淺析污水頂管橫穿砂層施工技術(shù)及控制措施

姚新光+呂云飛

摘 要： 為確保道路平坦、完好、安全通行，在橫穿城市主干道的頂管施工前，應(yīng)制定一套防止道路下方砂層被超挖的措施。以某污水管道采用頂管工藝橫穿砂層工程為例，對頂管橫穿砂層施工所采取的關(guān)鍵技術(shù)措施進(jìn)行探討和總結(jié)。

關(guān)鍵詞： 污水管；施工技術(shù)；控制措施

一、工程概況

某市政污水處理工程設(shè)計(jì)采用 DN1000 頂管工藝、管道長163m、管底標(biāo)高為路面下 5.7m，頂管穿越的地質(zhì) 情況為路面以下 0.71m 為道路結(jié)構(gòu)層、0.71～1.48m 為耕土層、1.48～6.03m 為中細(xì)砂層、6.03～12.3m 為中砂層，地下水 埋深 1.1m，為潛層水，滲透系數(shù) k 為 9.28×10-5cm/s，中細(xì)砂 的重度為18.5kN/m3 、內(nèi)摩擦角為 32、內(nèi)聚力為 2.4（kPa）。為 避免施工對道路交通造成嚴(yán)重影響并保護(hù)地下管線，本次頂 管施工采用控制頂進(jìn)速度及泥漿護(hù)壁法，防止機(jī)頭前方砂層被超挖、管壁外加注觸變泥漿減阻及防止砂層塌陷、洞口外 側(cè)高壓旋噴樁加固砂層和提高砂層的抗?jié)B性，保證頂管工程按時(shí)保質(zhì)完成。

二、洞口加固及洞口止水施工技術(shù)應(yīng)用

由于中細(xì)砂的內(nèi)聚力偏小，且孔隙率大易于地下水滲流，為防止頂管機(jī)出洞時(shí)洞口外砂及地下水滲入工作井，應(yīng) 對洞口外砂層進(jìn)行加固和防滲處理。

1、洞口砂層加固

采用單管高壓旋噴樁對洞口外砂層進(jìn)行門式加固，設(shè)計(jì)樁徑 50cm、孔距 40cm、沿圓形沉井井壁以設(shè)計(jì)的頂管軸線為 中心樁樁心，兩側(cè)對稱布置 5 根×3 排高壓旋噴樁，其中洞口 位置的 5 根×3 排以洞壁為界上下各旋噴 3m（孔洞位置為過 渡段，僅需高壓旋噴低標(biāo)號砼固結(jié)砂層），其余的高壓旋噴樁 樁長為 7.92m，路面下 1m 為空鉆，高壓旋噴樁合計(jì)為 33 根。

采用的工藝參數(shù)： 噴嘴直徑 3.0mm （雙噴嘴）、壓力 20.0MPa、流量 193.5L/m、鉆具提升速度 35cm/min、鉆具旋轉(zhuǎn) 速度 18r/min，預(yù)成孔時(shí)采用鉆具高壓噴水快速下沉法。漿液 配比：水泥∶水∶早強(qiáng)減水劑∶水玻璃（防滲）=100∶100∶ 2.5∶2。水泥漿液應(yīng)用 60 目的篩網(wǎng)過濾，以防堵塞噴嘴。水泥 用量 150kg/m（P.O 32.5 普通水泥）。

2、洞口止水裝置

為確保砼管周邊觸變泥漿套完整，并避免洞口上方路面沉陷，應(yīng)設(shè)置洞口止水裝置，防止頂進(jìn)過程中地下水和觸變泥漿流到工作井中。本工程工作井是內(nèi)徑 7m 的圓形工作井， 先在洞口做一弓形的鋼筋砼止水墻，以設(shè)計(jì)的頂管軸線為中心，在洞口周邊打16mm 膨脹螺栓 20 個(gè)，環(huán)向均布，間距 250mm。先安裝鋼套環(huán)，在鋼套環(huán)與鋼筋砼墻之間設(shè)橡膠止水片止水、用圓環(huán)形鋼板固定洞口止水橡膠板、加裝扇形鋼壓板防止橡膠止水板（內(nèi)徑比鋼筋砼管外徑小 30cm 左右）被擠翻。該鋼套環(huán)中心即是洞口止水裝置的中心也是設(shè)計(jì)管道軸線。這種橡膠 法蘭止水裝置結(jié)構(gòu)簡單， 成本低， 安裝方便。

3、防止頂管機(jī)出洞時(shí)發(fā)生“叩頭”的措施

頂管出洞是頂管頂進(jìn)的關(guān)鍵工序， 一旦頂管出洞技術(shù)措 施不當(dāng)， 將會影響頂管頂進(jìn)的速度和質(zhì)量， 甚至造成頂管失 敗。頂管出洞時(shí)，頂管機(jī)調(diào)零。頂管機(jī)穿墻時(shí)因入土較少，頂 管機(jī)的自重僅由兩點(diǎn)支撐， 一點(diǎn)是導(dǎo)軌， 另一點(diǎn)是入土較淺 的土體，這時(shí)作用于支撐面上的應(yīng)力超過允許承載力，為防 止機(jī)頭出洞后低頭，在洞口內(nèi)設(shè)置副導(dǎo)軌（用電焊法將槽鋼 通過膨脹螺栓固定在鋼筋砼上），同時(shí)將前兩節(jié)鋼筋砼管與 頂管機(jī)用槽鋼連成整體（將并排的兩根槽鋼一端焊在砼管內(nèi) 預(yù)先設(shè)置的槽鋼固定架上，另一端焊在頂管機(jī)的肋上），同時(shí)將頂管機(jī)機(jī)頭微抬 4′。

三、中細(xì)砂層中橫穿道路的頂管施工技術(shù)應(yīng)用

1、頂進(jìn)速度的確定

為防止刀盤與前方土體之間出現(xiàn)泥水隔層，造成機(jī)頭前 方砂土的塌陷，應(yīng)控制頂進(jìn)速度保證刀盤削土量、循環(huán)泥漿 進(jìn)泥量與排泥量保持一個(gè)平衡。

根據(jù)計(jì)算公式[1]：πR2 γv+Q 進(jìn) =Q 排

v =（Q 排-Q 進(jìn)）/πR2 γ

式中：R 為頂管機(jī)刀盤半徑 （m）、γ 為頂管機(jī)刀盤轉(zhuǎn)速（ r/min）、v 為頂進(jìn)速度 （m/min）、Q 進(jìn)為循環(huán)泥漿進(jìn)泥量（m3 ）、Q 排為循環(huán)泥漿排泥量（m3 ）。

根據(jù)進(jìn)排泥管管徑為 10cm， 管道中泥水的流速需大于 臨界流速（2.2～2.4m/s），即排泥量需大于 1.03～1.13m3 /min。 本次施工排泥量取 1.17/m3 /min。在施工中， 將頂進(jìn)速度控制在 2.72cm/min，頂速通過調(diào)節(jié)主頂液壓站油 壓來控制主頂千斤頂每分鐘伸出量，達(dá)到控制頂進(jìn)速度。

2、進(jìn)排泥壓力控制

在頂管泥漿循環(huán)系統(tǒng)中，通常排泥泵功率、排泥管固定不變，保證泥水倉壓力主要是通過變頻器控制進(jìn)泥泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制進(jìn)泥的流速、流量來實(shí)現(xiàn)； 頂管機(jī)停頂間歇通過開啟旁通閥，實(shí)現(xiàn)泥漿的小循環(huán)，保證泥水倉的壓力。

循環(huán)泥漿的作用： ①護(hù)壁作用，在挖掘 面形成泥皮，防止機(jī)頭前方砂層塌陷并減少地下水向泥水倉滲透； ②攜渣作用，泥漿必須是一定濃度的懸濁液，才可能把顆粒狀的固體攜帶出。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試，水與陶土的比 例取 1∶0.2，實(shí)際施工中根據(jù)沉泥槽的出泥粘度調(diào)整泥漿的配比，控制在 1∶0.2±0.05，以保證挖掘面的穩(wěn)定。

3、頂管機(jī)機(jī)頭迎面土壓力的設(shè)置

為防止頂管機(jī)的機(jī)頭刀盤超挖迎面砂土，需設(shè)置合理的 頂管機(jī)迎面阻力 NF，減小施工對土體的擾動。公式為：

NF=π/4×Dg 2 ×γ×H

式中：NF - 頂管機(jī)迎面阻力、Dg - 頂管機(jī)外徑、γ- 土的重 度（kN/m3 ）、H- 管頂覆土厚度（m）。 計(jì)算得 NF=108.5kN，1.2 倍的 NF=130.2kN，將機(jī)頭迎面阻 力設(shè)為 130.2kN。實(shí)際操作時(shí)按土壓力表顯示的數(shù)值和刀盤位移的具體情況，適當(dāng)調(diào)整壓力表的數(shù)字，達(dá)到合理的防超 挖壓力值。

4、頂管施工中注漿減阻措施

在砂層與鋼筋砼管之間形成減阻的 觸變泥漿潤滑套，一是潤滑作用：將鋼筋砼管與砂層間的干 摩擦變?yōu)闈衲Σ粒?減小頂進(jìn)時(shí)的摩擦阻力； 二是填補(bǔ)和支撐 作用，漿液填補(bǔ)施工時(shí)管道與砂層間產(chǎn)生的空隙，使隧洞變得 穩(wěn)定。因此，潤滑泥漿必須具有足夠高的運(yùn)動粘滯度，以阻止 潤滑泥漿滲入土層流失掉，便于形成封閉的完整有效的泥漿 套，泥漿的粘度須大于 30s，比重為 1.1～1.16g/cm3 。

第一，D1000 的 Telemole 頂管機(jī)外徑比鋼筋砼管的外徑大 4cm， 使管道與周圍土體之間產(chǎn)生空隙，糾偏也會加大原有 空隙的間隙。因此在頂管頂進(jìn)的軸線軌跡中存在各種各樣的 空隙。

第二，選材及觸變泥漿的配比、設(shè)備的選用。注漿材料采用 捷鉆（Super gel- X）優(yōu)質(zhì)鈉基膨潤土，該型膨潤土添加了多 種聚合物能有效提高泥漿的懸浮性、護(hù)壁性及潤滑性能，具 有高造漿率（是普通膨潤土的 2～3 倍）、高懸浮性、高粘性、 高潤滑性和低漏失量。

四、結(jié)束語

綜上所述，頂管施工技術(shù)在我國市政道路中得到了有效的應(yīng)用。為了確保道路施工的質(zhì)量，提高市政的安全系數(shù)和使用壽命，就要求施工人員加強(qiáng)對施工質(zhì)量的管理和監(jiān)督，對頂管施工的路線和施工工藝進(jìn)行科學(xué)合理地設(shè)計(jì)，這樣以來就確保頂管施工在規(guī)定的工期內(nèi)完工。 ■

參考文獻(xiàn)

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