李明華

(中國(guó)中鐵四局集團(tuán)有限公司 市政工程分公司，湖北 襄樊 441000)

1 工程概況

蚌埠第二污水處理廠是國(guó)家淮河環(huán)境治理項(xiàng)目的一項(xiàng)重要工程，該工程將蚌埠主城區(qū)污水全部收集進(jìn)廠處理，廠外污水主管網(wǎng)需穿越津浦鐵路專用線至污水處理廠，該段管道直徑設(shè)計(jì)為1 800 mm，埋深9.0～10.5 m，采用頂管施工工藝，穿越鐵路段由于位置特殊，需一次單向頂進(jìn)距離為340 m，管材采用鋼筋混凝土Ⅲ級(jí)“F”管。該段頂管穿越地段地質(zhì)條件復(fù)雜，土體不穩(wěn)定，土層結(jié)構(gòu)為3層粉質(zhì)液化土，局部有流砂層，地下水豐富，施工難度大，為確保管道一次頂通和鐵路運(yùn)行安全，施工中通過(guò)采取一些特殊的技術(shù)措施，確保了管道順利通過(guò)鐵路專用線(見(jiàn)圖1)。

圖1 頂管穿越鐵路剖面(單位:mm，高程單位:m)

2 頂管施工工藝

2.1 施工準(zhǔn)備及頂管掘進(jìn)機(jī)的選擇

根據(jù)頂管穿越地段地質(zhì)條件，為保證頂管施工作業(yè)安全，施工前對(duì)頂管工作坑的尺寸、抗傾覆穩(wěn)定性、頂力及后備承載力進(jìn)行計(jì)算，作為施工技術(shù)可行性的論證參數(shù)和控制指標(biāo)。同時(shí)，對(duì)頂管穿越的鐵路路面沉降估算，并布設(shè)監(jiān)控點(diǎn)，由專業(yè)測(cè)量技術(shù)人員負(fù)責(zé)工程監(jiān)控。

地下長(zhǎng)距離頂管施工技術(shù)水平的高低，基本取決于頂管掘進(jìn)機(jī)技術(shù)含量的多少，根據(jù)該工程地質(zhì)情況采用機(jī)械式土壓平衡頂管掘進(jìn)機(jī)。

2.2 施工工藝流程

2.2.1 工藝概述

管道頂進(jìn)前，在鐵路兩側(cè)先建造一個(gè)工作井和一個(gè)接收井，由于土質(zhì)差，工作井和接收井均采用圓形鋼筋混凝土沉井，沉井尺寸滿足頂管機(jī)械布置和一個(gè)頂進(jìn)行程需要。在工作井內(nèi)的頂進(jìn)軸線后方，對(duì)稱布置4只主千斤頂，將需敷設(shè)的管節(jié)，放在千斤頂前面的導(dǎo)軌上，主千斤頂推進(jìn)時(shí)，以機(jī)頭開(kāi)路將管節(jié)壓入土中。與頂進(jìn)相配合，刀盤將切入泥倉(cāng)中的土體，攪拌成“三性土”后，通過(guò)螺旋出土機(jī)、土砂泵、管道送出井外。一根管節(jié)被壓入土中后，吊入下一管節(jié)連接，繼續(xù)頂進(jìn)，反復(fù)循環(huán)頂進(jìn)至預(yù)定長(zhǎng)度，管道敷設(shè)完成。

2.2.2 頂管施工工藝

頂管施工有頂進(jìn)設(shè)備安裝和頂進(jìn)施工兩部分。

1)設(shè)備安裝:整套頂管機(jī)械由頂管機(jī)頭(含糾偏系統(tǒng))、主千斤頂系統(tǒng)、進(jìn)排泥系統(tǒng)、觸變泥漿系統(tǒng)、承力鋼構(gòu)件組成。安裝分井內(nèi)、井外兩部分。

2)設(shè)備安裝工藝流程框圖如圖2。

圖2 頂管掘進(jìn)設(shè)備安裝工藝流程

2.2.3 頂進(jìn)施工工藝流程

頂進(jìn)施工工藝流程為頂管施工準(zhǔn)備→機(jī)頭出洞→入泥頂進(jìn)→吊下管節(jié)、接管→頂進(jìn)、測(cè)量、記錄、糾偏→頂完一節(jié)循環(huán)頂進(jìn)→最后一節(jié)→竣工測(cè)量→機(jī)頭進(jìn)洞、拆吊→結(jié)束。

2.2.4 安裝導(dǎo)軌

使用裝配式滾輪支架作為導(dǎo)軌，導(dǎo)軌安放在混凝土基礎(chǔ)面上，導(dǎo)軌定位后必須穩(wěn)固、正確，在頂進(jìn)中承受各種負(fù)載時(shí)不移位、不變形、不沉降。導(dǎo)軌安放前，應(yīng)先復(fù)核管道中心位置。滾輪與管道接觸位置的平行度、高度等參數(shù)由制作時(shí)保證，但在安裝時(shí)必須復(fù)核。滾輪接觸管道位置的高程按管道設(shè)計(jì)高程設(shè)置，在頂進(jìn)中經(jīng)常復(fù)核調(diào)整，確保頂進(jìn)軸線的精度。導(dǎo)軌設(shè)置坡度與設(shè)計(jì)軸線相同。頂進(jìn)工作坑的混凝土基礎(chǔ)面的高程為設(shè)計(jì)管底高程減去導(dǎo)軌構(gòu)造高度和管壁厚度之和(約400 mm)。導(dǎo)軌的兩條滾輪接觸線與管節(jié)中心的夾角應(yīng)為60°，由制作和軌道調(diào)整共同保證。

2.2.5 設(shè)置承壓壁

安裝在工作坑后座墻與主千斤頂之間的鋼結(jié)構(gòu)件為承壓壁。承壓壁承受和傳遞全部頂力，必須具有足夠的剛度和強(qiáng)度，本工程承壓壁的設(shè)計(jì)承壓能力為6 500 kN，留有余量1.5倍。工作井在作承壓壁時(shí)，將預(yù)留的洞口用磚封堵。安裝另一側(cè)承壓壁時(shí)，可使已完成的管道承受頂力。為使承壓壁受力均勻，在承壓壁與井壁間澆筑C30混凝土，振搗密實(shí)。承壓壁的平面必須與頂進(jìn)軸線相垂直，在頂進(jìn)中隨時(shí)檢查，如發(fā)現(xiàn)傾斜，必須重新布置，以保證安全。

2.2.6 安裝主頂設(shè)備

主頂設(shè)備安裝在承壓壁前方，使頂管掘進(jìn)機(jī)和管道向軸線方向頂進(jìn)的加力組合裝置。由組合千斤頂架、4只主千斤、油泵站2管閥、馬蹄形頂鐵、環(huán)形頂鐵組成。初始頂進(jìn)時(shí)可在組合千斤頂架上先安裝4只主千斤頂，供初始頂進(jìn)時(shí)調(diào)整頂進(jìn)方向使用。數(shù)臺(tái)千斤頂應(yīng)共同作用，規(guī)格一致，行程同步，每臺(tái)千斤頂?shù)氖褂脡毫Σ淮笥陬~定壓力，油路必須并聯(lián)，每臺(tái)千斤頂均配備有獨(dú)立的控制閥，千斤頂伸出的最大行程應(yīng)小于油缸行程的10 cm左右。油泵站設(shè)置在距離主千斤頂?shù)慕?，油路安裝應(yīng)順直，減少轉(zhuǎn)角，接頭不漏油，油泵站在井口操作間內(nèi)工作。安裝完畢后必須進(jìn)行試車，在頂進(jìn)中定時(shí)檢查維護(hù)。環(huán)形頂鐵外徑與管道直徑一致，利用環(huán)的外部推動(dòng)管節(jié)。

2.3 采取的技術(shù)措施

由于該段管道地處淮河漫灘，地質(zhì)條件復(fù)雜，為保證管道順利頂進(jìn)，結(jié)合蚌埠地區(qū)很多頂管遇到的障礙和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，采取了相應(yīng)的技術(shù)措施。

2.3.1 管井降水

由于地下水豐富，為減小地下水壓力對(duì)管道頂進(jìn)的影響，在管線兩側(cè)設(shè)管井進(jìn)行降水，管井直徑 φ500 mm、管井深度不小于20 m，內(nèi)置φ50 mm潛水泵降水，管井降水在管道頂進(jìn)前10 d進(jìn)行(圖3)。

2.3.2 采用套管法

圖3 管道中線兩側(cè)降水平面布置圖

由于粉質(zhì)液化土摩阻力大，頂進(jìn)中土層與管道外壁密切接觸，通常土質(zhì)條件下由于機(jī)頭刀盤要比管外徑大20～30 mm，管外壁與土層有一些空隙，注漿后容易形成一層泥漿套后減小頂進(jìn)阻力，而液化土無(wú)法形成空隙，因而阻力非常大，所以這種土質(zhì)對(duì)長(zhǎng)距離頂管產(chǎn)生影響很大，通過(guò)頂進(jìn)阻力計(jì)算和結(jié)合本地頂管經(jīng)驗(yàn)，通常頂段長(zhǎng)度都在200 m以內(nèi)，超過(guò)此距離就會(huì)出現(xiàn)阻力過(guò)大、機(jī)頭抱死的現(xiàn)象，有時(shí)出現(xiàn)后靠背及工作井井壁損壞而停止頂進(jìn)。結(jié)合該段管道特殊情況，穿越鐵路必須一次頂過(guò)，頂段距離又長(zhǎng)，為此采取套管法頂進(jìn)，具體方案如下，先頂進(jìn)直徑2 400 mm鋼筋混凝土套管，頂進(jìn)長(zhǎng)度約150 m，然后在管道內(nèi)再穿越頂進(jìn)直徑1 800 mm混凝土管，這樣將整個(gè)頂段頂進(jìn)阻力分解，頂進(jìn)結(jié)束后將套管內(nèi)直徑1 800 mm管道拔出，利用于下個(gè)頂進(jìn)管段重復(fù)使用，如圖4。

圖4 套管法頂進(jìn)長(zhǎng)距離管道剖面(單位:mm)

2.3.3 減阻措施

管道頂進(jìn)阻力控制是頂管施工的關(guān)鍵因素，也是決定長(zhǎng)距離頂管成敗的關(guān)鍵，采取了如下減阻措施。

1)外壁打蠟。管道頂進(jìn)前對(duì)每節(jié)管道進(jìn)行打蠟處理，安排專人進(jìn)行，確保打蠟均勻、全面。

2)泥漿套法。在頂進(jìn)過(guò)程中，以高壓泵向管外壁與土層之間注入觸變泥漿，以減小阻力的措施。

3)選擇良好的注漿材料很關(guān)鍵，觸變泥漿的主要成分是膨潤(rùn)土，使用前應(yīng)測(cè)定膠質(zhì)比。

4)觸變泥漿的配合比按管道周圍土層的類別、膨潤(rùn)土的性質(zhì)以及觸變泥漿的技術(shù)指標(biāo)確定。

5)觸變泥漿套法不僅是長(zhǎng)距離頂管的需要而且是減少地面沉降的保證措施之一。在機(jī)頭尾部及管節(jié)的尾部，分別布置一組注漿孔，以后每隔2根管節(jié)(6 m)布置一組補(bǔ)漿孔。正常頂進(jìn)時(shí)，注漿或補(bǔ)漿均以控制注漿量為主。壓漿分A、B兩類分別控制，A類為機(jī)頭尾部同步壓漿，以形成原始漿套，填充固有間隙和糾偏間隙，操作遵循“先壓后頂，隨頂隨壓”的程序;B類為沿線及洞口補(bǔ)漿，以補(bǔ)充管道頂進(jìn)過(guò)程中的漿套損失，該操作在頂進(jìn)時(shí)或停止時(shí)均可進(jìn)行;

6)頂進(jìn)施工完成以后，將粉煤灰水泥砂漿壓人管外壁與土層之間，將觸變泥漿置換出來(lái)，以起到減少地面沉降的作用，防止鐵路路基下沉。

長(zhǎng)距離頂管時(shí)，管道還受到土層的被動(dòng)土壓力，所以需要減小土體對(duì)管道的阻力，注入減阻泥漿是減小阻力的重要措施。頂進(jìn)時(shí)要及時(shí)有效地同步注漿，確保形成完整的泥漿套，同時(shí)在管道四周定時(shí)補(bǔ)壓漿，確保泥漿套不流失破壞。

2.3.4 出洞、進(jìn)洞技術(shù)措施

1)出洞前技術(shù)措施。①合理布置施工場(chǎng)地，安排好出土運(yùn)輸、起重機(jī)、水泵等位置。管節(jié)堆放處事先清理平整，管節(jié)堆碼排列整齊，在堆放管節(jié)時(shí)須用專用吊具，吊放動(dòng)作平穩(wěn)，就位后立即用三角木墊穩(wěn)。②每批管節(jié)到工地后，逐節(jié)檢查管節(jié)質(zhì)量。檢查內(nèi)容包括管口圓度、端面平行度;注漿孔是否暢通;管節(jié)端面是否破損等情況，對(duì)質(zhì)量有問(wèn)題的管節(jié)做好標(biāo)記，通知廠方及時(shí)采取修補(bǔ)、更換措施;③機(jī)頭在出洞前通電試車正常，復(fù)核導(dǎo)軌位置尺寸，檢查機(jī)頭糾偏油缸回零情況及洞口止水圈壓板位置與機(jī)頭的間隙是否均勻等。④為防止工作井出洞口處的既有管道損壞，必須對(duì)工作井出洞口進(jìn)行壓密注漿加固。注漿加固洞口時(shí)，特別注意凝固時(shí)間，注漿配合比。合理選擇后應(yīng)達(dá)到洞口土體縫隙被注滿，初凝后能保持短時(shí)間不坍塌，機(jī)頭可順利推進(jìn)，注漿“結(jié)石”強(qiáng)度低可被刀盤切碎。

2)進(jìn)洞技術(shù)措施。本部分工作包括在接收井搭建托架、導(dǎo)軌就位、洞口止水圈安裝、進(jìn)洞口地基加固、機(jī)頭偏差復(fù)測(cè)、拆除洞口磚封門、機(jī)頭進(jìn)洞并吊運(yùn)、管道內(nèi)清理、洞口井壁與混凝土管節(jié)間隙連接處理、拆除井內(nèi)設(shè)備、管道清洗準(zhǔn)備交驗(yàn)。接收井托架是將頂進(jìn)接收井洞口的頂管掘進(jìn)機(jī)托住，用2根32#槽鋼，按1.2 m寬度、掘進(jìn)機(jī)出洞口的高程(低3～5 cm)設(shè)置。在接收井的洞口安裝洞口止水圈止水，止水圈要有密封性，密封地下水和管道與進(jìn)洞洞口間隙的注漿漿液。掘進(jìn)機(jī)在距進(jìn)洞口25～30 m時(shí)，應(yīng)對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行最后的復(fù)測(cè)，確定掘進(jìn)機(jī)與設(shè)計(jì)軸線及進(jìn)洞洞口的相對(duì)位置，如果此時(shí)偏差不大，可以進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整、糾偏。拆除洞口在掘進(jìn)機(jī)抵近洞口距離0.5 m時(shí)進(jìn)行。將封閉洞口的墻上部、下部各鑿出二個(gè)直徑為50 mm的通孔，檢查土體加固后的強(qiáng)度、漏水情況，確定是否采取補(bǔ)救措施。掘進(jìn)機(jī)破洞進(jìn)入洞口后，可以加快頂速(此時(shí)掘進(jìn)機(jī)不旋轉(zhuǎn)、不出土)，接收井派專人觀察及時(shí)與工作井頂進(jìn)人員聯(lián)系，待掘進(jìn)機(jī)完全停穩(wěn)后，立即將掘進(jìn)機(jī)與管道分離，分離時(shí)應(yīng)注意電纜和液壓油路管的接頭。確認(rèn)完全將掘進(jìn)機(jī)與管道分離后，用吊車輕輕起吊晃動(dòng)掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭，使掘進(jìn)機(jī)與管道脫開(kāi)，再次檢查分離情況，確認(rèn)后將掘進(jìn)機(jī)吊出井外。

2.3.5 糾偏和測(cè)量控制

1)糾偏應(yīng)在頂進(jìn)過(guò)程中進(jìn)行。在靜止?fàn)顟B(tài)糾偏，首先糾偏力大，土質(zhì)越硬糾偏力越大。其次，靜止糾偏測(cè)點(diǎn)偏差有時(shí)反而增大，而頂進(jìn)中糾偏，糾偏量逐漸增加。第三，靜止糾偏對(duì)第1段鋼筋混凝土管會(huì)產(chǎn)生較大的不均勻應(yīng)力。

2)鋼筋混凝土管糾偏比較靈敏，所以頂管的糾偏角不宜過(guò)大，否則會(huì)造成軸線較大彎曲。

3)第1節(jié)管段的質(zhì)量要好，因?yàn)樵摱纬惺芄ぞ吖芗m偏的反復(fù)應(yīng)力。故長(zhǎng)距離頂管時(shí)第1節(jié)管段要特殊加工，提高管道配筋或管頭加鋼套環(huán)。

4)糾偏采用“校正”、“恢復(fù)”兩種方式?！靶Ｕ狈绞绞歉鶕?jù)機(jī)頭軸線與設(shè)計(jì)中心線之間夾角大小，確定是否需要采取糾偏措施。采用“校正”方式時(shí)，機(jī)頭糾偏角約0.5°～10.0°?！盎謴?fù)”方式是根據(jù)機(jī)頭位置與設(shè)計(jì)中心線的累計(jì)偏差量，確定是否需要采取糾偏措施，這時(shí)的糾偏角約0.40°～0.70°。

5)長(zhǎng)距離頂管測(cè)量非常重要，要勤頂勤測(cè)，隨時(shí)校正。一般在下管前和下管頂進(jìn)一次后都應(yīng)測(cè)1次，此時(shí)發(fā)現(xiàn)偏移容易校正。正常頂進(jìn)時(shí)每頂進(jìn)1 m測(cè)1次。測(cè)量采用激光經(jīng)緯儀和水準(zhǔn)儀配合進(jìn)行，機(jī)頭前方有固定光靶，測(cè)量時(shí)將油缸縮回。

水平、高程的偏差均用激光經(jīng)緯儀測(cè)定，儀器應(yīng)固定在工作井的底板上，計(jì)算機(jī)控制的激光接收靶固定在機(jī)頭前端，坐標(biāo)中心在掘進(jìn)機(jī)中軸線上。頂進(jìn)時(shí)激光經(jīng)緯儀常開(kāi)啟，機(jī)頭操作人員通過(guò)觀察計(jì)算機(jī)顯示屏幕上的激光光斑移動(dòng)數(shù)據(jù)及頂進(jìn)的長(zhǎng)度分析偏差發(fā)展趨勢(shì)，確定應(yīng)采取的糾偏方法。

3 結(jié)語(yǔ)

復(fù)雜地質(zhì)條件下長(zhǎng)距離頂管施工應(yīng)選準(zhǔn)頂管掘進(jìn)機(jī)頭，根據(jù)不同的土層地質(zhì)結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，必須仔細(xì)判斷準(zhǔn)確，選擇合適的頂管機(jī)械，機(jī)型一旦選錯(cuò)，頂進(jìn)就會(huì)出現(xiàn)很大困難甚至失敗;減阻措施必須落實(shí)到位，施工過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)因操作人員責(zé)任心不夠，注漿減阻措施未能及時(shí)跟進(jìn)導(dǎo)致頂進(jìn)受阻;特殊地段可考慮采用套管法分解頂進(jìn)阻力，減少中繼間的使用;做好測(cè)量、糾偏技術(shù)工作，過(guò)程中及時(shí)校正各項(xiàng)頂進(jìn)技術(shù)參數(shù)，對(duì)確保長(zhǎng)距離頂管成敗非常重要。

隨著管道頂進(jìn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，通過(guò)研究不同地質(zhì)條件下的長(zhǎng)距離頂管施工工藝，將不斷積累復(fù)雜地質(zhì)條件下的長(zhǎng)距離頂管施工技術(shù)，為我國(guó)的長(zhǎng)距離頂管技術(shù)創(chuàng)新作出貢獻(xiàn)。

[1] 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢).頂管施工技術(shù)及驗(yàn)收規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2007.

[2] 孫連溪.實(shí)用給排水工程施工手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1998.

[3] 鮑永亮，鄭七振，唐建忠.軟土地層矩形頂管推進(jìn)施工措施分析［J］.鐵道建筑，2009(8):75-78.

[4] 鮑永亮，鄭七振，王娟，等.上海軟土地層地下通道矩形頂管施工技術(shù)［J］.鐵道建筑，2009(9):68-70.