毗邻既有管道大口径顶管施工技术研究

朱 国 林

(中国水利水电第十工程局有限公司,四川 成都 610036)

1 概 述

李家岩水库项目的输水管道工程共有4个标段,全线采用有压重力流输水,双管同槽敷设,其单线总长度约为50 km。输水管道的管材为PCCP(预应力钢筒混凝土管)和成品防腐钢管,混搭安装。该输水管道由李家岩水库城乡供水隧洞出口消力池处取水设施接出,由西向东北方向敷设至成都市水六厂、水七厂徐堰河取水设施,沿途经过崇州市、温江区、郫都区和都江堰市。

由我公司承建的Ⅳ标段工程的主要施工内容包括:分水站;分水站至水六厂次输水C段管道(C段管道分CⅠ和CⅡ段,管径为DN 2 000 mm,单线长度为12.7 km);分水站至水七厂次输水B段管道(管径为DN 2 800 mm,单线长度为1.4 km)。

1.1 水文与工程地质情况

施工区域内河流众多且分布于管道沿线各段。域内地下水为埋藏于第四系沙卵石层中的孔隙潜水,沙、卵石层为主要含水层,具有强渗透性[1]。根据场地水文地质区域资料,其沙卵石渗透系数取25 m/d。

经现场勘探测得孔隙潜水稳定水位埋深为0.5～3.9 m,其相应高程为566.60～640.52 m,地下水位自西向东呈逐渐降低趋势。

施工段地质构造属于新华夏系第三沉降带,位于四川盆地西部、成都坳陷中部东侧,处于北东走向的龙门山褶断带和龙泉山褶断带之间,施工区域地质构造稳定,属于相对稳定地块。在地质钻孔深度范围内所揭露的地层为第四系全新统人工填土层(Q4ml)和第四系中下更新统冰水沉积层(Q1+2fgl)。

1.2 工程顶管施工背景

该工程桩号K5+585.38～K5+674.00段原设计方案为明挖基坑放坡方式施工。但因该段原敷设有一条成都市自来水七厂至郫都区城区的DN1 400 mm球墨铸铁型供水管道,其为郫都区城区供水的唯一水源,故不能采取断水施工的方式完成CI管道穿越DN1 400 mm输水管施工。该管道与我公司施工的管道(DN2 000 mm,双管)呈垂直相交布置,且其垂直净空高度仅为4.6 m。根据现场实际情况,经建设方、设计院、监理、施工方多次踏勘和讨论,最终由中国市政工程西南设计研究总院有限公司(设计院)出具了《李家岩水库输水管道工程H63号联系单》,确定将原保护开挖施工方案变更为顶管施工,其顶管施工段桩号为:金品花卉改线0+684.58～C5+668.502。

根据住建部《危险性较大的分部分项工程安全管理规定》(建办质{2018}31号)的规定,该工程顶管法施工属于暗挖工程,且顶管工作坑的开挖深度超过5 m,属于超过一定规模、危险性较大的分部分项工程,其具有以下特点:

(1)施工段位于富水沙砾石地段,其表层软土厚度较薄,施工降排水量大,顶管施工过程中存在基坑坍塌的危险;

(2)因施工区域上方有DN 1 400 mm球墨铸铁输水管道垂直布置,易脱节和破损;

(3)工作井、接收井深度达11 m,设计采用分层放坡开挖方式,土钉墙支护;

(4)顶管施工长度较长,纠偏难度大。

2 顶管施工程序及方法

2.1 顶管施工工艺的确定

地勘报告显示:该工程顶管穿越的土层均为沙卵石层。因此,根据工程的实际情况,最终决定采用手掘式顶管施工工艺进行施工。

2.2 施工程序

施工程序:工作坑→侧顶进洞口水平注浆→洞口环型加固梁施工→千斤顶后座混凝土施工→顶进机具底座混凝土浇筑→安装导轨、千斤顶、油泵等→钢管吊装就位→钢管边顶进边注入减阻泥浆、钢管接头焊接、循环顶进至完成→管道填充注浆→另一侧管道顶进参照此流程至施工完成→工作井包封混凝土→工作井回填。

(1)施工降排水措施。该区域地下水丰富,地勘资料显示:该区域孔隙潜水稳定水位的埋深为0.5～3.9 m,孔隙潜水水位的变化幅度约为1.5～2.0 m,地下水位自西向东呈逐渐降低趋势。为保证干地施工,对地下水采用井点降水及地面明排的方式以确保地下水位在基坑底以下0.5 m。沿工作坑底部四周设排水明沟,基底对角设置两个集水坑并配水泵以便及时排除坑内的积水;在工作坑顶部四周设置排水明沟用于排除基坑周围的地表水。

根据降水计算结果并结合现场施工的实际情况,在管线左侧布置了10口降水井,井深21 m。布置降水井时必须考虑降水时间长、降水量大等因素,降水井位置应尽量远离埋管位置(距离埋管外侧7 m),以避免降水导致的埋管位移或下沉情况出现。

(2)顶管工作坑的施工。

①工作坑的结构形式。工作坑为矩形结构,采用基坑放坡开挖形式。基坑分两级开挖,一、二级之间设置1 m宽的马道,顶管及接收面的开挖坡比为1∶0.5,两侧边坡下层的开挖高度为6 m,开挖坡比为1∶1.25,上层的开挖高度视地面高程而定,开挖坡比为1∶1.5;基坑的开挖形式为:工作坑坑底尺寸为8.5 m×11 m(长×宽),接收坑坑底尺寸为8.5 m×11 m(长×宽)。基坑开挖平面情况见图1;基坑支护侧视情况见图2。

图1 基坑开挖平面图

图2 基坑支护侧视图

②工作坑的施工。

a.工作坑的开挖:采用长臂挖掘机与人工配合的开挖方式。由于开挖深度较深(上层边坡为5 m,下层边坡为6 m),开挖结合土钉造孔与安装及边坡支护,开挖、锚喷分层施作,分层高度为1.5～2 m[2]。基坑支护采用土钉墙的支护形式,土钉墙正立面见图3。

图3 土钉墙正立面示意图

b.喷混凝土护面:基坑开挖采用分层开挖、分层支护的方式,先进行Φ48 mm钢花管施工,其间排距为1 m,矩形布置,下倾15°,底层钢花管的长度为8 m,上层长度为7 m,再进行Φ8 mm钢筋网的挂设,间排距为15 cm,钢筋网的搭接长度为1～2个网格,最后进行10 cm厚C20喷射混凝土施工,依次由上而下逐层施工。支护施工时在顶管口增设钢花管,环形布置,间距1 m。

(3)穿越段加固注浆。顶管施工前,先对顶管线路采用水平注浆和地面注浆相结合的方式加固土体以增强顶进时土体的稳定,避免造成土体沉降而导致DN 1 400 mm埋管断裂或接头脱落的情况发生。

就近布置制浆站并在其旁边设置三级沉淀池,废浆液及洗管废水经沉淀后排放或固化处理。

①穿越段DN 1 400 mm球墨铸铁管的复勘。在耕植土开挖与灌浆之前,必须对DN 1 400 mm球墨铸铁管的位置进行详细勘查并做出标识,利用小型机械、人工配合将埋管的上覆土挖出,将埋管裸露出来并做好相应的保护和防护措施。为了防止水泥浆污染耕植土,需要将其表层1 m厚的耕植土开挖后(另行堆放)将灌浆面设置在自然地面下1 m,待灌浆完成后回填复耕。

②地面注浆工艺流程。钻机就位→开孔→钻孔(钢套管)→终孔→下袖阀管→拔导管→灌浆→灌浆结束→移机。

③袖阀管注浆(地面注浆)施工工艺。地面注浆孔采用地质钻机钻孔,孔径为110 mm,地面注浆范围见图4。

图4 地面注浆范围示意图

地面注浆采用成品50型PVC袖阀管,注浆材料采用普通硅酸盐水泥浆液,其配合比为水∶水泥=1∶1,现场可根据实际地质条件调整。注浆施工前应进行现场注浆试验[3],以获得达到设计扩散半径所需的注浆施工相关参数,如注浆压力、加压持续时间、注浆量等。注浆宜采用全断面注浆以确保两管间的土体稳固。

2.3 顶管施工

(1)吊管。管道由专业厂家制作完成后采用汽车运输至施工现场,卸车就位以吊车为主,人工配合的方式进行。管道两端用尼龙吊带拴好后、用25 t汽车吊吊入工作井内,起重司索工用麻绳牵引以保证管节的下吊速度均匀、稳定。管至井底时,施工人员手扶钢管将其平稳放置在导轨上。

(2)顶进。①将顶进速度控制在30～50 mm/min。顶进前30 m和纠偏时采用低速,以后视情况适当加快顶进速度。双管平行顶进时其距离不小于12 m,本段设定为20 m。②顶进一节套管后缩回千斤顶,拆开电、通风管路等安装下一节套管,调正后连接各接头,安装顶铁,接通电路、管线,开动油泵顶进一个千斤顶行程,再次测量、纠偏,安放顶铁顶进,待其达到具有一节钢管的长度时为止,重复上述流程。③顶管完成时钢管露出坑壁的长度应不小于 0.5 m,并且要在露出的管头下做混凝土支墩。④在顶进过程中,顶铁上方及侧面不得站人并随时观察。⑤顶管过程中,可以采用在管节四周灌注触变泥浆的方式以减少阻力。

(3)顶管减阻。主要采用提前在钢管外壁上打石蜡和触变泥浆减阻相结合的方式。钢管吊入工作坑前,将石蜡涂抹在管外壁,其厚度为0.5～1 mm。触变泥浆采用膨润土配制,膨润土搅拌后通过管壁上预留的注浆孔注入管外壁与岩壁之间的空隙,触变泥浆最后通过水泥砂浆置换[4]。

(4)出土与运土。

①出土。a.严格控制开挖范围,管端上方可有不大于1.5 cm的空隙,特别是对于管底土基135°范围内不得超挖。一定要保持管底壁与土基表面的吻合,也可预留1 cm厚的土层(在管子顶进过程中切去)可防止管端下沉。b.挖土必须连续作业,挖出的土要及时外运,尽量缩短出土时间。

②运土。将从工作面挖下的土通过管内的简易小车水平运输至工作坑后采用25 t汽车吊垂直运输提升至地面。管内的水平运输主要采用手推车运土,人工拖拉。小车内的土方装入料斗后用吊车吊出工作井,在指定的地点进行临时堆置并将其作为回填料使用。

(5)管前挖土与顶进的注意事项。管前开挖是确定管节顶进方向和高程的重要环节,是保证顶管质量及管上构筑物安全的关键。因此,项目部对管前挖土与顶进施工制定了以下规定:①挖土按照从上而下的顺序分层开挖;②轴向挖土:土质不良时,管前的开挖尺寸不得大于30 cm;穿越障碍物时,应将管前的开挖距离控制在10～30 cm;③径向挖土:在正常顶管段,应将管顶部分的最大超挖量控制在15 mm左右,对于管底部分135°范围内不得超挖;对于土体下沉有要求的顶管段,其管周不得超挖[5];④顶管进入土层时,每顶进0.3 m其测量频率不得少于一次;管道进入土层正常顶进时,每1 m测量一次;纠偏时应增加测量的次数。

(6)顶管测量及纠偏措施。

①顶管测量。a.在顶管施工过程中,轴线的控制成为保证管道安装质量的重中之重。在顶首节管道与正常顶进的校正偏差时,其测量长度的间隔不应超过50 cm,以保证管道入土的轴线精度;管道进入土体正常顶进时,其测量长度的间隔不宜超过100 cm。顶管管道的允许偏差见表2。b.中心测量:采用激光导向经纬仪测量(即用激光束定位)。将经纬仪与洞口的激光发射器对中,将激光发射器的激光发射点定在轴线位置上。c.高程测量:用水准仪及特制高程尺根据工作坑内设置的水准点标高(洞口及顶管前管口各设一个测点)测得两个测量点的实际高程,掌握管道的高程变化趋势,完成与工作坑内另一水准点的闭合。d.激光测量:将激光经纬仪(激光束导向)按照管线设计的坡度和方向安装在工作坑内,安装好高程测量标识牌,若激光点与洞内高程标示牌中心重合,说明顶进无偏差,否则应根据偏差量进行校正。

表2 顶管管道允许偏差表

②校正纠偏。

a.超挖纠偏法:偏差量为1～2 cm时,可在管道偏向的另一侧根据实际情况适当多挖20 cm左右,在偏向侧需留坎20 cm左右以形成阻力,形成自然的牵引路线使其逐渐回归到设计路线。

b.顶木纠偏法:当偏差量大于2 cm时,在第一种方法无明显作用的情况下,可用Φ40 mm的管道对首节管道进行垂直方向的支撑并将其焊接在管道内壁;管道外侧采用材质较软且直径不大于4 cm的圆木镶在管道偏向的另一侧外管壁与土体中,在顶进过程中配合超挖纠偏法边顶边支。利用顶进时斜支撑分力产生的阻力,使顶管向阻力小的一侧校正。

③顶进施工允许的偏差。在顶进施工过程对管道的长度进行测量复核,根据管道的长度,每顶进2 m或每完成一根管道顶进时,必须对前一节管道的垂直和侧向位置进行检测,并将记录的结果绘制成图表[6],管道允许偏差及方法应符合表2中的规定。

(7)填充注浆。填充注浆孔沿管道纵向间距3 m布置,每个截面布设4个注浆孔,相互之间的夹角为90°,前后两个截面的注浆孔交错布置(即前后两截面的注浆孔夹角为45°),减摩注浆孔兼做填充注浆孔。

具体的注浆材料配合比为水泥∶粉煤灰=1∶1(重量比),加水量可参考水∶灰(含粉煤灰)=1∶1,注浆压力为0.3～0.5 MPa。

3 结 语

通过该标段顶管施工的实践,正确地掌握了顶管施工中机械与人工配合的具体步骤,为公司及同行业顶管施工积累了丰富的施工经验,克服了农田段深基坑顶管施工中降水难度大的先天条件,采用降水的方式控制顶管施工质量;按照前期策划的顶管施工方案质量控制措施达到了预定目标要求,将其总变形控制在20 mm内,超过了行业施工质量,满足了施工需要。通过我公司对该项目毗邻其他管线复杂环境下进行顶管施工的顺利实施,积累了丰富、有效的施工经验,掌握了一套完整的同类型地质环境下进行施工的关键技术,为公司锻炼出一批专业化的管理人才和技术人才,对当前城市改扩建市政管道施工技术提供了较好的施工技术指导和参考。