某水库项目顶管近距离穿越构筑物施工技术探析

甄祖玲

(广东省源天工程有限公司，广州 511300)

0 引 言

随着城市建设的不断发展，一些水库、河道项目的附属工程都要不可避免的穿越大型重要的建构筑 物，例如穿越管道隧洞和城市主干道等等，往往这些区域都分布着重要的管线，对周边环境的变形控制要求极其严格，如果采用顶管施工工艺，就要着重考虑施工影响的范围和沉降变形的控制，这给顶管施工工艺带来了很多大的技术课题。

为此，在某水库附属工程项目中我们成立了大型矩形顶管近距离上穿管道隧洞施工技术课题研究小组。在项目正式开工前先进行安全风险评估分析，对施工影响范围内的地表沉降计算，注浆加固不利地层和施工过程中的土压力平衡控制等进行了较为深入的研究，文章在该类顶管施工项目的重点工序上提出了一些控制要点，提出预先进行安全风险评估分析、施工影响范围内沉降变形的准确计算和施工过程中的土压力控制计算等等，可为后续顶管作业降低安全风险，大幅提高顶管效率。总结形成了大型矩形顶管近距离穿越重要构筑物安全施工技术，可为后续类似工程施工提供借鉴参考。

1 工程概况

在珠三角地区有一合流水库项目，属环北部湾广东水资源配置工程，是一个以灌溉为主，防洪、城市供水综合利用的小(Ⅰ)型水库，主要建筑物由主坝、副坝、溢洪道、合流水库补水泵站和合流水库输水管道、综合管廊等附属构筑物组成。该合流水库建设工程以灌溉为主，兼顾市区供水和应急备用等综合利用[1]。

其中附属工程中的综合管廊采用矩形顶管施工工艺，顶管顶部距离现状城市主干道约4m，局部顶管段上跨既有管道隧洞，其中距隧洞结构外侧的最小净距离仅为1.5m。

根据勘察报告资料，顶管区域位于淤泥质砂土层，上部覆盖素填土，施工场地地下水位为0.70-4.60m。该项目位置情况示意图详见图1所示。

图1 矩形顶管施工剖面示意图

2 施工难点

1)本项目顶管施工范围离城市主干道地面约4m左右，假若施工不当，可能会造成路面隆起、塌陷等问题的发生，会对社会造成严重不良影响。

2)顶管还需上穿现有管道隧洞，与隧洞最外侧结构距离最近仅为1.5m，这对隧洞结构的扰动控制要求将会非常高。

3 主要技术要点

3.1 工艺流程

顶管施工的技术要点控制主要是对施工各个工序节点的控制，为此每一关键环节和工序节点的技术控制都需具体落实到每一部门的责任人，并贯穿整个工程的施工。根据本项目特点和施工难点分析，为确保施工质量和提高工效，特制定以下施工工艺流程图(见图2)。

图2 施工工艺流程图

3.2 施工影响范围计算

目前，通常采用经实践验证过的经验公式对顶管施工影响范围进行计算分析是可以满足现场实际需要的。

Peck公式和修正后的Peck公式是假定施工引起的地面沉降是在不排水的情况下发生的，所以沉降槽体积等于地层损失的体积。地面沉降的横向分布类似正态分布曲线[2]，如图3所示。

图3 地面沉降正态分布曲线图

Peck公式为：

(1)

式中：S(X)为距离隧道中线x处的地面沉陷量；X为距离隧道中线的距离；Smax为隧道中线的最大地面沉降量； i—沉陷槽的宽度系数。

最大沉降量采用下式估算：

(2)

式中：VS为沉陷槽容积；i为沉陷槽的宽度系数。

(3)

式中：z为隧道埋深；j为隧道覆土有效内摩擦角。

根据经验，地面横向沉陷槽宽度 W/2≈2.5i。

3.3 地面沉降控制

1)原因分析：①顶进速度太快；②开挖面土压力大；③开挖面不稳定；④管道线型不好；⑤泥浆套形成不好，管道带土顶进，是初始顶进阶段未对顶进参数进行优化[3]。

2)防治措施：①顶进速度应满足开挖面土压平衡条件；②采用能稳定开挖面水土压力的顶管掘进机；③机头姿态控制精度好；④机头壳体比管外径大 20mm 为宜；⑤认真做好注浆工艺。

理论上注浆量可按下式计算：

V=(A·B-a·b)·k

(4)

式中：A为顶管机机头外径长度；B为顶管机机头外径宽度；a为管节外径长度；b为管节外径宽度；k为管节纵向长度。

3.4 顶力计算

F=F1+F2

(5)

式中：F为总推力；F1为迎面阻力；F2为顶进阻力。

F1=π·(D/2)2·P

(6)

式中：D为管外径P—控制土压力。

F2=π·D·f·L

(7)

式中：f为管外表面综合磨擦阻力；L为顶距。

P=K0·r·H0

(8)

式中：K0为静止土压系数。

4 穿越构筑物控制措施

4.1 施工前策划

项目开工前要吃透设计意图，对重点构筑物进行全面调查，尤其涉及重要管线隧洞等关系公共交通安全的构筑物，要完整收集相关资料，进行必要的安全风险评估分析，并组织相应的专家论证，提前作出应急管理预案。

4.2 施工过程控制

1)开挖面土压力控制：

根据 Rankine 土压力理论进行计算：

P=k·r·z

(9)

式中：k为软土的侧向系数；r为土的容重；z为覆土深度；P上为管道顶部的侧向土压力；P下为管道底部的侧向土压力。

2)顶进速度控制：

顶管初始阶段的控制至关重要，顶进速度宜适度放缓，可控制为5-10mm/min，待进入正常顶进状态时可控制为10-20mm/min。

3)出土量控制：

在顶进过程中必须要严格控制出土量，在正常状态下的出土量应占理论计算出土量的98%-100%，除非在考虑土体改良剂因素情况下， 可提高比例至105%。一般情况下，不得出现超挖或欠挖现象发生。

4)泥浆减阻技术措施：

实际施工中，通过管壁外优质润滑泥浆的制作和压注措施可大大降低顶进阻力。顶进时，利用机头尾部环向均匀布置的压浆孔，及时进行注浆，保证在机头后面形成完整有效的泥浆套。机头后面的前三个管节上都有压浆孔，再往后每隔一个管节放置一段预留压浆孔的管节，压浆孔均呈斜向 45°正交环向交叉布置。顶进时利用管节上的压浆孔进行补压浆[4-5]。

制备合格的触变泥浆性能指标可参考如下： 密度：泥浆比重为 1.1-1.16×103kg/m3； 黏度：用漏斗黏度计测量黏度>30s； 失水量：≤25mL/30min；稳定性：泥浆应无离析水；pH值：<10。

5)纠偏控制：

纠偏随测量进行，随测随纠，增加纠偏频率、减小纠偏幅度。在顶第一节管的校正偏差过程中，测量间隔≤50cm，以保证管道入土的位置正确。管道入土层后的正常顶进阶段， 测量间隔≤100cm。

6)泥浆置换：

泥浆置换即在单段顶管完成后及时采用水硬性材料置换管道外壁原注膨润土泥浆，使管道外壁形成强度较大的浆壁，能承受上覆土压力的作用，避免孔壁的坍塌；另外，掺入膨胀剂具有补偿收缩性能的水泥浆还能降低原注泥浆的收缩，从而减少沉降发生[6]。

7)监测信息管理：

实时跟进现场实际动态监测信息，以确立新的施工参数、注浆量及变形沉降值等关键信息，实时传至顶管操作室，根据反馈的信息对施工面作及时调整， 实现反复循环、验证和调整的工作程序，确保工程质量。

5 结 语

对于矩形顶管近距离穿越重要构筑物施工难题， 应因地制宜，结合现场的实际情况，综合考虑各种因素，科学合理组织，突破技术难关，才能保证项目的顺利实施。

本工程的顺利完成及验收合格，且满足了第三方监测要求，实践证明采取事前安全风险评估分析，施工影响范围内的地表沉降分布规律计算，对不利地层的注浆加固和施工过程中的土压力平衡控制，可有效的控制地面沉降和对管道隧洞的影响均在安全允许范围内，充分说明了以上控制措施是切实可行的，为后续类似项目施工积累了成功经验。