鄧 超,吳成睿,謝 鵬，錢(qián)孔鳴，施 維

(1.常州市排水管理處，江蘇 常州 213200； 2.上海城建市政工程(集團(tuán))有限公司，上海 200000)

1 概述

隨著我國(guó)城市化進(jìn)展的不斷加快，地下基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)作為城市發(fā)展的必要配套，也在快速發(fā)展。在地下管線密布、地上建筑林立的城市中，完成大口徑污水管線新建工程，顯然明挖施工將受到約束，而以頂管施工技術(shù)為主的暗挖技術(shù)，特別是曲線避障頂管技術(shù)，將為城市內(nèi)部管道系統(tǒng)新建完善提供較為理想的施工方式。頂管施工技術(shù)具有效率高、成本較低、工期短、對(duì)周邊環(huán)境影響小等優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已成為城市地下管線建設(shè)的重要施工技術(shù)[1-2]。

2 工程概況

龍江路為常州市區(qū)主干道，南連市區(qū)高架，北接滬寧高速，交通流量較大。王家塘出水壓力管工程位于龍江北路西側(cè)，始于距滬蓉高速公路南150 m的W1井，終至云河路北400 m的W5井，總長(zhǎng)約1 890 m。由于工程沿線需穿越市區(qū)干道、高速公路、高速鐵路、河道、輸油輸氣管道等，按照設(shè)計(jì)要求，本段管道施工采用泥水平衡頂管施工，管道形式為F型鋼承口DN2 000鋼筋混凝土管。管道全線共設(shè)5個(gè)沉井，均采用鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)，其中1，3，5為工作井，2，4為接收井。沿線地質(zhì)情況為粉細(xì)砂、粉土和粉砂層，含有少量漿結(jié)石，地下水位較高。

工程穿越障礙物統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 工程穿越障礙物統(tǒng)計(jì)

3 頂進(jìn)分析

3.1 頂力預(yù)計(jì)算

頂管施工過(guò)程中的頂力主要是指在頂管頂進(jìn)過(guò)程中推動(dòng)管道及相關(guān)機(jī)械設(shè)備前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的頂進(jìn)力，主要通過(guò)克服頂進(jìn)過(guò)程中的各種阻力及外界擾動(dòng)影響。圖1為頂力計(jì)算示意圖，根據(jù)軸力平衡，為了簡(jiǎn)單計(jì)算分析，一般可將頂進(jìn)力簡(jiǎn)化為由迎面阻力PF與管道摩阻力F兩部分組成[3]，即：

P=PF+F。

參照CECS 246—2008給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程總頂力可按下式估算：

F0=π·D1·L·fk+NF。

其中，F(xiàn)0為總頂力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；D1為污水管道的外徑，m；L為污水管道的設(shè)計(jì)頂段長(zhǎng)度，m；fk為污水管道的外壁與周?chē)馏w的平均摩阻，kN/m2；NF為頂管機(jī)迎面阻力。

W1～W2區(qū)間頂距438 m，穿越地層主要為⑤-2粉細(xì)砂；W3～W2區(qū)間頂距502.8 m，穿越地層主要為⑤-1粉砂；W3～W4區(qū)間頂距475.6 m，穿越地層主要為④-1,⑤-1粉砂；W5～W4區(qū)間頂距473.7 m，穿越地層主要為④-1,⑤-1粉砂。其物理力學(xué)參數(shù)如表2所示，各頂進(jìn)區(qū)間頂力估算結(jié)果圖如表3所示。

表2 土層物理力學(xué)參數(shù)

表3 工程頂管頂力估算

3.2 現(xiàn)場(chǎng)頂力數(shù)據(jù)分析

選取W1～W2頂段作為研究對(duì)象，通過(guò)千斤頂直徑、數(shù)量和壓力表讀數(shù)等施工參數(shù)計(jì)算求得實(shí)際頂進(jìn)力值，并與理論計(jì)算預(yù)估值進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示。通過(guò)將頂進(jìn)力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比發(fā)現(xiàn)，頂進(jìn)力預(yù)估值遠(yuǎn)大于實(shí)測(cè)值，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的最大值分別為4 044.9 kN與7 171.3 kN，實(shí)測(cè)值為預(yù)估值的50%，說(shuō)明本次施工采用的減阻泥漿充分填充了管壁與土體間的空隙，有效降低了頂進(jìn)過(guò)程中的摩阻力。

4 軌跡偏差

4.1 軌跡偏差分析

頂管施工過(guò)程中，由于受機(jī)頭不斷運(yùn)動(dòng)、糾偏等影響，管道軌跡是一條不規(guī)則的曲線，管道也會(huì)因此而發(fā)生曲線扭轉(zhuǎn)，被Haslemt稱(chēng)之為“蠕動(dòng)”(wriggle)。但是如果頂進(jìn)過(guò)程中不能夠控制管道曲線扭轉(zhuǎn)幅度，導(dǎo)致過(guò)大的軌跡偏差將會(huì)引起機(jī)頭接收困難，更會(huì)因?yàn)楣艿琅まD(zhuǎn)而造成頂進(jìn)困難，并在過(guò)大頂力的施加下破壞管道，此外在覆土較淺或地質(zhì)條件不佳的地區(qū)，也容易引起地面變形等次生事故。

為此，在本工程施工過(guò)程中，為了能夠合理控制管道運(yùn)動(dòng)及頂力控制，項(xiàng)目采用連續(xù)測(cè)量與間斷測(cè)量相結(jié)合的方式，保證管道姿態(tài)可控，頂力不發(fā)生較大幅度變化。連續(xù)測(cè)量即在工作坑后方安放一臺(tái)全站儀，全站儀按照設(shè)計(jì)頂進(jìn)軸線方向發(fā)出一束激光，照射到頂管頂進(jìn)機(jī)頭的光靶上，操作員按照激光指示路線操控機(jī)械頂進(jìn)。間斷測(cè)量則是每頂進(jìn)一節(jié)管后，測(cè)量人員通過(guò)對(duì)激光經(jīng)緯儀進(jìn)行校核，并且采用水準(zhǔn)儀和水平尺分別測(cè)量已頂進(jìn)管道高程、水平偏差情況。通過(guò)雙層測(cè)量嚴(yán)格把關(guān)，全面限制管道運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，以滿足設(shè)計(jì)等要求。

為了更加直觀體現(xiàn)管道在頂進(jìn)過(guò)程中姿態(tài)變化及控制水平，在對(duì)本次W1～W2頂段施工現(xiàn)場(chǎng)偏差數(shù)據(jù)收集處理后，繪制了圖3，圖4，分別顯示了頂管施工軌跡水平與高程偏差隨頂進(jìn)距離的變化情況。

通過(guò)圖3可以發(fā)現(xiàn)，頂進(jìn)距離約200 m前，機(jī)頭的水平偏差較為平均，多數(shù)保持在-10 mm～+10 mm之內(nèi)。當(dāng)頂進(jìn)距離大于200 m后，水平偏差出現(xiàn)較大波動(dòng)最大值達(dá)到+65 mm，最小值達(dá)到-40 mm，是因?yàn)?00 m后頂管為避讓京滬高鐵橋樁等障礙物采用曲線頂進(jìn)，過(guò)程中對(duì)頂管姿態(tài)不斷修改，使得水平偏差較大。此段施工過(guò)程中已考慮曲線頂進(jìn)精度問(wèn)題，特別安排兩班測(cè)量隊(duì)伍，對(duì)頂管軸線、路面標(biāo)高等重要參數(shù)進(jìn)行測(cè)量并復(fù)核，確保本段頂進(jìn)水平偏差值仍處于設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。

頂進(jìn)豎直軌跡的偏差在圖4中則較為規(guī)律，在頂進(jìn)距離20 m之前機(jī)頭豎向偏差較大，這是由于本段出洞處出現(xiàn)大量砂漿石，高程控制效果不佳，出現(xiàn)輕微波動(dòng)。后續(xù)頂進(jìn)中土層結(jié)構(gòu)明顯好轉(zhuǎn)，考慮到機(jī)頭自重等因素影響，防止機(jī)頭下稱(chēng)，始終將機(jī)頭高程控制在+20 mm以內(nèi)，實(shí)際效果顯著，為后續(xù)機(jī)頭進(jìn)洞打下良好基礎(chǔ)。

4.2 糾偏措施

本次施工過(guò)程中除設(shè)置施工方監(jiān)測(cè)隊(duì)伍外，還另外安排第三方監(jiān)測(cè)隊(duì)伍，對(duì)兩班監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)復(fù)核校對(duì)，確保管道姿態(tài)、位置滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際施工過(guò)程中兩班監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，符合設(shè)計(jì)要求，為頂管精確頂進(jìn)提供了有力支撐。

5 工程難點(diǎn)

5.1 雙曲線頂管

本次工程穿越京滬高鐵、滬寧高速、西氣東輸輸氣管、中石化石油管線等重大基礎(chǔ)設(shè)施。為此在設(shè)計(jì)階段就認(rèn)真研究沿線障礙物的相對(duì)位置，并采用雙曲線頂管，有效避讓各類(lèi)障礙物。在施工過(guò)程中，除施工方監(jiān)測(cè)外，另配第三方監(jiān)測(cè)單位，嚴(yán)格控制頂進(jìn)中各類(lèi)沉降。同時(shí)采用注漿加固，對(duì)沉降可能出現(xiàn)的部位提前控制。

5.2 漿結(jié)石

本次工程施工過(guò)程中在頂管頂進(jìn)與沉井下沉過(guò)程中均遭遇地下土層大塊漿結(jié)石(見(jiàn)圖5)。

頂管頂進(jìn)中特別是W1～W2頂端，由于地下漿結(jié)石的影響造成頂管機(jī)頭出泥管堵塞，影響頂進(jìn)。但由于前期地勘報(bào)告的顯示，工程建設(shè)前期就選擇了開(kāi)口率可調(diào)的頂進(jìn)機(jī)頭，在調(diào)小機(jī)頭開(kāi)口率后，將土層中大塊漿結(jié)石磨碎，順利解決漿結(jié)石影響。

在沉井下沉過(guò)程中，特別是放空井下沉深度達(dá)16 m，下沉過(guò)程中出現(xiàn)沉井不下沉，而周邊土體不斷塌方的現(xiàn)象。經(jīng)分析及水下作業(yè)發(fā)現(xiàn)，沉井刃腳砂漿石卡阻，沉井周邊降水井也出現(xiàn)堵塞，同時(shí)沉井外圍土質(zhì)為流沙。盡管沉井內(nèi)不斷出土，但由于降水效果不佳，地下水和流沙的不斷涌入，且沉井刃腳處阻塞，造成了沉井下沉困難。為此施工中更換大方量抓泥機(jī)械、降水井更換大功率水泵、水下清理刃腳堵塞漿結(jié)石等措施，最終完成沉井下沉。

同時(shí)在全線頂進(jìn)過(guò)程中，由于出泥管中漿結(jié)石含量較大，造成出泥管水泵葉輪多次磨損，而停止頂進(jìn)，工程現(xiàn)場(chǎng)多次更換水泵葉輪，對(duì)此施工中預(yù)料不足。后期施工中每班頂進(jìn)人員中安排專(zhuān)人巡查出泥管出泥情況，做到及時(shí)預(yù)判水泵磨損情況，備足相關(guān)配件，確保因水泵更換影響頂進(jìn)施工時(shí)間不超過(guò)20 min，見(jiàn)圖6。

6 結(jié)語(yǔ)

1)以王家塘泵站出水壓力管工程施工為案例，根據(jù)工程特性和設(shè)計(jì)參數(shù)，合理優(yōu)化頂管設(shè)備，對(duì)頂進(jìn)力進(jìn)行了簡(jiǎn)單估算，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)由于注漿會(huì)使得實(shí)際頂力低于計(jì)算值，減阻泥漿能夠極大地減小管壁摩阻力，有注漿減阻措施潤(rùn)滑時(shí)的摩阻力約為估算摩阻力的50%。

2)結(jié)合頂進(jìn)過(guò)程軸線偏差圖，對(duì)糾偏情況及偏差原因進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)水平偏差較為平均，但曲線頂段，由于頂進(jìn)方向的改變，會(huì)對(duì)水平偏移產(chǎn)生顯著影響，需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。高程偏差在管道出洞階段受漿結(jié)石影響波動(dòng)較大，后續(xù)變化基本穩(wěn)定。

3)地下土層中未知因素較多，在前期做好地勘的基礎(chǔ)上，工程建設(shè)中應(yīng)充分考慮漿結(jié)石的影響因素，采用可變開(kāi)口率頂進(jìn)機(jī)頭，沉井下沉針對(duì)刃腳及時(shí)的沖挖，以及出泥管水泵及時(shí)維修等多種措施確保了本次工程的順利實(shí)施。