顶距为一次性顶进576 m，这就对顶进设备提出了较高的要求。

为此，对泥水平衡顶管机、土压平衡顶管机、气压式顶管机等进行多方面综合比较后，选择了泥水平衡顶管机。主要是由于：（1）泥水平衡顶管机适用范围广，此处工程所处地层以粉土和粉质黏土为主，地下水位较高，水压力较大，对顶管机的要求比较高，泥水平衡顶管机完全适用［1］；（2）顶管两侧分布有池塘、铁路、高速公路，顶进过程中不能有太大扰动，泥水平衡顶管机施工可有效保持地面稳定，对周围土体扰动较小，引起的地面沉降小，满足施工要求；（3）与其他类型顶管比较，泥水顶管施工时的总推力比较小［2］，尤其在黏土层表现得最为突出，是最能达到“顶距为一次性顶进576 m”要求的顶进方式。因此，选择泥水平衡顶管机进行顶进施工。

3　顶管施工中的控制技术

3.1顶管施工顶力计算与控制［3］

顶进阻力计算：

式中：FP为顶进阻力，kN；Do为管道的外径，m；fk为管道外壁与土的单位面积平均摩阻力，kN/m2；NF为顶管机的迎面阻力。

掘进机正面阻力计算：

式中：NF为顶管机的迎面阻力，kN；Dg为顶管掘进机外径，m；Pt为控制土压力，kN/m2。

经计算，576 m顶管施工顶进阻力23 066.7 kN，工程中需布置最大顶力为200 t、行程为3.0 m的千斤顶不少于12支。12支该型号千斤顶总顶力2 400 t，但根据试顶分析，顶进施工中通过泥浆减阻可降低顶管顶进过程阻力，因此工程采用可容纳12支千斤顶的支架，先布置10支千斤顶进行顶管施工，随顶力增加可增加千斤顶支数来满足工程要求。

3.2出洞控制

在工具管出洞时，将工具管与后面的两节管用拉杆连接起来，使之成为一个整体，并在导轨上拉紧，从而使工具管沿着导轨方向顺利顶进。

出洞时姿态控制至关重要，如初始顶进方向掌握不好，将影响后续顶进姿态控制，容易产生较大偏移，因此需严格控制。出洞顶进控制要点：基坑导轨的安装精度应符合设计及规范要求，轴线与设计值一致；保持开挖面土体稳定，开挖面稳定才能保证顶管机导向正确；出洞过程尽量做到连续慢速顶进。在此，将速度控制在15 mm/min之内，保证出洞稳定。

3.3正常顶进控制

为了便于纠偏且不影响施工进度，该工程顶进速度控制在30 mm/min之内。顶进过程中，随时观测千斤顶油压、后背墙、顶进管道的标高及位置变化，以便于及时纠偏。顶进过程中，还要始终注意观察掘进机与导轨的接触情况是否密实，有无翘起或偏斜现象，如果不正常或有大的变化，立即停止顶进，经原因分析后，调整顶进施工技术参数，再继续顶进。

3.4进洞控制

顶管机进洞前应进行土体加固，并复核位置及姿态，以便保证顶管在施工中按预定方案实施，以良好的姿态进洞，准确就位。该工程施工中采用双液注浆的方式对进出洞方向3～5 m宽范围内土体进行加固，保证工具管进出洞时姿态稳定。在顶进接近接收井前，完成接收井施工，等待顶管机的接收。当顶进到接收井边围护桩时，放慢顶进速度，复核位置及姿态，速度控制在15 mm/min以内，保持匀速顶进，待顶管机慢慢切削搅拌桩桩体，形成一个较完整的止水孔时，采用风镐破除围护桩体，直至顶管机完全顶出接收井。

4　施工难点及措施

4.1穿越高速公路

顶管穿越津晋高速期间，必然会引起土层损失，若顶管结束后注浆未及时跟上，管壁与土体间隙得不到及时填充，将导致路面沉降，影响高速公路的正常通行，因此必须采取严格监控、及时注浆等有效措施，做好路面沉降控制。

在高速公路受顶管影响区域，应科学合理地布设沉降监测点，测点布置直接决定对观测对象状态的体现程度。观测点过密导致测量时间过长，同一观测点观测间隔过大，观测点过疏则导致观测不全面。经过试验段观察确定，观测点自基坑边开始每10 m布置一个观测点，直至高速边坡角，边坡上共设置3个监测点，高速主路两侧车道各设置3个监测点，高速另一侧与之前相同，具体布置方式见图1。

图1　高速公路监测点布置示意图

工程开始前，应对高速路各个监测点进行原始标高的测定，自基坑降水开挖开始对施工范围内的各个观测点及观测井水位进行监测，监测频率为每天1次；开始顶进后，监测频率改为每天3次，直至顶管完成；置换泥浆完成后继续对所处区域进行监测，频率为每天1次，直至监测30天或连续5天不出现标高的变化为止。在顶管过程中，若发现高速公路的沉降超过预警值，马上对高速公路路基进行注双液浆加固。根据施工经验，注浆压力不宜大于0.4 MPa，注浆压力过大会增加地层的扰动，从而增加地层的后期沉降。

根据该工程监测结果，经过泥浆置换后最大沉降量不超过5 mm，且在顶管完成后23天达到稳定。

4.2双排顶管施工

该工程涉及到的双排顶管管径为3 000 mm，顶进长度155 m，两管中心距离为6.6 m，覆土厚度11.7 m，近距离顶进将会产生相互的扰动影响。该工程采用了配有主顶速度检测仪、顶管机本体倾斜仪等的顶管机头，能够对顶进速度、机头旋转、水平倾角进行自动测量。顶进过程中，每顶进1 m对轴线方向与顶进姿态测量1次，检查顶进轴线是否和设计轴线相吻合。

顶进过程中，应严格遵循“密切注意，及时纠偏，小角度纠偏”的原则，勤出报表、勤纠偏，每次纠偏角度不得大于0.22°，争取在非重要路线进行纠偏，尽量避免由于工具管大幅度纠偏而造成顶进困难、管节剪切破裂等情况发生。

当顶进机头尚未全部出洞时，若偏差在2 cm以内，则不必进行纠偏，待全部出洞后再观察确定；反之，若大于2 cm，则应立即停止顶进，采取措施进行偏移调整。

当项进机头全部进洞后，若偏差大于1 cm，则必须及时进行纠偏，左右方向偏差控制在5 mm以内，垂直方向偏差控制在10 mm以内。

当纠偏动作失效时，应立即停止顶进，并会同电工、机修工检查电路和液压管路，尽早排除故障，严防轴线超差。

4.3新型管材焊接

津南污水处理厂（纪庄子污水处理厂迁建）配套进出水管网工程5标段，污水管线全长2.57 km，管径为1350 mm的内衬PVC钢筋混凝土管，其中有1.8 km管道位于现状河道与鱼塘范围内。污水管全部采用内衬PVC钢筋混凝土承插口管，内衬层相互搭接后，采用专用热熔工具将连接边面部进行加热，使其熔化连接一体。

受温度影响，-5℃以下匀质PVC卷材收缩变形较大，施工时伸展不开，会在第二年开春天气转暖时出现大量的折皱，对焊接质量和美观有很大的影响，因此焊接施工前应尽量保证PVC的初始温度，使其最大限度地接近理想状态。温度较低时，热熔PVC粘接性会有所损失，在大面积施工前应先做粘接实验，若无法粘接牢固，粘接前需用焊枪把PVC卷材加热，在保证卷材充分软化、熔浆饱满后再移动焊枪，并在焊接完成后用压辊压实，避免虚焊的发生。