豐巨武

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西 太原 030024）

0 引言

某引水PCCP（DN 1800）壓力管線工程，在穿越縣城時遇到地下供熱、供水管道密集分布區(qū)，與環(huán)城快速路距離較近，地層巖性為卵石混合土層、級配不良砂和淤泥質(zhì)低液限粉土，地下水位較高，具有強透水性。結(jié)合工程地質(zhì)、環(huán)境等因素，通過采取泥水平衡頂管施工方案，順利通過，保證了施工質(zhì)量、安全和進度，而成功的關(guān)鍵是前期合理的施工方案。

1 地質(zhì)適應(yīng)性分析

探明地質(zhì)條件，是進行頂管穿越施工方案設(shè)計的前提，地質(zhì)條件的適應(yīng)性分析是進行施工方案比選時首要考慮的因素。

經(jīng)探明施工區(qū)域位于現(xiàn)狀河床，地面高程1 096.5～1 101.0 m，地層巖性為第四系全新統(tǒng)洪沖積（Q4pal）卵石混合土層，厚度大于10 m，局部表層為厚0～2.0 m的低液限粉土層；局部地表分布有第四系人工堆積物（QS），雜填土（灰渣）、含碎塊低液限粉土，厚度0～3.0 m。頂管深度處于-10.9～-8.0 m處，該區(qū)域內(nèi)分部卵石混合土層、級配不良砂和淤泥質(zhì)低液限粉土。地下水位處于地面以下-3.75 m，地下水位較高，頂管區(qū)域內(nèi)地質(zhì)具有強透水性。

據(jù)鉆孔注水試驗資料，卵石混合層滲透系數(shù)為21.04 m/d，具強透水性，頂管段管道位于地下水位以下，基坑開挖時存在基坑涌水問題，需排水。

綜合考慮地層巖性、地下水分布，基坑涌水量等因素，同時考慮工期、投資因素，排除了土壓平衡盾構(gòu)和人工開挖施工方案，采取了泥水平衡盾構(gòu)施工方案，靠泥水在掌子面形成的泥膜抵抗水土壓力，更能適應(yīng)砂卵石高水壓土層。

2 沉井設(shè)計

根據(jù)本工程地質(zhì)條件及頂管深度（埋深約10 m），結(jié)合類似工程的施工經(jīng)驗，工作井采用鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)。

沉井施工工藝流程為：施工準備—地基處理—刃腳支設(shè)—鋼筋、模板安裝—沉井預(yù)制—沉井（排水）下沉—沉井封底—沉井底板。

在沉井施工時，需重點考慮施工降水、沉井下沉系數(shù)確定，垂直度控制以及突發(fā)涌水、涌泥等意外情況等幾個因素。

2.1 施工降水

根據(jù)本工程巖土工程勘察報告，預(yù)處理沉井位于中砂層及卵石層，該土層為不良工程地質(zhì)層，含水量極大、透水性強。通過基坑涌水量計算，合理選擇排水方案和排水設(shè)備型號，確保干地施工，同時可以減少沉井下沉過程中浮托力。

在施工降水過程中，當?shù)貙雍猩皩踊蛴倌鄬訒r，在降水過程中會出現(xiàn)涌泥、涌砂突發(fā)情況，需注意控制排水強度，防止抽水過快而造成邊坡自穩(wěn)時間不足，沉井周邊邊坡坍塌、地面沉降，造成沉井難以下沉或不均勻沉降。這種情況，需采取沉井周邊注漿或打設(shè)鋼板樁，保持沉井周邊邊坡穩(wěn)定。地質(zhì)災(zāi)害的處理費時費力，工期也難以保證。

2.2 刀盤選擇

在進行刀盤選擇時需考慮刀盤開口率和孤石處理兩個因素。結(jié)合砂卵石地層特點和泥漿泵出渣要求，刀盤開口率不宜過大，因此在進行方案設(shè)計時，刀盤開口率控制在20%左右；另一方，考慮到施工中可能遇到大的孤石的情況，為了避免卡機現(xiàn)象，需要選擇帶孤石破碎裝置的刀盤。

2.3 沉井下沉

根據(jù)沉井下沉高度，采取分次制作、一次下沉，制作時應(yīng)保證其穩(wěn)定性，使沉井能在自重下順利下沉，其下沉系數(shù)K不小于1.15，可按下式計算：

式中：G——沉井自重及附加荷重；

H——沉井下沉深度；

L——沉井外部周長；

f——單位面積摩擦力的平均值，一般取1.5 t/m2；

為保證沉井的均衡下沉，挖土?xí)r采用先中間后周邊的鍋形開挖次序，周邊刃腳以下嚴格按均勻?qū)ΨQ開挖的原則。每層挖土厚度為0.4～1.5 m，具體深度根據(jù)現(xiàn)場土質(zhì)情況選定，在開挖過程中，要經(jīng)常注意井壁的垂直度和測量井面的標高，如發(fā)現(xiàn)沉井有較明顯的傾斜時，即采取刃腳低位處停挖或少挖、刃腳高位處多挖的糾編措施，保證沉井均勻平穩(wěn)下沉。刃腳下部土方必須邊挖邊清理。沉井內(nèi)挖出的土方用汽車運至棄土場堆放。

2.4 垂直度的觀測

預(yù)先在沉井內(nèi)壁設(shè)定4個垂球，觀測垂球的錐尖是否分別在相應(yīng)位置的標盤中心。當沉井發(fā)生偏斜時，垂球錐尖就會偏離標盤中心點，垂球的吊線就會偏離沉井內(nèi)壁上的垂線。根據(jù)垂球偏離標盤中心及偏離沉井內(nèi)壁垂線的方位和大小進行糾偏。一般情況下，每下沉一次的前后均要求做一次觀測，并作好記錄。

3 頂管軸力復(fù)核和中繼間設(shè)置

3.1 頂力估算

根據(jù)頂管施工技術(shù)及驗收規(guī)范（GB 50268—2008）及頂管技術(shù)規(guī)程（CECS 246—2008），頂管頂力可按以下經(jīng)驗公式計算：

式中：F——估計總推力；

F1——迎面阻力；

F2——頂進阻力。

式中：D′——管外徑；

H0——覆土厚度；

γ——卵石重度。

式中：f——管外表面綜合摩阻力，卵石取1.5 t/m2；

D——管外徑；

L——頂距。

通過頂力復(fù)核，為合理選擇頂管管材等級提供技術(shù)參數(shù)。

3.2 混凝土頂管允許頂力計算

頂管管材根據(jù)規(guī)范采用Ⅲ級C50鋼筋混泥土管，單根長度一般為2 m?；炷凉茉试S頂力計算公式：

式中：F——管道允許頂力，KN；

б——管體軸心抗壓強度；

K——安全系數(shù)（5～6），取5；

t——壁厚；

d——鋼筋混凝土內(nèi)徑；

L1——密封圈槽底與外壁距離；

L2——墊片與外壁預(yù)留距離（L1和L2可忽略不計）。通過頂管允許頂力復(fù)核，為是否需要設(shè)置中繼間，以及提高頂管管材等級提供技術(shù)參數(shù)。

3.3 中繼間設(shè)置

中繼間頂進是在管道中間加裝一套中繼間管，在中繼間管上環(huán)形布置小型液壓千斤頂，利用管壁作為受力點將長距離管道分段進行頂進，以達到長距離頂進的目的。通過管道的允許頂力復(fù)核，則可計算允許頂進長度，根據(jù)頂管總長度合理確定中繼間數(shù)量，已滿足Ⅲ級鋼筋混泥土管頂進要求。

3.4 工作坑后背受力分析

為確保安全，頂力后背反力R應(yīng)為總推力的1.2～1.6倍。

R=B（rH2Kp/2+2CHKp1/2+rhHKp）

式中：R——總推力受到的反力，kN；

B——后座墻寬度；

r——卵石容重（kN/m3），一般取22.4 kN/m3；

H——后座墻高度；

Kp——被動土壓力系數(shù)為tg2（45°+φ/2）內(nèi)摩擦角φ取依據(jù)地質(zhì)資料合理選用；

C——土的內(nèi)聚力，kPa；

h——地面至后背墻頂部土體高度，m。

頂力后背反力R與最大頂力之比值一般取1.2～1.6倍，確保后靠背受力穩(wěn)定，防止發(fā)生較大位移變形。

4 變形監(jiān)測

4.1 管道以及后靠背的監(jiān)測

施工前對管子接頭的槽口尺寸進行檢查，橡膠圈和襯墊板的外觀和質(zhì)地。確認合格再在接口處均勻涂抹薄層硅油等對橡膠無侵蝕性的潤滑材料以減少摩阻力。承插接管時加力要均勻，應(yīng)保證橡膠圈不移位，不反轉(zhuǎn)，不露出管外。

頂進過程中加強管道中線、高程的測量復(fù)核，及時糾正管道的高程、中線，以降低后方頂力。同時通過加強后靠背位移監(jiān)測，以驗證后靠背設(shè)計的合理性，及時采取后靠背加固措施。

4.2 周邊構(gòu)筑物的監(jiān)測

管道頂進前，沿管道走向，在管線周邊的建（構(gòu)）筑物上設(shè)置沉降觀測點，測出初始數(shù)據(jù)；在管道頂進過程中每天早、中、晚定時對各沉降觀測點進行測量；發(fā)現(xiàn)沉降超過預(yù)警值，應(yīng)立即停止頂進，并及時采取措施進行處理，以免造成安全及質(zhì)量事故。

4.3 管周處理

管道頂進結(jié)束后，可由管道上的注漿孔向外注入水泥漿，由水泥漿將管道外周的空隙填實。注漿壓力控制在2 MPa；通過注漿壓力及漿液流量控制注漿量。直至注漿壓力增大，流量減少時為止。通過采取注漿措施，防止地面沉降，確保周邊地面設(shè)施安全。

5 施工安全

頂管施工存在起重吊裝作業(yè)、高空臨邊作業(yè)、交叉作業(yè)、施工用電以及突出涌泥涌水等地質(zhì)風險，安全風險高，存在較大安全隱患。施工過程要重點做好以下兩項工作：

一是認真落實安全生產(chǎn)責任制。施工現(xiàn)場必須配置專職安全管理人員進行巡視檢查，加強對起重工、電工等特種作業(yè)人員和起重吊車、壓力表等特種設(shè)備管理。施工現(xiàn)場需設(shè)置安全警示標識，配足圍擋、臨邊防護網(wǎng)等安全防護措施以及施工作業(yè)人員勞動保護用品的發(fā)放。二是加強安全風險和應(yīng)急預(yù)案管理。施工前需認真進行安全風險點識別，對存在較大安全隱患的施工作業(yè)需制定有針對性的應(yīng)急預(yù)案并組織演練，加強對施工作業(yè)人員的安全交底，杜絕三違現(xiàn)象。