杂填土条件下长距离大管径泥水平衡机械顶管施工工艺研究

2017-07-20

四川水泥 2017年6期

(西安市市政设施管理局陕西西安 710016)

潘国富

(西安市市政设施管理局陕西西安 710016)

文章以西安市第一污水厂二期退水工程为背景，主要对杂填土复杂地质情况下长距离大管径泥水平衡机械顶管进行研究，提出了杂填土复杂地质条件下长距离大管径泥水平衡顶管施工防止失稳、保证工程质量相关措施及包括设备改造、增加注浆孔密度、增大注浆机注浆能力一整套注浆减摩方案，通过顶力计算、中继间技术、测量控制管理技术、顶进姿态管理等方面的研究，提出了杂填土复杂地质条件下大管径、长距离泥水平衡顶管施工成套技术方案。通过一污二期工程的实施验证，证实了上述成套技术方案的可行性。

杂填土；泥水平衡；顶管；大管径；长距离

随着我国经济的不断发展，城市现代化进程的快速推进，给水、排水、煤气、电力通讯设施等管网只能在狭窄的空间采用非开挖技术进行。顶管施工是一种现代化的埋设地下管线的非开挖施工方法，该施工技术在地层的适应性、对地上地下环境的保护、对地上地下设施的无干扰破坏、施工安全可靠性、施工质量保证及施工经济效益等方面都具有较大的优越性，并显现出无限生命力。

作为一种地下施工方法，顶管施工也不可避免地会对管道周围的土体产生扰动，扰动的结果是使周围的土体出现卸载或加载等复杂的力学行为并使土层的物理、力学指标产生变化，土体的应力状态不断发生变化，引起管道周围土体产生变形，使土层发生移动，产生地面和地下土体的移动，即土层移动。

同时，另一方面，顶管工程的工艺选择及施工在很大程度上受工程的特点、环境、地质、施工条件等因素影响。施工前必须要充分了解地质情况，选用与之适应的顶管施工方法、合理的顶管掘进参数及关键技术使用。

本文以工程为例，重点研究在复杂地质条件长距离大管径泥水平衡机械顶管施工关键工艺。

一、工程地质情况

1.1工程简介

西安市第一污水处理厂二期退水工程，全长1817米，其中顶管部分总长为984米，管道由一污二期超越管道起始排放处开始先向北再沿一污二期北侧电杆平行位置一直向西大约1.6公里，设计平均埋深6.5米，顶管段埋深9-10米，采用d2800mm钢筋混凝土钢承口管（III级）。

1.2工程地质勘探情况

工程施工前，针对该工程区域进行了工程地质勘探，根据地质勘探结果，本工程顶管深度所处的土层层位主要处于杂填土层，在0.5米—8.8米的位置全部为杂填土，主要以建筑垃圾为主，含水量的生活垃圾，以砖瓦块，灰渣，碎瓷砖，破木板及碎石组成。

1.3工程地质对长距离、大管径顶管带来的困难

（1）密度严重不均匀

密度严重不均匀使顶管过程中管土压力不断发生随机离散性变化，管道走向容易偏斜，甚至发生失稳现象，这一影响对于长距离大管径的施工尤其明显。

（2）土层孔隙率大，并且孔隙率变化离散性较大

较大的孔隙率及孔隙率变化在泥水平衡施工时容易使触变泥浆进入空隙中，造成跑浆现象，不仅需要更多的浆量，而且需浆量的巨大变化使注浆压力变化较大。

二、杂填土条件下长距离泥水平衡机械顶管受力分析

在顶管施工过程中，顶进管将同时在管轴方向和横跨管轴方向上受到荷载作用，荷载主要有管道自重、土压力、水压力、注浆压力、交通荷载、顶推力、管壁摩阻力、掘进机的迎面阻力等。顶推力是一种循环荷载，不断地变换，由零上升到最高值，又由最高值下降到零。因此管道的受力非常复杂，处于三向应力状态[1]。

本项目的杂填土质地不均匀，其中不仅存在对管道约束能力差的生活垃圾，同时存在约束能力较大的建筑垃圾、石块等。在这种情况下，管道受到离散性较大的周边荷载，使折曲角变大，管道间的应力集中现象更为严重，更加容易产生失稳情况。

更进一步分析，杂填土不均匀土压力带来的管道偏移会导致管道周围土压力分布不均匀，从而更加严重的加剧了管道不规则偏移，从而形成恶性循环，对工程的正常施工带来了巨大的难度。

杂填土复杂地质条件下顶管失稳原因主要为：

(1)管道受到对角荷载作用；

(2)顶进力达到一定值；

(3)管道的顶推力偏心距较大；

(4)土体的承载力较差。失稳通常会出现在离中继间较近、管线偏斜方向突然改变的管节处，此处管节受到对角荷载作用且顶推力较大。

三、杂填土条件下长距离、大管径泥水平衡顶管工艺研究

3.1杂填土条件下长距离顶管防止失稳、保证工程质量措施

课题组通过对杂填土条件下顶管管道受力情况的分析，提出了防止管道失稳、保证或提高工程质量的措施如下：

（1）针对杂填土的特点，采用设备改造等手段设计合理的注浆减摩方案减小摩阻力；

（2）缩短中继间之间的距离减小摩阻力；

（3）减小管道偏斜，在顶进施工时做好监测方案，做到边施工边监测，基于杂填土的不均匀性特点，一定要提高监测频率；

（4）采取合理的纠偏措施，基于杂填土的不均匀性特点，一定要提高随时纠偏频率，同时提高纠偏精度，降低需要纠偏的误差值标准；

（5）减小中继间的偏斜，保证管道的偏斜在合理范围内；

（6）采用钢承口管橡胶圈接口，它的最大张角可达30左右，也不会产生接口渗漏，可靠性较好。

3.2 杂填土条件下大管径泥水平衡顶管难点及质量保证措施

3.2.1 杂填土条件下大管径泥水平衡顶管难点

本项目研究的是管径D2800mm钢筋混凝土单向顶进504m的管道铺设。杂填土条件下结合大管径对施工带来了相当的困难，主要表现在：

（1）大管径顶管会产生更大的滑行阻力，需要更大的推力，对注浆减摩水平要求更高；

（2）大管径顶管会产生较大的土体反力，对周围土体及地面产生不利扰动影响的可能性增大；

（3）上述杂填土对顶管带来的不利影响对于大管径顶管将更加明显和突出。

3.2.2 杂填土条件下大管径泥水平衡顶管质量保证措施

根据上述难点，项目组提出了大管径质量保证措施方案如下：

（1）针对杂填土及大管径的特点，采用设备改造等手段在合理范围内适当提高注浆量，减小顶进滑行阻力；

（2）提高了中继间布置的可靠性，缩短了中继间间距，减小顶力，当总推力达到设计推力的50%，安装第一个中继间，以后当总推力达到设计推力的70%时放置第二个中继间。

（2）在中继间顶力控制方面，比常规土质提前开启中继间，使整段顶管的顶力更加均匀，提出杂填土条件下中继间控制方案。

3.3 杂填土条件下大管径、长距离泥水平衡顶管注浆减摩的困难及解决方案

3.3.1 杂填土条件下大管径、长距离泥水平衡顶管注浆减摩的困难

经项目组分析，一污二期工程区域杂填土具有空隙大、材质分布不均匀，存在跑浆（浆流入杂填土内部）的现象，常规的注浆量不能满足该工程的注浆需要，因此，应提高注浆量。

同时，基于前文的研究，大管径、长距离等因素影响下，也应适当增加注浆量。

3.3.2 杂填土条件下大管径、长距离泥水平衡顶管注浆减摩解决方案

为了达到提高注浆量的目的，项目组对施工工艺、设备进行了研究，提出了以下解决方案：

（1）通过机头改造提高注浆量、减少水平摩阻力

本项目对原有泥水平衡顶管设备机头直径扩大1.5cm，在顶管时，土体与管体之间的距离便增加1.5cm，从而注入更多的减摩浆。见图1.

图1 机头改造示意图

通过实践证实，改造后的设备施工比原有设备的推力更小，压力更稳定，更易施工，从而使杂填土条件下大管径、长距离泥水平衡顶管施工得到了保障。

（2）增加注浆孔密度

项目组通过相关研究，考虑到土体材质不均匀性、空隙大的特点，增加了注浆孔的数量，常规土体进行施工时，注浆孔的数量为每三节相邻管材设一节有注浆孔的管子，每根管材长2.5米，因此常规土体注浆时注浆密度为每7.5米设一组注浆孔，由于杂填土的特点需要提高注浆量，本项目注浆孔数量为每两个相邻管材设置一节有注浆孔的管子，即注浆密度为每5米设一组注浆孔。

图2 注浆孔密度增加前示意图图3 注浆孔密度增加后示意图

注浆孔密度的增大弥补了土体材质不均匀等不利影响。

（3）增大注浆机注浆能力

由于注浆量的增大，为了保证注浆压力的均衡，必须增大注浆机的注浆能力，本项目注浆机由原来的扬程为100m的UBH型螺杆泵注浆机更换为扬程为300m的1-1B型螺杆泵注浆机。

四、施工关键参数

4.1顶力计算结果及单个油缸顶力确定

本工程管径D2800mm，壁厚28mm，顶管顶力计算长度为单向顶进长度504米，根据顶力计算公式计算，总顶力为2714.3t，D2800钢筋混凝土管最大允许顶力为4321.6t，采用保守最大允许顶力值2200t。

经计算得知总推力F=2714.3t，大于钢筋混凝土管传力面允许的最大顶力2200t，顶管时顶力最大值不应超过混凝土管传力面允许的最大顶力2200t的80%，即不应超过2200×80%=1760t。

顶管施工时采用八台油缸，在推进时，每台油缸的最大顶力不得超过1760t/8=432t剩余顶力需要中继间来解决

4.2中继间布设与控制

因顶管时钢筋混凝土管传力面允许的最大顶力2200×80%=1760t，为了钢筋混凝土管不致破损，当顶力达到中继间设计推力的50%时，即需设置中继间1760t ×50%=880t。经计算，第一个中继间应设置在156.3m以内，同理第二个中继间应设置在312.6m以内。同时第一个中继间顶力富裕量不宜小于40%，即中继间顶力不宜小于1478t，第二个中继间顶力富裕量不宜小于30%，即中继间顶力不宜小于1372.8t。设计值均为1500t，由此可知，由两个中继间组成系统顶进系统，且布置位置合理，中继间设计顶力1500t能满足要求。考虑理论计算与实际施工的差距，综合施工经验，将第一个中继间设置在80米处，第二个中继间设置在140米处。

为提高工程的可靠性，由于地下土质为杂填土及其它因素，提前开启中继间，具体方案为：第一中继间在顶进过程中，当顶力达到总顶力的60%时，第一个中继间启动20%顶力。第二个中继间在第一个中继间顶力达到60%时，启动第二个中继间。该控制方案的实施具有以下优点：

（1）使整个管道的受力更加均匀，降低或消除了杂填土土质不均匀带来的负面影响，管道更加不易偏斜，工程质量更易保证，。

（2）压力的均匀分布使集中荷载对混凝土管道产生的影响降低。

（3）压力的均匀分布使得顶进安全性提高，保证了顶进过程的安全性。

4.3测量控制管理技术

基于杂填土的不均匀特点，根据前文提出的杂填土条件下长距离大管径泥水平衡顶管成套技术方案。提高高程与轴线偏差的测量频率，对于管道轴线控采用红外线经纬仪测量，为纠偏提供依据，管道高程则采用，水准仪，每节管道测量2个点。

4.4纠偏技术

以建筑垃圾为主，生活垃圾，砖瓦块，灰渣，碎瓷砖，破木板及碎石组成的回填土层的复杂地质条件下顶进过程中纠偏难度较大，在顶进过程中严格控制顶进测量频率，管道的纠偏影响到整个管道的质量标准，施工中以出洞口中心点为后视点，分别测出前标水平角、后标水平角，并分别计算出前标、后标的平面偏离值（经转角改正）然后计算出切口的偏离值。通过测量前标和后标的竖直角分别计算出前、后标高程偏离值（经转角改正）然后计算出切口偏离值。顶进施工中，操作人员应随时监测监视器各项数据的变化，并及时记录，在分析记录数据的基础上进行纠偏。施工中，当高程或中线超出标准值40mm以上时，根据监视器内的光点位置变化趋势进行纠偏[2]。纠偏过程中，可每隔顶进30cm测量一次，每项纠偏角度应保持10′～20′不得大于1°。