朱先均, 羅 利

(中國五冶集團有限公司, 成都 610063)

地下管網(wǎng)作為城市基礎建設中的關鍵部分,在城市建設以及規(guī)劃過程中起著重要作用,隨著城鎮(zhèn)化進程的加快,老舊城區(qū)改造過程中建設龐大的地下管網(wǎng)、地下管道系統(tǒng)顯得尤為重要[1]。由于老舊城區(qū)排水管道管徑偏小,過水能力較差,管道老化嚴重,城市更新管網(wǎng)改造勢在必行,為此,城區(qū)頂管等非開挖技術應運而生,眾多工程人員也對頂管施工技術進行了大量研究[2-4]。目前,常見的小口徑市政排水管道施工主要為開槽埋管和水平定向鉆施工[5],這兩種工藝對周邊環(huán)境擾動大,易堵塞交通,影響城市面貌,給人民生活、工作帶來諸多不便。而微型頂管技術是一種占地面積較小,對環(huán)境影響較小的地下管道非開挖鋪設施工技術[6],該技術有管道敷設精度高、施工周期短、道路交通阻礙小等諸多優(yōu)點[7]。微型頂管技術根據(jù)出土方式不同可分為地箭式、螺旋式[8],而地箭式則更為常用。張歡[9]介紹了地箭式微型頂管技術在寶山區(qū)二級管網(wǎng)工程中的應用;林永江和屈新龍[10]以北京市朝陽區(qū)郭家莊路污水管道工程實例,介紹了該技術在小口徑管道施工中的工藝流程及操作要點。周軍等[11]通過研究得出地箭式微型頂管施工技術適用于DN600及以下的管道工程施工。

本文結(jié)合武漢市歷史風貌區(qū)老舊小區(qū)供水、排水改造工程案例,以老城區(qū)復雜地質(zhì)條件下地箭式微型頂管施工為背景,研究微型頂管技術在城市排水改造工程中的施工工藝及控制措施,并針對頂管施工中的流沙、涌泥等難題提出有效防治措施,為今后類似工程起到一定的參考。

1 工程概況

1.1 項目情況

歷史風貌區(qū)老舊小區(qū)供水、排水改造項目位于武漢市江岸區(qū)歷史風貌保護老區(qū),擬施工干管總長1.95 km,采用微型頂管施工。頂管管徑分別為600 mm、800 mm、1 000 mm,管材為立式振動成型玻璃纖維增強塑料管,壁厚為60～120 mm,公稱壓力為1.0 MPa,環(huán)剛度為20 kN/m2,頂管管節(jié)長1 m。頂管管道位于車行道下方,周邊為現(xiàn)狀道路,歷史保護建筑物眾多,桿、線及各種地下管線復雜。頂管位置、埋深及穿越土層情況如表1所示。

表1 頂管路線概況統(tǒng)計

1.2 水文地質(zhì)情況

工程地形地貌復雜,有上層滯水、承壓水等多層地下水,且施工場地臨近長江,其地下水受長江水位影響較大,工程區(qū)地下水與長江水為互補關系。上層滯水賦存于填土中,上層滯水水位高程在22.65～23.82 m(水位埋深1.0～2.8 m)。水位隨季節(jié)、降雨量及地形變化影響明顯。承壓水賦存于場地下部的粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂互層和粉砂層中,承壓水位高程在18.16～18.25 m,其水位變化幅度受長江水位漲落影響,年變幅為3.0～4.0 m。

頂管段主要土層自上而下依次為人工填土、粉質(zhì)細土、粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂。

2 微型頂管工藝原理

工程采用地箭式微型頂管工藝,原理是利用液壓裝置,以先導管作為導體,在其末端連接黑管(螺旋出土管)和擴孔切削機頭,再將擬鋪設的管材接在機頭的后面,然后按照設計軌跡頂進,最終完成新管道的鋪設。

微型頂管分為三次施工:第一次將先導管推進貫通;第二次以先導管為中心推進黑管;第三次利用液壓頂進機頭將管道推進。工藝原理如圖1所示。

圖1 微型頂管工藝原理

3 施工工藝流程

地箭式微型頂管的施工工藝流程如圖2所示。

圖2 地箭式微型頂管施工工藝流程

4 微型頂管施工關鍵工藝分析

4.1 頂管區(qū)域現(xiàn)場勘探

根據(jù)沿線管線及建筑物分布情況,結(jié)合現(xiàn)場實際勘測的結(jié)果,對施工范圍內(nèi)原有地下管線做全面探查(表2),以便了解原有市政管網(wǎng)給排水及通信、電力、路燈與交通信號燈等管線的位置,并在地面上標注原有管線的位置、高程,現(xiàn)場用標釘與紅線標志清楚,并繪制出綜合管線分布圖,為后續(xù)施工制定保護或遷移方案提供依據(jù)。

表2 周邊地下管線統(tǒng)計

4.2 鋼沉井(工作/接收井)施工

微型頂管用工作/接收井采用鋼沉井形式,沉井施工。鋼沉井使用直徑尺寸為2 090 mm、2 590 mm和3 290 mm,采用Q235B鋼板制成,壁厚20 mm。每節(jié)標準鋼沉井的高度為2 m。為減少鋼沉井在下沉過程中摩擦阻力以及不同土質(zhì)的干擾,刃腳節(jié)鋼沉井(最下節(jié)接土鋼沉井)接土一側(cè)需加工成鋸齒狀(圖3),鋸齒深度為10～20 cm。每節(jié)鋼沉井之間的連接在入土之前焊接牢固,鋼沉井下沉至設計標高后用C30混凝土封底。

圖3 鋼沉井刃腳示意圖

圖4 工作(始發(fā))井布置

4.3 高壓旋噴樁止水帷幕+洞口穿墻橡膠止水

4.3.1 高壓旋噴樁止水帷幕

粉(砂)土地層在沉井下沉過程中遇到流沙、涌泥易導致周邊塌陷,為此,采用如下措施:先向井底拋填大石塊,以此增加土的壓重,減小或阻止流沙繼續(xù)涌入井底,再采用高壓旋噴樁止水帷幕對井周進行防護,同時也可以起到加固洞門的作用,防止地面及周邊建筑物塌陷。高壓旋噴樁樁長應進入底板底標高以下500 mm,樁徑為500 mm,樁中心距井壁250 mm。加固方式如圖5和圖6所示。

圖5 井周旋噴樁加固平面

圖6 井周旋噴樁加固剖面

4.3.2 洞口穿墻橡膠止水

為保證頂管進、出洞及后續(xù)頂進的順利進行,控制管道外部水土和減阻泥漿流入頂管工作井,保證施工安全及良好有效的泥漿套形成,在止水墻上設置穿墻止水裝置。止水板安裝在工作井預留洞口,具有防止地下水、泥沙從管節(jié)與止水板之間的間隙流到工作井的作用。穿墻橡膠止水裝置構造如圖7所示。

圖7 橡膠止水裝置構造示意圖

4.4 頂管設備選型及安裝

工作井施工完成后,在井內(nèi)安裝頂管設備。根據(jù)頂進管道中心軸線,安裝好工作井內(nèi)底座槽鋼,槽鋼底與地板預留500 mm空間,作為存儲地下水及少量泥沙的空間。底座槽鋼完成后,根據(jù)管道軸線安裝好底板及推進臺,通過底板上的緊固螺栓固定好頂管推進臺。推進臺后背與弧形鋼沉井井壁之間的空隙采用三角鐵焊接加固,以保證推進工作臺頂進過程中的穩(wěn)定性。

根據(jù)管道軸線安裝好經(jīng)緯儀架,底座用快速水泥固定。把激光經(jīng)緯儀安裝在經(jīng)緯儀架上,通過調(diào)整經(jīng)緯儀架的高度控制管道高程,調(diào)整經(jīng)緯儀左右方向控制管道軸線。激光經(jīng)緯儀安裝完畢后,設置管道坡度。管道頂進方向為上坡時,坡度值為正數(shù),反之為負數(shù)。

4.5 頂管頂力計算

本次頂力計算以d1000玻璃纖維增強塑料管[12]為例,根據(jù)《給水排水工程頂管技術規(guī)程》[13](CECS 246-2008)的要求,頂管施工總頂力公式如下

Fp=πD0Lfk+NF

(1)

式中:Fp為頂進阻力或總頂力,KN;D0為管道外徑,m;L為管道設計頂進長度,m;fk為管道外壁與土的單位面積平均摩阻力,KN/m2;NF為頂管機迎面阻力,KN,如表3所示。

表3 管道外壁單位面積平均阻力f(kN/m2)

不同類型頂管機迎面阻力宜按下列計算式:

(2)

式中:DR為頂管機外徑,mm;P為頂管機下部1/3處的被動土壓力,kN/m2。

綜上,計算d1000頂管施工所需總頂力為:F=π×1.12×50×6+26.5=1 082(kN),即為本次頂管工程所需最大頂力。

參考最大頂力的估算值,該工程選用油壓動力組及推進臺工藝參數(shù)如表4所示。

表4 頂管設備參數(shù)

頂管推進臺最大推力為2 000 kN,按照0.8效率系數(shù)計算得出設備頂推能力:2 000×0.8=1 600 kN>1 082 kN;計算結(jié)果表明,總頂力遠小于推進力,主頂設備選用滿足使用頂進要求。

4.6 頂管設備安裝

4.6.1 導軌支架的制作

導軌支架采用鋼板制作,以防止固定在工作井底板上的導軌在管道頂進時產(chǎn)生位移(圖8)。導軌的高度應保證管中心對準穿墻洞中心,導軌的坡度應與設計軸線一致。

圖8 導軌支架示意圖

圖8中導軌間距B的計算公式如下:

(3)

式中:D0為頂管外徑,mm;D為頂管內(nèi)徑,mm。

4.6.2 頂管導向系統(tǒng)

在微型頂管施工中,激光經(jīng)緯儀通過紅外線光源傳輸至顯示屏,更便捷地監(jiān)控和調(diào)整導向方向(圖9),目標位置由光學靶標提供,靶標置于鉆具頭內(nèi)室的軸線上。觀察靶標動態(tài)方向采用“視頻測量系統(tǒng)”觀測,系統(tǒng)上安裝CCD攝像機,在捕捉到目標靶的激光束后,以其中心點為參考顯示激光點的位置,將激光源圖片傳送到顯示器上,再通過液壓動力轉(zhuǎn)動鴨嘴形導向鉆頭進行校正。

圖9 激光經(jīng)緯儀控向

導向系統(tǒng)的激光指向儀配備顯示器和激光靶標;導向鉆頭采用鴨嘴形狀,靶標倉密封防水,且具有注水或注漿功能;鉆桿內(nèi)孔激光通道直徑為40 mm～50 mm。

4.6.3 主頂設備安裝

頂進系統(tǒng)包括底座、導軌、頂環(huán)、頂鐵、后靠背、主頂油缸、減速箱體等部分;主頂油缸在設備兩側(cè)對稱布置,規(guī)格相同,其合力作用點應在管道中心線上;主頂油缸行程宜為650 mm～1 250 mm,滿足于1 m～2 m長的管節(jié)頂進工作;主頂設備安裝后的中心線滿足設計高程、水平坡度與管道軸線的要求,管位軸線的允許偏差≤±2 mm;主頂設備安裝后平整穩(wěn)固,頂進中承受各種負載時,不出現(xiàn)位移、沉降、變形現(xiàn)象。

4.6.4 螺旋頂管排渣系統(tǒng)

排泥套管選用Q235B級以上的鋼管,鋼管壁厚≥8 mm;排泥套管管節(jié)長度≤1 m,管節(jié)采用螺紋連接。排泥扭矩、排泥轉(zhuǎn)速與頂管管徑的適用參數(shù)滿足表5的要求。

表5 排泥扭矩、排泥轉(zhuǎn)速與頂管管徑的適用參數(shù)

4.7 先導管頂進

先導管采用40號鋼制作,單根長83.5 cm,直徑為9 cm,導向鉆頭采用鴨嘴形狀[圖10(a)]。先導管頂進前,激光經(jīng)緯儀根據(jù)管線中心、高程架設完畢后,依據(jù)設計坡度調(diào)整坡比,儀器設定好后開始先導管頂進施工[圖10(b)]。頂進過程中,應遵循“勤測量、勤糾偏、微糾偏”的原則,控制頂管機前進方向姿態(tài),并根據(jù)測量結(jié)果分析偏差產(chǎn)生的原因和發(fā)展趨勢,確定糾偏的措施。

圖10 先導管頂進示意圖

開始頂進階段,嚴控頂進的速度和方向;進入接收工作井前提前進行頂管機位置和姿態(tài)測量,提前進行調(diào)整。

4.8 黑管頂進

黑管采用40號鋼制作,單根長88.5 cm,直徑為22 cm。先導管按照激光經(jīng)緯儀設定坡度頂進進入接收坑,卸下導向頭,開始連接黑管、出土螺旋桿,頂進黑管(圖11)。黑管頂進前安裝鏡面框,防止頂進過程中漏水漏泥。如遇地層含砂量大的地層,黑管頂進過程中需在過渡接頭處加裝注漿孔,起到注漿減阻的作用。

圖11 黑管頂進示意圖

4.9 機頭安裝、管道頂進

黑管頂進入接收坑后,采用改良地箭式機頭(不排土),將改良機頭安裝好,緩慢推進洞內(nèi)[圖12(a)],待機頭全部進洞后,安裝機頭所用的液壓油管及高壓注漿管。

圖12 管道頂進示意圖

管節(jié)頂進過程中,每節(jié)管材需要進行油缸推進及回縮,安裝液壓油管及高壓水管。每頂進一節(jié),接收坑拆除出土黑管,依次循環(huán)完成整個頂管施工過程[圖12(b)]。

掘進前,根據(jù)頂進管道覆土厚度、土體性質(zhì)、地下水埋深等因素,確定土艙壓力控制值在30～50 kPa;掘進中,根據(jù)土艙壓力的變化,調(diào)節(jié)排土速度為0.65～0.75 m3/h,頂進速度控制在8～10 m/d,使土艙壓力始終保持在預設范圍內(nèi);距離地下管線、地下和地上建(構)筑物較近時,適當降低土艙壓力;

當周邊環(huán)境對土體變形要求嚴格時,進行土體變形監(jiān)測,并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)隨時調(diào)整頂進參數(shù)。

4.10 黑管、機頭拆除

管材頂進過程中,在接收坑進行黑管拆除,每節(jié)黑管吊出接收井外清洗備用。管線按照設計線路施工完成后,機頭進入接收井,卸下出土機頭,此段管線頂管完成(圖13)。管道頂進結(jié)束后,及時用高強水泥(堵漏王)封堵兩端管壁,防止漏水、漏泥。

圖13 黑管、機頭拆除示意圖

4.11 觸變泥漿減阻

頂管施工中,降低頂進阻力最有效的方法就是觸變泥漿減阻。為減小管道外壁的摩阻力,在管道進頂進過程中外壁壓注觸變泥漿,包裹住管子,形成一層觸變性好、摩擦系數(shù)小的泥漿套,能夠有效減少管外壁與土壤間的摩阻力。

實施過程中,通過技術攻關,研發(fā)了一種頂管觸變泥漿注漿系統(tǒng)(圖14),該系統(tǒng)能夠通過接收頂進裝置頂力大小的反饋動態(tài)調(diào)整控制觸變泥漿的流量和壓強,從而起潤滑作用,減小頂進阻力。還能通過注漿壓力對土體起到一定支撐,減小施工引起的變形。其工作原理如下。

圖14 頂管觸變泥漿注漿系統(tǒng)

(1)觸變泥漿的拌制。膨潤土、水和摻合劑按如下比例混合:膨潤土∶水∶堿∶CMC(羥甲基纖維素)=130∶870∶4.5∶4(質(zhì)量比)。

(2)注漿工藝流程。觸變泥漿制漿系統(tǒng)制漿→頂進系統(tǒng)頂力反饋→流量智能控制裝置調(diào)節(jié)泥漿流量和壓強→泥漿注入→管節(jié)頂進。

本工程實踐表明,通過頂管觸變泥漿注漿系統(tǒng),玻璃纖維增強塑料管管周的摩擦阻力系數(shù)由理論值3～4 kN/m2降低至0.4～1 kN/m2,減阻效果明顯。

4.12 管道內(nèi)部CCTV檢測

利用操作桿將自帶探照光源的攝像探頭放入管道口,采用數(shù)字高清攝像頭,配合調(diào)焦變倍和俯仰調(diào)節(jié)功能,清晰顯示管道內(nèi)部缺陷并使用平板電腦或其他存儲設備錄像保存。

微型頂管完工后,對各井段管道內(nèi)部進行CCTV檢測(圖15),檢測結(jié)果表明,管材完整,無破損;管道接口嚴密,無滲漏;管道線型順直,坡度滿足設計要求;管道結(jié)構和功能均滿足設計及規(guī)范要求。

圖15 貫通后的管道內(nèi)部CCTV檢測

5 結(jié)論

通過對復雜地質(zhì)下地箭式微型頂管排水改造施工進行分析研究及其工藝介紹,特別是采用高壓旋噴樁止水帷幕+洞口橡膠止水裝置以及觸變泥漿智能注漿系統(tǒng)對流沙、涌泥進行防治,有效解決了老舊城區(qū)復雜環(huán)境下排水改造開槽法施工的不足,實現(xiàn)了綜合成本低、施工周期短、安全性好、環(huán)境影響小、不影響城市交通通行、保證周邊道路和建筑物結(jié)構安全的目標。此次微型頂管技術的成功實踐,對于今后類似老舊城區(qū)排水管道工程施工,提供了一種很好的借鑒。