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大口徑離心澆筑玻璃鋼夾砂管在復(fù)雜環(huán)境條件下的頂管施工技術(shù)

2022-03-23 23:20金順清
建筑施工 2022年8期
關(guān)鍵詞:頂管機(jī)頂管管線

金順清

上海南匯建工建設(shè)(集團(tuán))有限公司 上海 201206

1 工程概況

因城市發(fā)展速度加快,上海滬南公路現(xiàn)狀污水總管規(guī)模已無法滿足污水量日益增長的排放需求,為保障區(qū)域污水出路、保證區(qū)域發(fā)展建設(shè)需要,實(shí)施對(duì)滬南公路污水總管的改擴(kuò)建工程。項(xiàng)目西起閘航公路,東抵灶東泵站,全長約27 km,整體沿滬南公路、同發(fā)路、拱極東路敷設(shè)。

滬南公路污水總管改擴(kuò)建4標(biāo)是沿滬南公路最東的標(biāo)段。項(xiàng)目穿越惠南鎮(zhèn)東城區(qū)和老港鎮(zhèn),向東鄰近兩港大道,最后接入灶東泵站至海濱污水處理廠,是整個(gè)項(xiàng)目的末端實(shí)施標(biāo)段。全線管道基本沿現(xiàn)狀滬南公路重疊實(shí)施(除部分跨河段外側(cè)繞行),線路先后穿越G1503高速公路、軌交16號(hào)線、9條河道,與沿線18條道路相交。

設(shè)計(jì)污水總管管徑為D N 8 0 0 ~D N 2 4 0 0,全長12 989 m,其中DN2 400管為9 518 m。本項(xiàng)目除長度為2 359 m的DN1 400管采用開槽埋管外,其余均采用非開挖頂管施工,頂管管材采用離心澆筑玻璃鋼夾砂管。全線共設(shè)28個(gè)工作井,22個(gè)接收井,開挖深度均超過8 m,最大深度達(dá)到16.7 m;其主線頂管管道埋深10.17~13.38 m,支線頂管埋深為4.50~10.50 m。

2 工程周邊環(huán)境和地質(zhì)條件

頂管管道穿越G1503高速公路、軌交16號(hào)線和9條河道。由于該區(qū)段為最東段,已鄰近大海,為濱海平原地貌類型,屬Ⅳ類建筑場(chǎng)地,軟弱土類型。其中③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③夾層灰色黏質(zhì)粉土、④層灰色淤泥質(zhì)黏土土層均較厚,分布不均,在⑦層局部存有承壓含水層。

施工沿線經(jīng)過惠南鎮(zhèn)東城區(qū)、老港鎮(zhèn)區(qū)、老港工業(yè)園區(qū)及多個(gè)村落,施工期間要保證滬南公路及周邊居民的通行安全。

3 工程特點(diǎn)、難點(diǎn)

3.1 頂管管徑大、線路長、埋深深、頂進(jìn)長

本項(xiàng)目頂管施工長度10 630 m,其中DN2 400頂管施工長度9 518 m,占總量的89.5%,最長頂管頂進(jìn)長度為550 m,最大管道深度為13.38 m。

3.2 離心澆筑玻璃鋼夾砂管的應(yīng)用

大口徑離心澆筑玻璃鋼夾砂管作為新型節(jié)能環(huán)保型材料首次在本地區(qū)應(yīng)用于DN2 400大口徑頂管中。管材在復(fù)雜地質(zhì)條件和大頂力作用下的性能需得到進(jìn)一步驗(yàn)證,施工中需加強(qiáng)對(duì)管材材料性能的檢驗(yàn)、觀測(cè)和記錄。

3.3 穿越高速公路、地鐵線和多條河道

本項(xiàng)目主線基本位于滬南公路下方,全線還穿越G1503高速公路、軌交16號(hào)線和9條河道。頂管施工對(duì)道路、橋梁的變形影響必須降到最低,必須保證滬南公路、G1503高速公路、軌交16號(hào)線通行安全。

3.4 地下管線和障礙物錯(cuò)綜復(fù)雜

滬南公路為上海市歷史久遠(yuǎn)的公路,已經(jīng)過多次修建。地下各類管線多,主要有軍事通信、航油管、信息通信、電力、燃?xì)?、雨污水等管線,且還存在情況不明的廢棄管道和地下結(jié)構(gòu)層。前期需要經(jīng)過詳細(xì)的調(diào)查、現(xiàn)場(chǎng)勘探和增做物探精探,明確地下管線和障礙物的平面位置、深度、規(guī)格、尺寸等詳盡數(shù)據(jù),確保頂管管位準(zhǔn)確避讓、順利推進(jìn),有針對(duì)性地制定可行的對(duì)周邊建(構(gòu))筑物、地下管線的保護(hù)措施。

3.5 管道穿越層地質(zhì)條件差

頂管管道主要穿越土層為②3層灰色黏質(zhì)粉土、③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③夾層灰色黏質(zhì)粉土、④層灰色淤泥質(zhì)黏土。②3層和③夾土層在動(dòng)水壓力作用下更易造成頂進(jìn)工作面產(chǎn)生流砂現(xiàn)象;③層和④層具有含水量高、強(qiáng)度低、靈敏度高、高觸變性及流變性等特點(diǎn),頂管頂進(jìn)阻力小,應(yīng)重視下沉及偏向問題,土體受擾動(dòng),強(qiáng)度會(huì)突變。

4 施工方法和技術(shù)措施

4.1 選用泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)施工工藝

由于本項(xiàng)目屬于濱海平原地貌類型,屬Ⅳ類建筑場(chǎng)地,軟弱土類;大口徑頂管作業(yè)量大;頂管作業(yè)必須有效控制地面沉降。故綜合比較選用泥水平衡頂管機(jī)。該機(jī)型適用于黏性土、粉性土、滲透系數(shù)不大于1×10-3cm/s的砂性土,輔以機(jī)械平衡措施,可用于在淤泥及淤泥質(zhì)土中。其主要優(yōu)點(diǎn)為:適用范圍廣,最適合于滲透系數(shù)小于1×10-3cm/s的砂性土;挖掘面穩(wěn)定,有利于控制地面沉降;棄土采用管道排放,施工速度快,可以連續(xù)出土。

4.2 施工技術(shù)參數(shù)選用和優(yōu)化

由于頂管在不同性質(zhì)土層、頂進(jìn)距離、穿越G1503高速和需要保護(hù)建(構(gòu))筑物時(shí)的技術(shù)參數(shù)會(huì)產(chǎn)生變化,通過信息化手段監(jiān)測(cè)頂管頂進(jìn)狀態(tài)和周邊地形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不斷優(yōu)化調(diào)整施工參數(shù),確保頂管作業(yè)順利安全的推進(jìn)。因此,在每一個(gè)頂進(jìn)段、不同地質(zhì)變化條件段、不同地形地貌段,在頂進(jìn)初始階段必須嚴(yán)格對(duì)各類技術(shù)參數(shù)的變化和變形情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析,及時(shí)修正優(yōu)化各類技術(shù)參數(shù)。主要涉及參數(shù)為水土壓力、頂進(jìn)速度、出土量、觸變泥漿指標(biāo)、頂力等[1-6]。

4.3 確保頂管頂進(jìn)姿態(tài),嚴(yán)控管道測(cè)量精度

本工程頂管直徑大,頂管機(jī)質(zhì)量較大,頂管機(jī)在剛出洞時(shí),基本不受浮力作用,出洞時(shí)如操作不當(dāng),易造成磕頭現(xiàn)象。

1)導(dǎo)軌鋪設(shè)時(shí)在穿墻洞口內(nèi)通過預(yù)埋件安裝導(dǎo)軌延伸段,防止頂管機(jī)進(jìn)入洞口后由于力矩的不平衡,發(fā)生向下突然磕頭。

2)頂管機(jī)就位后,糾偏油缸等記錄歸零位,將機(jī)頭墊高3 mm,保持出洞時(shí)頂管機(jī)有向上的趨勢(shì)。

3)出洞加固土體要求均勻,不留死角。頂管機(jī)出洞前進(jìn)行驗(yàn)收,加固強(qiáng)度達(dá)到要求后,才能進(jìn)行出洞。

4)調(diào)整后座主推千斤頂?shù)暮狭χ行?,頂力合力中心低于管中心(為管半?/5~1/4)。

5)出洞時(shí)觀察頂管機(jī)的狀態(tài),一旦發(fā)現(xiàn)下磕趨勢(shì),立即用后座千斤頂進(jìn)行糾偏。

由于土層變化、管道內(nèi)布置質(zhì)量不均、頂管距離長等因素,易造成管道發(fā)生不同程度的扭轉(zhuǎn)。

1)在頂管機(jī)內(nèi)設(shè)置扭轉(zhuǎn)指示燈,便于發(fā)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)情況后及時(shí)采取對(duì)應(yīng)措施。

2)管道內(nèi)布置設(shè)備、管材時(shí),盡量均衡兩側(cè)質(zhì)量。若無法滿足,通過單側(cè)加壓達(dá)道兩側(cè)質(zhì)量均勻。

3)通過控制掘進(jìn)機(jī)刀盤轉(zhuǎn)向(順時(shí)針和逆時(shí)針方向),對(duì)在掘進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行糾扭。

4)當(dāng)仍無法達(dá)到效果時(shí),可在管道內(nèi)單側(cè)加壓配重的方法進(jìn)行糾扭。

需提高頂管軸線測(cè)量精度,以保證各管段管道精確順利到達(dá)。

1)采用雙井定向測(cè)量,利用空導(dǎo)點(diǎn)和地面導(dǎo)線點(diǎn)建立平面控制網(wǎng),采用鉛垂儀垂直投射至井內(nèi)固定基準(zhǔn)點(diǎn),用全站儀定位激光控制投射點(diǎn)至機(jī)頭,自動(dòng)化跟蹤觀測(cè)偏差方向。

2)頂進(jìn)工程中,要分析管道偏移軌跡的變化,確定合理的糾偏方向和幅度,提前作出判斷和采取措施。

3)通過頂管機(jī)高精度傾斜儀的讀數(shù)變化,分析機(jī)頭軌跡變化,是高程糾偏和評(píng)估糾編效果的重要數(shù)據(jù)。

4)頂管機(jī)4只糾偏油缸的油路上,設(shè)有壓力監(jiān)控裝置,通過分析監(jiān)控裝置的數(shù)據(jù)來分析頂進(jìn)中的不平衡外力的狀況,預(yù)測(cè)頂管機(jī)的前進(jìn)軌跡,為采取糾偏提供輔助參考信息。

5)頂管機(jī)剛產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)時(shí),用改變刀盤的轉(zhuǎn)向來校正,方法是頂管機(jī)向哪個(gè)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn),刀盤就朝哪個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。頂管機(jī)設(shè)有高精度傾斜儀,能精確顯示頂管機(jī)0.01°的旋轉(zhuǎn)角變化,可及時(shí)判斷頂管機(jī)的偏轉(zhuǎn)和校正效果。

4.4 提高觸變泥漿施工質(zhì)量

通過注漿使管外壁與土層之間形成良好性能的觸變泥漿套,不僅可以有效降低頂進(jìn)阻力,而且能有效控制地表變形。本項(xiàng)目頂管所處地質(zhì)較差、管徑較大、頂管距離長,故對(duì)觸變泥漿的配制和壓注施工質(zhì)量尤為重視。

選擇優(yōu)質(zhì)的膨潤土,根據(jù)頂管所穿越的土質(zhì)和地表環(huán)境、頂力變化,不斷總結(jié)和優(yōu)化泥漿配比(基本配合比:膨潤土∶CMC∶純堿∶添加劑=940∶15∶40∶5)。同時(shí)控制泥漿攪拌質(zhì)量,拌制好的泥漿靜置24 h后使用,漏斗黏度時(shí)間大于30 s,在使用前再次攪拌。

出洞口的止水裝置確保不滲漏,管接口密封性能保持良好,這是管道形成漿套的先決條件。

頂管機(jī)出洞口就開始?jí)簼{,出洞口的壓漿可以避免管子進(jìn)入土體后被握裹,否則會(huì)引起背土的惡劣情況。管道在背土條件下的運(yùn)動(dòng)將對(duì)土體產(chǎn)生很大的擾動(dòng)。

機(jī)尾的同步壓漿很重要,要使?jié){套隨機(jī)頭不斷延伸,若不及時(shí)壓漿,機(jī)殼外面很容易產(chǎn)生背土現(xiàn)象。有效控制注漿壓力,記錄注漿量,避免部分注漿孔堵塞,防止管外壁泥漿套不均勻,形成制動(dòng)效應(yīng)。

要對(duì)管道沿線定時(shí)進(jìn)行補(bǔ)漿,不斷彌補(bǔ)漿液向土層的滲透量。

4.5 不同地質(zhì)和環(huán)境條件下的頂進(jìn)速度控制

適當(dāng)降低頂管頂進(jìn)速度并勻速推進(jìn),可有效降低頂管施工在特殊地層、穿越保護(hù)建(構(gòu))筑物所帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

1)通過降低頂進(jìn)速度,可以降低對(duì)頂管上部和周邊土體的變形量和變形速率。

2)降低頂進(jìn)速度后,可更有效地觀測(cè)地面變形、頂管各技術(shù)參數(shù)的變化,及時(shí)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化和制定應(yīng)對(duì)措施。

3)通過降低頂進(jìn)速度,提高控制測(cè)量精度,確保管位與周邊建(構(gòu))筑物保持有效的安全距離。本項(xiàng)目在始發(fā)洞口加固區(qū)段推進(jìn)速度均為10 mm/min;在穿越G1503高速公路、軌交16號(hào)線、地下壓力管道等重點(diǎn)保護(hù)區(qū)段時(shí),頂進(jìn)速度為10~20 mm/min,其余正常區(qū)段不大于30 mm/min。

4.6 加強(qiáng)變形監(jiān)測(cè)

通過頂管頂進(jìn)變形監(jiān)控、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析,不僅可以通過設(shè)定報(bào)警值有效控制變形量對(duì)道路路面、管道和周邊建(構(gòu))筑物進(jìn)行保護(hù),還可以通過數(shù)據(jù)變化分析優(yōu)化各項(xiàng)頂管施工技術(shù)參數(shù),降低頂管頂進(jìn)對(duì)地面、管道和周邊建(構(gòu))筑物的不利變形影響。

通過組織管線交底、收集地下管線資料、現(xiàn)場(chǎng)勘察、增做物探和精探、與周邊建(構(gòu))筑物權(quán)屬單位取得聯(lián)系,掌握詳細(xì)的地形地貌和建(構(gòu))筑物、地下各類管線的具體數(shù)量、位置、規(guī)格、結(jié)構(gòu)形式、使用狀況等精確數(shù)據(jù),是制定監(jiān)測(cè)方案的前提條件。

委托第三方專業(yè)監(jiān)測(cè)單位對(duì)本項(xiàng)目進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)變形測(cè)量作業(yè)。編制有針對(duì)性的變形監(jiān)測(cè)方案,每天完成監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的匯總、分析和報(bào)告,及時(shí)提出指導(dǎo)性意見。

在穿越G1503高速公路、軌交16號(hào)線、壓力管道等變形受控要求較高的區(qū)時(shí)域,通過提高變形控制報(bào)警值、布點(diǎn)數(shù)量、監(jiān)測(cè)頻率等方法,更有效地控制變形量,獲得更好的保護(hù)作用。在頂管完成后進(jìn)行水泥漿注入置換,提高管道外壁外側(cè)土體硬化強(qiáng)度,降低后期沉降變形量。

本項(xiàng)目頂管頂進(jìn)過程中的主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為:頂管沿線地面變形、地下管線變形監(jiān)測(cè)、鄰近建筑物變形監(jiān)測(cè)。

1)地面垂直變形:沿軸線每5 m設(shè)點(diǎn),每50 m設(shè)沉降剖面。每天監(jiān)測(cè)2次,變形速率應(yīng)≤3 mm/d,累計(jì)變形量應(yīng)≤10 mm。

2)沿線地下管線:每10~15 m布設(shè)一點(diǎn),每天監(jiān)測(cè)2次,變形速率應(yīng)≤2 mm/d;累計(jì)變形量應(yīng)≤10 mm。加強(qiáng)對(duì)煤氣管、燃?xì)夤芗按罂趶浇o水管的檢測(cè),它們是剛性壓力管,對(duì)差異沉降較敏感,接頭處是薄弱環(huán)節(jié)。

3)鄰近建(構(gòu))筑物的監(jiān)測(cè)點(diǎn)1點(diǎn)/柱(相鄰橋墩臺(tái)),建筑物的四角、大轉(zhuǎn)角處及沿外墻每10~15 m一處。監(jiān)測(cè)頻率重要區(qū)域?yàn)?次/d,其他區(qū)域?yàn)?次/d。橋墩立柱垂直位移變形速率報(bào)警值為1 mm/d,累計(jì)變形量報(bào)警值為5 mm,橋墩立柱傾斜累計(jì)變形量報(bào)警值為1/3 500;其他構(gòu)筑物變形速率報(bào)警值為2 mm/d,累計(jì)變形量報(bào)警值為

20 mm。

本項(xiàng)目頂管工程在穿越G1503高速區(qū)段施工難度相對(duì)較大。施工過程中每天進(jìn)行2次變形監(jiān)測(cè)和全程的巡視檢查,通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)氖┕そM織和精心的施工管理,各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目日變量和累計(jì)最大變量均未超出報(bào)警值。

5 結(jié)語

隨著我國城市建設(shè)的日新月異,城鎮(zhèn)化的擴(kuò)大改造不斷深入。在復(fù)雜繁多的地下管網(wǎng)中,需要更經(jīng)濟(jì)、耐用、綠色、環(huán)保,滿足可持續(xù)發(fā)展的新工藝、新材料的推廣和使用。本項(xiàng)目采用離心澆筑玻璃鋼夾砂管大口徑頂管在沿海地質(zhì)條件復(fù)雜情況下的順利使用,為今后城市管網(wǎng)改造升級(jí)、大口徑離心澆筑玻璃鋼夾砂管頂管管材的應(yīng)用和復(fù)雜地質(zhì)條件下的頂管施工均提供了有力的經(jīng)驗(yàn)借鑒。

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