楊仲洪，田巧玲

(中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司，鄭州 450000)

0 引 言

頂管技術(shù)是一項(xiàng)用于市政施工的非開(kāi)挖掘進(jìn)式管道鋪設(shè)施工技術(shù)，因其施工特點(diǎn)，能夠減小對(duì)周?chē)h(huán)境的影響，不僅能夠深入到地下作業(yè)，還能保證施工過(guò)程有著較低的噪音，不影響正常的生活作息[1]。作為技術(shù)工種，頂管作業(yè)施工具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠針對(duì)不同的施工環(huán)境，對(duì)應(yīng)不同的地質(zhì)環(huán)境設(shè)定不同的設(shè)計(jì)要求。在實(shí)際工作過(guò)程中，能夠根據(jù)實(shí)際的技術(shù)要點(diǎn)，不斷糾正管道穿越地層時(shí)產(chǎn)生的植入偏差，保證管道工程的平衡[2]。超大直徑且近距離的雙線頂管有著特殊的施工要求，實(shí)際所需的中繼間推力較大，所需的施工技術(shù)水平較高。富水粉砂地層有著較強(qiáng)的流動(dòng)性[3]，在控制頂管穿越時(shí)，需要較高的技術(shù)參數(shù)。為此，本文設(shè)計(jì)研究超大直徑近距離雙線頂管穿越富水粉砂地層施工技術(shù)。

國(guó)外自上個(gè)世紀(jì)60年代開(kāi)始研究頂管施工技術(shù)，結(jié)合實(shí)際測(cè)量得到的技術(shù)數(shù)值，建立了多種數(shù)值分析模型，并根據(jù)分析結(jié)果，設(shè)定了多種施工技術(shù)[4]。國(guó)內(nèi)針對(duì)不同地區(qū)的粉砂地層，開(kāi)展了大量的測(cè)量工作，并結(jié)合當(dāng)代科學(xué)技術(shù)手段，構(gòu)建了多項(xiàng)施工技術(shù)。從文獻(xiàn)[5]中的施工技術(shù)來(lái)看，設(shè)定了固定的掘進(jìn)參數(shù)，固定了不同的沉降級(jí)參數(shù)[5]。從文獻(xiàn)[6]中的施工技術(shù)來(lái)看，運(yùn)用深層噴張加固方式，構(gòu)建了土壓平衡裝置，有效控制了頂管穿越地層時(shí)產(chǎn)生的沉積[6]。但兩種文獻(xiàn)中的施工技術(shù)，在近距離處理雙線頂管時(shí)，容易產(chǎn)生管線植入偏差[7]，并不能有效地控制地層產(chǎn)生的坍塌面積。因此，設(shè)計(jì)一種超大直徑近距離雙線頂管穿越富水粉砂地層施工技術(shù)是很有必要的。

1 超大直徑近距離雙線頂管穿越富水粉砂地層施工技術(shù)

1.1 確定近距離雙線頂管縱向間隙參數(shù)

超大直徑雙線頂管有著特殊的規(guī)格參數(shù)，在實(shí)際施工時(shí)，有著精度很高的間隙數(shù)值要求[8]。所以在確定近距離雙線頂管縱向間隙參數(shù)時(shí)，采用GAP計(jì)算方法分析雙線頂管在土層內(nèi)引起的塑性變形。變形參數(shù)計(jì)算表示為：

(1)

其中：u為富水粉砂地層內(nèi)的彈性參數(shù)；G1為地層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的頂部位移；G0為雙線頂管間的間隙參數(shù)；G2為雙向頂管豎直方向產(chǎn)生的位移分量。

對(duì)應(yīng)上述變形參數(shù)內(nèi)的分量，計(jì)算得到超大直徑雙線頂管在地層內(nèi)形成的等效直徑[9]。數(shù)值關(guān)系可表示為：

(2)

其中：R為地層內(nèi)形成的等效直徑；D為雙線頂管內(nèi)的直徑；k為雙線頂管的的壓力參數(shù)；Pa、Pb分別為頂管的切口壓力和原始?jí)毫Α?/p>

當(dāng)雙線頂管進(jìn)入到對(duì)應(yīng)的地層內(nèi)部時(shí)，土層會(huì)對(duì)頂管產(chǎn)生一個(gè)反向的作用力[10]，雙線頂管產(chǎn)生一個(gè)豎直向下的位移。該位移可表示為：

(3)

其中：N為單位時(shí)間內(nèi)雙線頂管產(chǎn)生的深埋參數(shù)；其余參數(shù)含義不變。

對(duì)應(yīng)計(jì)算得到的位移參數(shù)，在外部土層的作用下，頂管在縱向產(chǎn)生的間隙可表示為：

(4)

其中：sinα為雙線頂管間與豎直方向產(chǎn)生的夾角；其余參數(shù)含義不變。

在計(jì)算得到的間隙參數(shù)數(shù)值控制下，建立雙線頂管穿越地層數(shù)值模型。

1.2 建立雙線頂管穿越地層數(shù)值模型

在計(jì)算得到的間隙參數(shù)控制下，為控制地層結(jié)構(gòu)的貫入度，構(gòu)建一個(gè)穿越地層的數(shù)值模型，模擬雙線頂管的各項(xiàng)參數(shù)[11]，在對(duì)應(yīng)的頂管內(nèi)模擬劃分多個(gè)邊界，邊界結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 劃分的雙線頂管邊界

在圖1劃分的頂管邊界內(nèi)，計(jì)算穿越地層時(shí)所需切樁與頂管間的夾角，可表示為：

(5)

其中：θ為切樁與頂管之間的夾角；r為使用切樁直徑參數(shù)；其余參數(shù)含義不變。

在頂管穿越地層過(guò)程中，使用夾角參數(shù)建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型，可表示為：

(6)

其中：J為頂管穿越過(guò)程函數(shù)；Fj為切樁與雙線頂管間的作用力；Ka為頂管產(chǎn)生的外力矩。

受到富水粉砂地層結(jié)構(gòu)的影響，將上述切樁簡(jiǎn)化為板結(jié)構(gòu)。在控制頂管穿越地層的角度時(shí)[12]，加厚簡(jiǎn)化的板結(jié)構(gòu)，數(shù)值關(guān)系可表示為：

(7)

其中：β為計(jì)算系數(shù)；P為富水粉砂地層產(chǎn)生的壓力；D1為切樁在土體內(nèi)的作用半徑。

強(qiáng)化切樁在頂管穿越時(shí)的強(qiáng)度后，根據(jù)各項(xiàng)計(jì)算參數(shù)，構(gòu)建富水粉砂地層施工方案。

1.3 構(gòu)建富水粉砂地層施工方案

在上述處理過(guò)程下，使用構(gòu)建得到的數(shù)學(xué)模型，變換不同富水粉砂地層的結(jié)構(gòu)[13]，預(yù)測(cè)穿越過(guò)程會(huì)產(chǎn)生的沉降地表參數(shù)，可表示為：

(8)

其中：Sx為計(jì)算得到的沉降參數(shù)；V為雙線頂管的體積；其余參數(shù)含義不變。

在上述數(shù)值控制下，變換橫向觀測(cè)面，繪制頂管在地層內(nèi)的沉降過(guò)程，見(jiàn)圖2。

圖2 橫向頂管沉降過(guò)程

在圖2所示的沉降過(guò)程中，考慮富水粉砂地層反彎點(diǎn)處的塑性參數(shù)，計(jì)算實(shí)際地表產(chǎn)生的寬度系數(shù)，可表示為：

(9)

其中：i為地層內(nèi)的反彎點(diǎn)；z為地層的塑性參數(shù)；其余參數(shù)含義不變。

富水粉砂地層有著各項(xiàng)同性[14]，在構(gòu)建施工方案時(shí)，應(yīng)結(jié)合頂管的空間結(jié)構(gòu)，計(jì)算頂管各向的沉降數(shù)值，可表示為：

(10)

其中：Vs為頂管產(chǎn)生沉降的體積；y為產(chǎn)生沉降位置與頂管中心線之間的距離。

在上述沉降參數(shù)控制下，施工技術(shù)采用交叉隔壁法與三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法相結(jié)合的方式。在穿越初期，將超大直徑的雙線頂管外部銜接多個(gè)切樁，并將切樁形成一個(gè)閉合環(huán)結(jié)構(gòu)，并預(yù)留直徑數(shù)值的三分之一寬度，采用交叉隔壁法將整個(gè)雙線頂管劃分為多個(gè)植入結(jié)構(gòu)[15]。在推力作用下，當(dāng)雙線頂管進(jìn)入到地層的下層結(jié)構(gòu)中時(shí)，自上而下地拆除頂管上已有的切樁。至此，完成一次雙線頂管的穿越處理過(guò)程。綜合上述處理過(guò)程，最終完成對(duì)超大直徑近距離雙線頂管穿越富水粉砂地層施工技術(shù)的研究。

2 技術(shù)測(cè)試

2.1 測(cè)試準(zhǔn)備

測(cè)試準(zhǔn)備地層施工技術(shù)所需的旋噴樁，設(shè)定旋噴樁的主要施工參數(shù)，見(jiàn)表1。

在表1所示的施工參數(shù)控制下，設(shè)定穿越區(qū)間土地砂地層力學(xué)參數(shù)，設(shè)定的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

在表2穿越區(qū)間土體力學(xué)參數(shù)的控制下，設(shè)定富水粉砂在地層中的埋深比為0.5，控制水頭高度為60 cm，控制土巖比為0.5，參照表1的參數(shù)，設(shè)置材料配比，并分層攤鋪材料至施工設(shè)計(jì)參數(shù)，按照施工的時(shí)間工序，開(kāi)展技術(shù)測(cè)試，準(zhǔn)備兩種傳統(tǒng)施工技術(shù)與設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)施工技術(shù)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比3種施工技術(shù)的性能。

表1 主要施工參數(shù)

表2 穿越區(qū)間土體力學(xué)參數(shù)

2.2 結(jié)果及分析

基于上述實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，控制3種地層施工的工況深埋比為0.5，在內(nèi)壓力的增加階段，在準(zhǔn)備的實(shí)驗(yàn)地層內(nèi)設(shè)定15個(gè)測(cè)點(diǎn)后，控制施工距離為100 m，計(jì)算各項(xiàng)測(cè)點(diǎn)的平均數(shù)值，并將該數(shù)值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。最終3種施工技術(shù)的土壓力數(shù)值結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 3種施工技術(shù)壓力結(jié)果

由圖3所示的壓力結(jié)果可知，在相同長(zhǎng)度的施工距離下，傳統(tǒng)施工技術(shù)1對(duì)地層產(chǎn)生的壓力數(shù)值較大，在100 m的施工范圍內(nèi)，產(chǎn)生的土壓力數(shù)值為4 kPa，實(shí)際的土壓力數(shù)值過(guò)大；傳統(tǒng)施工技術(shù)2在上述相同的施工距離范圍內(nèi)，對(duì)地層產(chǎn)生的土壓力數(shù)值在0.8 kPa左右，對(duì)土層產(chǎn)生的壓力數(shù)值過(guò)小，不能支持雙線頂管穿越地層，實(shí)際的施工效果較差。而文中設(shè)計(jì)的施工技術(shù)在相同施工距離內(nèi)，對(duì)地層產(chǎn)生的壓力在2.5 kPa左右。與兩種傳統(tǒng)地層施工技術(shù)相比，所設(shè)計(jì)的地層施工技術(shù)不僅能夠給予雙線管穿越地層的力，還能避免對(duì)地層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。

在上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，規(guī)定3種施工技術(shù)下放置相同深度的雙線頂管，固定雙線頂管深入距離為5 m，在深入1 m后，將該點(diǎn)作為地層沉降點(diǎn)，施工沉降統(tǒng)計(jì)點(diǎn)共計(jì)5處，以實(shí)際測(cè)量的地層沉降點(diǎn)作為標(biāo)準(zhǔn)值，調(diào)用3種施工方法計(jì)算地層沉積量的過(guò)程，計(jì)算實(shí)際的沉積量。最終3種施工技術(shù)得到的地層沉積量結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 3種施工技術(shù)沉降量結(jié)果

在上述沉降量結(jié)果下，在3種施工方法內(nèi)設(shè)定相同距離的測(cè)點(diǎn)，以實(shí)際測(cè)量得到的沉降量數(shù)值作為標(biāo)準(zhǔn)，由圖4數(shù)值結(jié)果可知，測(cè)量得到的標(biāo)準(zhǔn)沉降量數(shù)值在5 mm左右。傳統(tǒng)施工技術(shù)1得到的沉降量結(jié)果最大，數(shù)值在25 mm左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離了測(cè)量得到的標(biāo)準(zhǔn)沉降數(shù)值。傳統(tǒng)施工技術(shù)2得到的沉降量數(shù)值在15 mm左右，偏離標(biāo)準(zhǔn)沉降數(shù)值較多。而設(shè)計(jì)的施工技術(shù)得到的沉降量數(shù)值也在5 mm左右，與測(cè)量得到的沉降量數(shù)值相同，所設(shè)計(jì)的施工技術(shù)實(shí)際沉降量數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)相差不大，施工效果最佳。

保持上述實(shí)驗(yàn)不變，在使用雙線頂管穿越至地層當(dāng)中時(shí)，固定頂管的下放數(shù)值為5 m，將富水粉砂層看作為一個(gè)分布均勻的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，在雙線頂管植入地層內(nèi)部后，以對(duì)應(yīng)施工面積產(chǎn)生的拱部坍塌面積作為對(duì)比指標(biāo)，在相同實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，對(duì)比3種施工技術(shù)的性能，形成的拱部坍塌面積見(jiàn)圖5。

圖5 3種施工技術(shù)的坍塌面積結(jié)果

在3種施工技術(shù)控制下，劃定相同區(qū)域的施工地層面積，并選定相同規(guī)格的雙線頂管，使用實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)作為輸入數(shù)值，模擬地層植入頂管過(guò)程。由圖5中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，施工所用的雙線頂管直徑規(guī)格為2.5個(gè)單位網(wǎng)格面積，以該數(shù)值作為對(duì)比對(duì)象，傳統(tǒng)施工技術(shù)1形成4個(gè)單位網(wǎng)格直徑大小的坍塌面積，形成的坍塌面積最大。傳統(tǒng)施工技術(shù)2形成約3.5個(gè)單位網(wǎng)格直徑大小的坍塌面積，實(shí)際形成的坍塌面積較小。而所設(shè)計(jì)的施工技術(shù)得到3個(gè)單位網(wǎng)格直徑大小的坍塌面積，與兩種傳統(tǒng)施工技術(shù)相比，所設(shè)計(jì)得到的施工技術(shù)形成的地層坍塌面積最小。

3 結(jié) 語(yǔ)

超大直徑近距離頂管的施工有著較高的技術(shù)水平要求，在富水粉砂地層中施工更是當(dāng)下的研究重點(diǎn)，為此本文構(gòu)建了一種施工技術(shù)。經(jīng)技術(shù)測(cè)試結(jié)果可知，所設(shè)計(jì)的施工技術(shù)，能夠改善傳統(tǒng)技術(shù)存在的不足。