南莊鎮(zhèn)南片區(qū)排污主干管重點保護段頂管設計與施工

劉桂貽

(佛山市禪城區(qū)南莊鎮(zhèn)水利所，廣東 佛山 528061)

1 工程概況

南莊鎮(zhèn)南片區(qū)污水泵站及排污主干管工程是佛山市禪城區(qū)的重點項目，包括泵站2座，近期規(guī)模為2.5萬t/d，遠期規(guī)模為13.2萬t/d；排污主干管1條，DN 600～1 400污水管，總長為7.3 km，項目總投資1.059 7億元。排污主干管工程收集范圍總面積為22 km2，包括吉利村、龍津村、醒群等9個行政村自然村，總人口約5.3萬人，生活和工業(yè)污水通過兩座污水提升泵站輸送到南莊污水廠進行處理。該排污水干管工程自2014年12月開工后，由于各種復雜原因，經(jīng)過了多次設計修改施工過程中，分別發(fā)生路面沉降、大坍塌、錯位、機頭抱緊卡住等情況。2017年7月30日21：00，W25～26號井段由于機頭被卡、管道經(jīng)過河涌等原因，頂管施工后第11天，造成入醒群工業(yè)區(qū)道路坍塌，面積達30 m2，塌落深度達2～4 m，交通被迫中斷，波及臨近倉庫房屋，由于發(fā)現(xiàn)及時未造成人員傷害；2017年10月10日下午，W 22 ～23號井段DN 1 200重力管在頂管施工過程中，造成沿線道路地面沉降達10～75 cm，需要緊急封閉地面道路，事發(fā)無車輛經(jīng)過，后采用充填固結灌漿處理，灌入水泥55 t。因該段頂管穿越JNG高壓天然氣管、樵樂公路，此外由于無法探明舊橋基礎結構，需將原設計管道位A點0+428至B點0+543段變更管線走向，改在兩橋間狹窄的間隙中穿過，使得該段成為施工的重點保護段。

保護段平面布置如圖1所示。

圖1 重點保護段頂管平面布置示意(高程：m)

重點保護段工程地質(zhì)為粉細砂、中粗砂，屬透水地層，土層深2.20～11.4 m，地下水位為1.00～2.80 m，與河水有水力聯(lián)系，含水量十分豐富，滲透系數(shù)k20=3.701×10-3cm/s，為中等透水。

2 重點保護段存在的主要問題

已有工程經(jīng)驗表明，當頂管施工出現(xiàn)問題時，僅采用加大主頂推力、快速穿越通過，往往會留下很多后續(xù)問題，因此應當系統(tǒng)地分析形成問題的原因，深入研究場地水文地質(zhì)條件、河道地下水位變化規(guī)律以及頂管施工對土層的影響，才能對癥下藥找出技術可行、安全經(jīng)濟的綜合治理方案。

通過進一步分析，認為重點保護段險情形成的主要原因有以下幾方面：① 粉細砂土層地下水豐富，而且地下水受河道潮汐的影響大；② 頂管外管壁的粗糙系數(shù)大，增加了對周邊土層的憂動[4]；③ 頂進速度過快，施工時為節(jié)約成本采用普通膨潤土，破壞了土層的結構穩(wěn)定；④ 進出洞口固結水泥樁止水效果差，出現(xiàn)流砂現(xiàn)象未引起重視，長時間抽水帶走砂土，造成土層失穩(wěn)；⑤ 不排水沉井施工影響靠近進出洞段及周邊土層，致使土層完全松散，失去凝結力。

3 重點保護段頂管施工方案優(yōu)化

經(jīng)過拖管試驗和水文地質(zhì)條件分析，采用如下的頂管施工優(yōu)化方案[7]：

1)調(diào)整頂管管位平面走向和縱向位置。舊橋基礎勘探表明，污水管頂面至河涌底的淤土厚度僅為1.5 m，因此線路避開橋基礎，降低坡度，減少頂管迎面阻力，防止發(fā)生地面拱起及管道上浮，采用Φ600的拖頭提前刺探勘測管道中軸線，確保頂管穿越無障礙物。

2)選取環(huán)剛度S60的玻璃纖維增強塑料夾砂管[6](俗稱玻璃鋼夾砂管)，同時采用穩(wěn)定性好的優(yōu)質(zhì)膨潤土，減少管壁與土的摩阻力。

3)采用“鋼板樁接收井”新方法，先將頂管掘進機(以下稱工具頭)穿越到達預定“C”點(見圖1所示)，再打12 m鋼板樁支護成長8 m×寬3 m的“匚”形接收井，并在井左右兩邊打輕型深層井點降水井，確保在井下安全進行開挖吊裝工具頭及安裝玻璃鋼夾砂管。

4)將工作井洞口由原設計的攪拌樁止水改為固結成型效果好的兩排Φ500高壓旋噴樁，在洞口以兩倍管徑進行加密，樁中間距350 mm，樁身強度達到2 MPa，防止液化的流動性土或地下水由洞口進入工作坑。

5)充分利用場地潮差較大的特點，在潮水回落時，快頂多頂，有效地降低對土的擾動，減少破壞土層結構，一旦洞口出現(xiàn)漏水流砂現(xiàn)象時，快速用插棍將棉塊充滿空隙，再加入堵流靈封堵，以保障土層與機頭泥倉的泥水平衡。

4 頂管設計

重點保護段頂管設計長度為117 m，原設計管材采用鋼管，頂距超90 m，需要加中繼間。通過頂管管材優(yōu)缺點對比(見表1)，表明玻璃夾鋼砂管摩擦系數(shù)最小，可大幅度的減少頂管頂力，管道安裝連接迅速，能節(jié)約寶貴的施工時間，有效保證頂進泥水平衡。因此改為對土體擾動小且作業(yè)方便的玻璃鋼夾砂管，頂管坡度由原來的2.4%，下調(diào)為1.0%，覆土層深度為7.9～8.9 m。玻璃夾鋼砂管選用DN 1 000 mm管，承插接口采用雙“O”型橡膠圈密封(柔性接口)。

表1 頂管管材優(yōu)缺點對照

4.1 頂力計算

在頂管施工前，首先要進行頂進機迎面阻力計算[1]，準確進行頂力計算是關系到施工能否成功的關鍵[3]，同時也可以判斷頂管材料是否能滿足設計要求。當估算總頂力大于管節(jié)頂力允許設計值時，需要設置中繼間。頂力計算公式可采用《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》(GB 50268—2008)6.3.4式[1]:

FP=πD0Lk+NF

(1)

(2)

式中FP為頂進阻力,kN；L為管道設計頂進長度,m；D0為管道外徑,m；k為管道外壁與土的平均摩阻力,kN/m2，通過試驗確定；Nf為頂管機的迎面阻力,kN；P為控制土壓力,MPa。

重點保護段玻璃夾砂管外徑(管壁厚度55 mm)D0=1.110 m，頂管頂進長度按L=120 m，頂管在全風化粉細砂土中頂進，采用觸變泥漿減阻技術[1]，鋼管管道外壁與土的平均摩阻力取k=5.0 kN/m2[2]，玻璃鋼夾砂管可按照鋼管的平均摩阻力系數(shù)乘以0.8計算，控制土壓通過資料和經(jīng)驗按管材料直徑選取P=0.19 MPa。

FP=3.14×1.110×120×5.0×0.8+3.14×1.110×1.110×190/4=1 857 kN。

根據(jù)廠家提供的玻璃鋼夾砂管最大允許頂力約為4 000 kN，頂進的后座采用2個200 t的千斤頂已經(jīng)足夠，主站頂力200×2×9.8=3 920 kN>FP，滿足設計頂進要求。在實際作業(yè)時頂管的壓力值與計算值相近，不用設置中繼間，未出現(xiàn)頂進管段管口破壞現(xiàn)象，說明計算參數(shù)的取值比較合理。

4.2 后背墻布置和驗算

后背墻的布置和驗算與頂力計算一樣重要，且旁邊有JNG高壓天然氣管線，在頂進過程中必須要求后背墻結構穩(wěn)定，雖然可以借助工作井增加后座力，但如果后背墻遭到破壞，頂管作業(yè)將被迫中止。后背墻的設計要通過驗算，驗算時假定主頂千斤頂施加的頂進力是通過后背墻均勻地作用在工作井后的土體上[3]，驗算采用下列公式[2]:

(3)

Kp=tan2(45°+0.5φ)

(4)

式中R為總推力之反力,kN；B為整體式后座墻的寬度,m；k為安全系數(shù)，當B/H0≤1.50時，取k=1.5，B/H0>1.50，取k=2.0；γ為土的重度,kN/m3；H為管頂覆土高度,m；h為地面到后座墻頂部土體的高度,m；Kp為被動土壓系數(shù)；c為土的內(nèi)聚力,kPa；φ為土的內(nèi)摩擦角,°。

后背墻體設計結構高寬厚為(1.5×4×0.6)m，雙層雙向配筋為Φ22@200，砼強度為C25，承力面為平面。后背墻采用組合鋼模板。同時使用Φ162@600，單向螺栓拉結，斜撐及水平撐頂方式固定拉結螺栓，采用植筋方法固定在混凝土護壁上。

后背墻保護段土質(zhì)為粉細砂土，地面到后背墻頂部土體高度H=6.0 m，后背墻高度h=1.5 m，后背墻寬度B=4 m，由補充舊大橋地質(zhì)勘查報告知，土的重度γ=19.3 kN/m3，內(nèi)聚力c=49 kPa，摩擦角φ=20°，被動土壓系數(shù)計得2.04：安全系數(shù)k取1.5，計算得R=20 186 kN>FP，后背墻結構設計滿足施工要求。

4.3 沉降計算

重點保護段頂管線路上地面有兩條公路河流夾在中間，地下通信電纜穿插，高壓煤氣管線、高速路等原因，施工方案需要向廣東省交通集團等有關部門備案報批，因此，沉降監(jiān)控為工程重中之重，在施工前必須進行沉降計算，提前預知路面沉降是否超出監(jiān)控預警值。1969年Peck在分析大量地表沉降的基礎上，提出了地表沉降槽符合正態(tài)分布曲線的概念，現(xiàn)工程廣泛采用Peck的地面沉降量計算公式[5]:

Sx=Smax·exp[-x2/2i2]

(5)

Smax=v1/2.5i

(6)

式中S(x)為地面沉降量,m；x為離頂管軸線的水平距離,m；S為管道軸線上方的最大地面沉降量,m；i為地面沉降槽寬度系數(shù),m；V1為管道單位長度的土體損失量,m3/m，通常采用挖掘面面積的百分率來估算土體損失的大小，令η為土體損失百分率，則V1=πr2η。

η值可根據(jù)工程經(jīng)驗取值，自穩(wěn)性差流動性大的土層取η=8%[5]，管半徑r=0.555 m，計得單位頂管長度的土體損失量V1=0.012，沉降槽寬度系數(shù)i=h/(2.5·tg(45°-φ/2))，取土的內(nèi)摩擦角φ=35°，覆土層厚度取地面到管軸中心線距離，土體擾動最大范圍X由地面線計算點距管中心線的水平距離試算獲得。表2給出了地面沉降量計算結果。

表2 地面沉降量計算結果

經(jīng)過調(diào)整管位埋置深度，可以降低路面沉降量，但仍需要嚴格控制出泥量，不可超量出泥。在公路下頂進，當路面沉降量超過10 mm時[2]，應立即鉆孔取樣檢查土體變化。在整個管道穿越施工期間，頂管擾動范圍內(nèi)的地面構筑物、各種地下管線未出現(xiàn)超標準沉降、漏水及漏氣情況。

5 頂管施工

5.1 鋼板樁接收井

針對工程為重點保護段，變更原設計接收井位置，重新選定頂管線路作業(yè)(見圖1)，待頂管掘進機穿越到達新選定的C點后，打入鋼板樁支護(如圖2所示)，形成長8m×寬3m的“匚”形接收井，井深度約7 m，其中鋼板采取橫向支撐。由于本工程為流砂場地，曾發(fā)生多起頂進栽頭現(xiàn)象，需要打鋼板樁成井開挖取出工具頭，此時采用大流量水泵根本無法將水位降低到工作面，還發(fā)生鋼板樁支撐變形現(xiàn)象，后采取增加井點降水措施，即可順利吊裝起工具頭。具體做法是：在鋼板樁接收井開挖前，采用Φ500輕型深層井點降水工程措施，在井左右兩側設置3個深15 m的井，每口井配3 kW潛水泵24 h連續(xù)不間斷的抽水，把地下水位影響線降到工作面，以保證井下能安全開挖，順利實施工具頭吊裝及玻璃鋼夾砂管安裝。施工過程中，采取后打鋼板樁形成接收井的好處是在機頭遇到阻礙時，可留有安全裕度調(diào)整管道走向，不受接收井洞口位置限制，確保工程順利施工和公路河流安全運行。

由于管道穿越粉細砂土層，易產(chǎn)生管涌或流土滲透變形，在地下水位以下需選用泥水平衡頂管機進行施工[2]。

圖2 A點—C點重點保護段頂管縱斷面示意(單位：高程 m)

5.2 掘進機頂進、出洞

頂管的進出洞是頂管成功與否的關鍵[3]，因此在掘進機進洞之前，必須積極做好洞口防護工作，先在洞口外側采用高壓旋噴固結灌漿，要求在退潮時才可以進行洞口土體固結灌漿，以提高灌漿止水效果。施工時先在出洞口處做一個止水墻，以便將洞口的止水裝置安裝在平面上，止水墻的二期砼標號與工作井砼標號一樣，寬度應滿足止水法蘭的安裝要求。然后預埋好盤根螺栓，再將大于預留洞600 mm的橡膠止水圈固定在螺栓上，用10 mm厚鋼板壓緊止水圈并鎖緊，鋼壓板螺栓孔做成多孔長方形，可徑向內(nèi)外調(diào)節(jié)鋼壓板位置。掘進機進洞前要將余下的橡膠止水圈安放在預留洞內(nèi)，然后掘進機才進洞，防止地下水及流沙涌入井內(nèi)，避免洞口坍塌。

機頭進洞前必須對所有設備進行全面檢查，經(jīng)過試運行無故障，另外還要認真檢查止水膠板安裝位置是否準確平順，外夾板安裝是否鎖緊，經(jīng)確認無誤后才可破除磚封門。

進洞時要注意止水膠板壓入是否均勻，有無翻轉、破損等問題，如有應將工具頭拔出處理好再重新進洞。掘進機出洞時應嚴格控制出洞頂進偏差，中心橫向偏差不得大于50 mm，施工時還要將管道抬高5～10 mm，以抵償頂進過程中的變形。因初始階段頂進精度對后續(xù)頂進的管道軸線有非常大的影響，若達不到上述要求時，必須拉出掘進機，重新調(diào)整。

在頂?shù)?節(jié)管(工具頭)以及在校正偏差過程中，測量間隔不應超過300 mm，以保證管道入口位置。管道進入土后的正常頂進中，測量間距不宜超過1 000 mm[1]。

頂管誤差校正是逐步進行的，形成誤差后不可立即將已頂好的管材校正到位，頂進中發(fā)現(xiàn)管位偏差3 mm左右即應進行校正。糾偏校正也要緩緩進行，使管節(jié)逐漸復位，不得猛糾硬調(diào)，以防產(chǎn)生相反的結果。當頂完1個行程后(1 m)應停止頂進，調(diào)節(jié)整體式頂進構架頂塊，再續(xù)頂進下一個行程。

當管道在頂進中出現(xiàn)阻力較大時，應及時加注觸變泥漿以減小管道阻力。注泥漿時應遵循下列原則：一是先注后頂，隨注隨頂，這是一條很重要的原則問題，如果工具管機頭向前移動時泥漿套的容積擴大，會產(chǎn)生抽吸作用，容易造成洞穴坍塌使注漿失效；二是注漿孔應均勻布置在管道四周，但管道底部不設注漿孔，每間隔2節(jié)玻璃鋼夾砂管設一次注漿孔。必須要采用穩(wěn)定性好的優(yōu)質(zhì)膨潤土，使管壁與泥土間的壓觸變泥漿減阻效果更好，降低推進阻力，減少對土層的憂動，這樣可有效的保障施工和路面安全。

5.3 施工效果

由于采用了多方面的組合技術措施，有效避免了頂管施工中和完工后出現(xiàn)沉降、坍塌、等險情。重點保護段路面在工程結束運行2個多月后，靠河涌公路左右兩側，沿管線方向4～7 m處發(fā)生了10～45 mm的沉降，分析其原因，是由于在頂進過程中常有瓦礫、雜物阻礙排泥，影響泥水平衡形成空洞；其次是由于靠近河涌，受潮汐動水壓力的作用，容易擾動土層，造成水土流失。因此，在清管過程中必須搶時間，減少停頂作業(yè)的影響，此外在遇到洞口出現(xiàn)滲漏情況時應快速進行封堵處理。沉降路面經(jīng)充填拉平處理后，按照驗收規(guī)范進行壓力管道水壓試驗，結果表明達到設計要求，此外還進行了探地雷達檢測，結果表明土層結構穩(wěn)定。重點保護段頂管工程施工結束后，經(jīng)過兩年多雙向8車道車輛的密集運行，沒有再發(fā)生過險情，公路交通運行一切正常。

6 結語

南莊南片區(qū)排污主干管重點保護段頂管工程設計施工表明，靠單一工程措施較難從根本上解決頂管施工中遇到的問題，需要結合工程實際情況針對性地采取綜合措施，才能有效杜絕管道在穿越流沙土層時出現(xiàn)滲透變形破壞，解決了頂管施工常出現(xiàn)的大范圍坍塌、沉降等老大難問題，保障了人民群眾的生命財產(chǎn)安全。