弱膨胀黏土地层污水管道顶管管节裂缝控制技术研究

2023-04-22芈韶辉张魏巍孔祥宝

居业 2023年11期

关键词：管节顶管泥浆

芈韶辉张魏巍杨军孔祥宝张虎

(安徽省交通航务工程有限公司,安徽合肥 230000)

0 引言

以炉桥污水厂管网施工为背景，全面分析了顶管施工过程中穿越弱膨胀土地质条件下产生裂缝的问题，并针对产生的裂缝进行研究解决，为同类工程施工提供参考方向。

1 工程概况

1.1 管网设计概况

前进路：顶管长度687m，管径DN1200，顶管工作井9座。

南二环：顶管长度188m，管径DN1200，顶管工作井2座。

华塑大道：顶管长度431m，管径包括DN1200和DN1000两种，顶管工作井7座。

淮溪大道泵站段：顶管长度51m，管径DN800。

富民路：顶管长度613m，主管路503m，支管110m。主管管径DN600，支管管径DN500，顶管工作井18个。

管材要求：采用Ⅲ级钢筋混凝土承插管，橡胶圈接口，承插连接。工作井封底及顶管管道均落于第2层粘土，工作井采用沉井方式施工。

1.2 水文地质条件

第一杂填土层，工程性质差，不宜直接作为基础持力层；第二层粘土层，厚度大、工程性质好，地基承载力特征值为200kPa，具有弱膨胀潜势。

地下水：第一工程地质层杂填土层结构疏松，渗透性强，浅部填土层地下水水量较小，地表水一般较大；第二层渗透系数小、渗透性差，地下水水量一般较小，但降雨和地表片流水对坡体具有破坏性危害。

2 研究部署

本次研究路段选择华塑大道和前进路两个不同的路段顶管施工作为课题内容的研究，通过研究顶管施工过程中地下水对弱膨胀黏土的影响，长距离与深埋的顶管施工过程中出现管道轴线偏移问题及膨胀黏土对管道的摩擦力和挤压情况下对管节端头破损等产生裂缝的破坏问题，确定弱膨胀黏土地层市政污水管道顶管管节裂缝控制技术的措施，为后续大面积施工提供依据和指导。

3 施工要求

(1)施工前做好地质勘测及资料审核复查，摸清工程施工范围内的地质、水文环境，尤其是透水砂层的涉及部位。

(2)实行技术交底制度，施工前确保现场每一位一线施工人员及工人均熟知施工工艺要求、操作要点及质量标准，做到全面交底，签字存档。

(3)为确保整体施工工艺水平达到图纸设计水平和质量验收要求，在项目开展大面积施工前，需要进行试验段施工，通过对试验段的检查、验收和总结，确定各项施工参数，明确施工质量标准，避免大面积不合格造成返工损失，同时将样板质量作为工程验收的标尺和根据。

(4)严格执行自检、互检、专检等“三检制”，并做好书面记录以备查。对于不合格的上道工序，而又未被发现时，负责下道工序施工的负责人和一线工人负有相同的质量责任。

(5)做好保护工作，在施工过程当中对易受污染、损坏的成品，安装提醒标识标牌。做好各项防护措施，并由材料员负责检查巡视，发现问题，及时整改和处理。

(6)为防止机头下沉，在顶管机穿越工作井时，要提前设置一定的向上角度，管道下部要设有支撑，加强各管节之间的连接关系，顶管机推进过程中应保持一定的速度，不可停滞或延误，避免管内的土体长时间暴露。

(7)在机具出洞施工前期，由于顶管周边的摩擦力和与导轨间的摩擦力的总和小于顶管机正面主动土压力，为避免顶管机产生扭力破坏，可在顶管机的双侧各焊上一块挡板，挡板底面与导轨面齐平。

(8)管节在顶进过程当中，因为部分浆液会流失到土层中，因此每间隔一段时间必须进行重新补浆，注浆压力根据采用浆液的粘度和管路长度综合计算确定。

(9)为有效提高化学泥浆的黏稠度，增加泥浆的排渣能力，PH值应控制在8～11，黏度控制在28～32s，在工程施工结束后，在泥浆池中添加适量的氧化剂，使其与泥浆充分混合，待泥浆完全降解后即可排放。

(10)顶管穿越现有道路桥梁隧道时，应提前检测设备性能是否完好，确保穿越顶进过程中一次成功，不影响现有交通运输。同时，在顶进过程当中应加强对监控量测，做到发现问题实时改正。

4 安全要求

(1)严格按照平面布置图布置现场，设置高度不低于2m的连续硬质围挡，并设置大门，大门应关闭上锁，防止非施工人员进入现场。围挡外侧设置安全警示标志，夜间设警示灯。

(2)加强井口临边防护，设置防护栏杆，并在井口位置设置水平防护网；上下钢梯出入口位置，栏杆柱距缩小至1.5m，以保证防护栏杆能经受人群拥挤、物件碰撞的外力，护栏上挂安全网，工作井四周要挂相应的警示标语。

(3)吊车、起重设备的操作和指挥人员必须持有效证件，经考核合格后方可上岗。吊车及起重设备应停放在工作井安全距离以外，避免对工作井造成破坏和发生机械倾翻问题。

(4)利用吊车吊运物体时，必须确定吊运吨位的配备，对吊运的索具进行安全计算，合理配置。

(5)设备在使用中应按规定定期保养和检查维修，由特定人员操作机电设备，服从用电安全操作规程，避免过负荷作业。

(6)加强对周边建筑物和穿越道路的日常巡查，重点巡查裂缝、沉降等。有特殊情况及时上报处置。

(7)工作井必须设置工人上下爬梯，且爬梯需增加保护罩，工作井完成后安装标准爬梯，并经安全部门验收合格后方可投入使用。

(8)现场临时用电应符合三级配电两级保护要求。配电箱应按照规范进行装配，保护装置齐全、灵敏、可靠，并设置在干燥、通风的常温场所。

5 影响因素分析研究

5.1 通过控制地下水减小弱膨胀黏土对顶管顶进的阻碍

5.1.1 润滑泥浆中的水在膨胀土中对顶管的影响

本工程施工顶管管径最大为1.2m，只适用泥水平衡顶管方法施工，由于膨胀土吸收水分之后体积膨胀，对管道的压力增大，摩擦力也随之增加，施工效率降低，且施工完成之后管道四周土体水分散失之后，膨胀土又会收缩引起土体沉降，导致管道破损渗水。所以，在施工之前就要考虑泥浆被膨胀土地质吸收之后对顶管施工的影响，一般的解决方法是在顶管施工完成之后通过注浆孔进行注入水泥浆或者水玻璃等加固材料，因为土体遇水膨胀，颗粒间隙增大，需要注入的加固浆液也会增多，无形之中又会增加施工成本，所以如何避免或降低膨胀土吸水率就成为了重中之重。

根据2020-2021年在G329绕城段新建工程桩基施工过程中，对化学泥浆辅助旋挖钻泥浆护壁灌注桩施工技术研究结果可知，化学泥浆相较于传统膨润土泥浆而言，除了具有膨润土泥浆的性能之外，同时化学泥浆又具有其相应的特有性质，如具有很强的吸附能力，在土层表面形成结构性溶剂水化膜，防止自由水渗透，降低失水量[1]，且化学泥浆在使用过程中绿色环保无污染，符合社会发展需求和可持续性发展理念，相对施工成本更低，效果也更好。

5.1.2 地下土层中的水位对阻碍膨胀土层顶管的影响

随着季节的不同，地下水位也在不断地变化，膨胀土遇水膨胀失水收缩，膨胀土层对管道的影响主要集中于土质交接变化的部位，对于本工程而言，管道所处土层均为弱膨胀土，地质单一，所以最容易出现问题的部位是在工作井两端管道连接处，工作井重量大，受土层变化影响小，而管道受影响较大，工作井与管道的连接为刚性连接，随着土体进行上下起伏的同时会造成接口松动开裂，出现渗水等情况。

为保证接口处的连接不受扰动或扰动之后不出现质量问题，可以在工作井洞口内预留部分管道与溜槽混凝土浇筑形成一个整体，确保第一节管道与工作井之间不发生扰动；同时工作井洞口处采取刚性连接，出洞之后的管节接口之间采用橡胶圈进行柔性连接，通过橡胶圈抵消土层膨胀收缩作用对管道的影响，同时也能保证接口的密封性[2]。

5.2 避免顶管施工过程中管道轴线偏移的情况

5.2.1 膨胀土遇水膨胀影响

在顶进过程中，地下土层吸收泥浆里面的水分膨胀，由于管道四周接触面吸水情况不同，土体体积不均匀增加，导致顶管阻力受力不均匀，形成导向偏差，造成管道轴线偏差[3]。

本工程顶管直径较小只适合泥水平衡方法施工，地下弱膨胀黏土层不可避免地被泥浆包裹，此时应按照“勤测量、勤纠偏、微纠偏”的操作原则进行纠偏，循序渐进地顶进，控制管道偏移在规范允许范围之内；同时采用激光摄像纠偏措施，利用视频监视系统和数据状态监视系统，将接收到的信号和数据反映在显示屏上，对比分析顶管机头偏移情况，如果偏移量超出允许范围值，可通过控制室纠偏，调整油缸顶力控制其伸出长度，实现机头偏移回到预定线路位置。

5.2.2 顶进设备安装精确度不够

顶管顶进设备的安装精确度是决定本次顶管施工研究内容精确度的前提条件，在顶进设备安装及后续施工过程中，如果盾构机刀盘轴线与管道轴线不在一条直线上，在管道顶进施工过程中会导致产生管道扭转，在顶进过程中使管道发生扭力破坏。

为保证顶进设备安装精确度，应尽可能地采用提前组装好的整体设备，以减少设备安装之间的累计偏差。在设备安装之前，按要求对顶管过程中涉及的各类仪器设备进标定或鉴定，合格之后方可使用。对超过使用年限或淘汰的仪器设备杜绝进场，顶管设备安装完成之后，报测量负责人进行验收，独立进行不少于两次，且测量均合格之后方可开始顶进。