長距離多排頂管直線頂進(jìn)施工技術(shù)

陳 平，王偉超，曹廣勇，楊俊峰 ，余世祥 ，楊祖兵

(1. 中鐵四局集團(tuán) 第四工程有限公司，安徽 合肥 230000； 2．安徽建筑大學(xué) 建筑結(jié)構(gòu)與地下工程安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601)

0 引言

隨著頂管施工技術(shù)越來越成熟，向頂進(jìn)距離和頂管直徑越來越大的方向發(fā)展.但面對(duì)復(fù)雜的環(huán)境、地質(zhì)條件多變，頂管施工仍然存在不少技術(shù)難點(diǎn)，給施工帶來重重困難[1-2].黃永春基于上海白龍港片區(qū)南干線污水治理工程，提出了超大直徑混凝土頂管長距離頂進(jìn)的一系列施工措施[3]. 魏旭峰介紹了超長距離大口徑鋼筋混凝土頂管管工過程中進(jìn)出洞、長距離頂進(jìn)等方面的關(guān)鍵技術(shù)[4].李耀良主要研究長距離曲線頂管頂力控制中的一些關(guān)鍵技術(shù)措施[5].陳軍介紹了沙漠地區(qū)大口徑長距離頂管工程施工關(guān)鍵技術(shù)[6]. 張述霞對(duì)市政給排水施工中長距離頂管施工技術(shù)進(jìn)行了研究[7].史培新研究了大直徑長距離曲線頂管管幕的施工頂力[8]. 徐偉介紹了超長距離曲線頂管施工的測量技術(shù)[9].劉廣仁針對(duì)復(fù)雜地層曲線頂管穿江隧道，提出采用具有破巖能力的泥水加壓平衡頂管設(shè)備[10].

對(duì)于多排平行頂管依次頂進(jìn)施工而言，因其頂進(jìn)施工過程中管間土體擾動(dòng)程度大、擾動(dòng)次數(shù)多，制定合理的施工方案和頂進(jìn)技術(shù)顯得尤為重要.但受工程實(shí)踐限制，公開的文獻(xiàn)資料中鮮有對(duì)多排頂管頂進(jìn)施工方案及其頂進(jìn)技術(shù)進(jìn)行深入研究，以至于在多排頂管在富水砂層依次進(jìn)行直線頂進(jìn)施工時(shí)難以有類似的工程參考.

針對(duì)該問題，以?？谑忻捞m機(jī)場二期擴(kuò)建場外排水工程為背景，確定了頂管機(jī)的選型和多排頂管施工順序，以施工方案確定直線頂進(jìn)技術(shù)，最后根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證方案的可行性.

1 工程概況

?？谑忻捞m機(jī)場二期擴(kuò)建場外排水工程施工標(biāo)段位于?？谑忻捞m區(qū)美蘭機(jī)場附近，主要任務(wù)為排除美蘭機(jī)場二期擴(kuò)建區(qū)域、部分機(jī)場一期區(qū)域、高鐵區(qū)域及周邊區(qū)域的澇水.機(jī)場雨水管設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為5年一遇，4+026.1～4+535.7段為3孔直徑3.5 m頂管，包括工作井及接收井.該工程頂管段管節(jié)設(shè)計(jì)直徑為DN 3 500 mm，共計(jì)3 390 m(1 356節(jié)).

本項(xiàng)目所處地段為火山臺(tái)地地貌單元，主要巖性以強(qiáng)、中風(fēng)化玄武巖和粉質(zhì)黏土、粗砂、生物碎屑砂為主.線路里程4+026.1～4+535.7(4#～5#井)段為頂管段，該段以第8層粗砂作為基礎(chǔ)持力層，地質(zhì)剖面如圖1所示.

圖1 地質(zhì)剖面(單位：mm)

2 頂管施工方案

2.1 頂管機(jī)選型

頂管機(jī)的正確選型不僅對(duì)施工進(jìn)度有利，還會(huì)減小施工過程中產(chǎn)生管涌、流砂、地表下沉等現(xiàn)象的風(fēng)險(xiǎn).根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和地質(zhì)勘察報(bào)告，4#～5#井段主要穿越粉質(zhì)黏土和粗砂，地層滲透性大，地下水壓力較大，穩(wěn)定性較差.在這種情況下，選擇泥水平衡式頂管是安全可靠且經(jīng)濟(jì)的方案.考慮到管徑為3.5 m，工程沿線路面、周邊建筑物安全等級(jí)高等情況，最終選擇采用全封閉式泥水平衡頂管機(jī)，如圖2所示.工程實(shí)踐證明，所選用的泥水平衡式頂管具有控制地表沉陷精度高、施工效率高、適應(yīng)不同土質(zhì)條件的特點(diǎn).主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示.

表1 泥水平衡機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2 泥水平衡頂管機(jī)

2.2 多排頂管施工順序

近些年來有學(xué)者對(duì)頂管施工引起的土體變形進(jìn)行了數(shù)值模擬[11]。3孔平行長距離頂管施工對(duì)土體的擾動(dòng)不是單個(gè)頂管的簡單疊加，3孔平行頂管施工時(shí)，先頂進(jìn)管會(huì)對(duì)后頂進(jìn)管施工區(qū)域土體產(chǎn)生擾動(dòng)，而后頂進(jìn)管會(huì)在施工過程中對(duì)先頂進(jìn)管產(chǎn)生影響.為了減少或避免對(duì)相鄰頂管施工的擾動(dòng)，確保頂管施工安全，采用不同頂進(jìn)順序施工造成的影響差別較大.因此，一定程度上合理地選擇頂管施工頂進(jìn)順序，直接關(guān)系到頂管工程施工的成敗.利用三維數(shù)值模擬對(duì)采用不同頂進(jìn)順序的頂管施工工況進(jìn)行計(jì)算分析，主要分析不同頂進(jìn)順序工況下頂管施工對(duì)周圍環(huán)境、頂管管體間的相互影響，最后依據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算分析結(jié)果確定最優(yōu)的頂管頂進(jìn)順序.

2.2.1 基本假定

1) 土體被認(rèn)為是均勻的，連續(xù)的，各向同性的.

2) 模型中管片和注漿材料特性均勻，連續(xù)各向同性，為理想的材料.

3) 不考慮土體固結(jié)和流變對(duì)土體的影響.

4) 忽略地下水對(duì)管道施工的影響.

2.2.2 計(jì)算模型及參數(shù)選取

該工程段為3孔直徑3.5 m頂管，頂管橫向間距3.18 m，埋深為6.85～10.42 m，通過有限元分析軟件建立3孔平行頂管三維數(shù)值模型.模型尺寸40 m×20 m×30 m，網(wǎng)格數(shù)為165 720，外圍土體本構(gòu)模型采用的是摩爾-庫倫模型，管節(jié)、等代層和頂管機(jī)殼采用的是彈性本構(gòu)模型，外圍土體、管節(jié)和等代層采用的是3D單元實(shí)體，頂管機(jī)殼采用2D板單.土體模型上表面取為天然地面，下表面取至土體30 m深處，總體坐標(biāo)以向上為Z軸正方向，頂管頂進(jìn)方向?yàn)閅軸正向，X軸正向根據(jù)右手準(zhǔn)則確定.模型整體邊界條件為位移邊界條件，其中上表面為自由邊界，下表面Z方向位移固定，左右邊界、前后邊界分別固定X、Y方向位移，數(shù)值計(jì)算整體模型如圖3所示.根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告和設(shè)計(jì)方案，土體及其他材料的參數(shù)如表2所示.

圖3 數(shù)值計(jì)算整體模型

2.2.3 數(shù)值模擬

考慮到多個(gè)頂管同時(shí)施工干擾較大，造成土體沉降較大，且不利于控制施工成本，因此不考慮3管同時(shí)頂進(jìn)的的情況，選用1臺(tái)頂管機(jī)按照不同的順序依次進(jìn)行施工.為了得到3個(gè)頂管按不同順序施工對(duì)地表沉降的影響，得出最優(yōu)的頂進(jìn)開挖順序，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際條件和已有工程經(jīng)驗(yàn)，選取3種不同施工順序工況進(jìn)行計(jì)算分析，工況1為“1-2-3”頂進(jìn)順序，工況2為 “1-3-2”頂進(jìn)順序，工況3為 “2-1-3”頂進(jìn)順序.由于不同工況采取的頂進(jìn)順序不同，使得頂管周圍土體擾動(dòng)程度存在差異，頂管在施工過程引起的地層位移及管間相互影響也不盡相同.本文主要分析不同工況施工引起的地層豎向位移情況，3種工況計(jì)算完成后地層累積豎向位移變化如圖4所示.

表2 模型主要設(shè)計(jì)參數(shù)

(a) 工況1

(b) 工況2

(c) 工況3圖4 不同工況下地層累積豎向位移變化(單位：m)

由圖4可以看出：1)工況1、工況3為相鄰兩頂管連續(xù)施工，先開挖部分使得相鄰開挖部分土體擾動(dòng)較大，因此相鄰頂管連續(xù)施工上方土體豎向位移值較大；2)按工況1順序施工的地表最終沉降最大為-8.98 mm，按工況2順序施工的地表最終沉降最大為-7.01 mm，按工況3順序施工的地表最終沉降最大為-8.53 mm；3)頂管施工按照工況2的隧道開挖頂進(jìn)順序可以有效的減少土體豎向位移，工況2引起的地表沉降值相對(duì)其他工況較小.

綜合以上分析，從頂管結(jié)構(gòu)的受力角度來說，2種頂管施工順序下頂管受力狀態(tài)差別不大，且頂管結(jié)構(gòu)受力均在安全范圍內(nèi).從控制地表沉降的角度來說，采用工況2順序施工引起的地表沉降較小，同時(shí)考慮到實(shí)際施工帶來的影響會(huì)放大數(shù)值計(jì)算的結(jié)果.因?yàn)?種工況的水平間距、豎向埋深、直徑相同，不考慮其影響，主要分析不同施工順序引起的地層豎向位移情況，故現(xiàn)場施工工序?qū)⒆顑?yōu)采用工況2的頂管頂進(jìn)順序.

2.3 多排頂管施工工藝

本施工方案選用1臺(tái)泥水平衡頂管機(jī)進(jìn)行施工，采用工況2施工順序.即采用1臺(tái)頂管機(jī)按照從“4#～5#”方向進(jìn)行1號(hào)孔施工，待1號(hào)孔施工完畢后把頂管機(jī)從5#井吊出并按照從“5#～4#”方向進(jìn)行3號(hào)孔施工，待1號(hào)孔和3號(hào)孔施工結(jié)束后，把機(jī)頭從4#井吊出接收井最后進(jìn)行2號(hào)孔的施工，頂管具體的施工工藝如下：

1) 設(shè)備安裝調(diào)試.安裝好導(dǎo)軌、后座、千斤頂.工作井凈空尺寸8.2 m，導(dǎo)軌架安裝時(shí)距離洞門口30 cm安裝.鋼靠背平面應(yīng)與頂進(jìn)軸線垂直，鋼靠背與工作井井壁密貼.鋼靠背安裝好后，靠背與工作井井壁之間的小空隙使用砂漿灌注密實(shí).

2) 頂管頂進(jìn).為防止洞口水土流失，進(jìn)、出洞口均采用膠圈、壓板止水措施.頂進(jìn)速度控制在0.8～1.0 m/h，現(xiàn)場根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整.

3) 注漿減阻.采用“機(jī)頭同步注漿和管道跟進(jìn)補(bǔ)漿相結(jié)合”和“先注后頂、隨頂隨注、及時(shí)補(bǔ)漿”的原則，確保注漿效果.

4) 管節(jié)安裝.管節(jié)接口處放置10 mm木襯墊前，縫間用聚氨酯密封膏填充.為防止管節(jié)可能出現(xiàn)后退現(xiàn)象，在頂進(jìn)完成后可以用鋼管或者型鋼做成鋼支撐，支撐在管節(jié)與后座之間用以阻止欲后退的管節(jié).

5) 頂管頂進(jìn)過程中，根據(jù)頂力變化大小安裝中繼間，及時(shí)做好軸線測量工作，控制頂進(jìn)偏差值在可控范圍內(nèi).

3 多排頂管直線頂進(jìn)技術(shù)

3.1 頂管頂進(jìn)技術(shù)

3.1.1 觸變泥漿減阻技術(shù)

管道頂進(jìn)過程中，通過向管外壁壓注觸變泥漿來降低管外壁與土體之間的摩擦阻力[12].每節(jié)管節(jié)預(yù)留4個(gè)注漿孔，分別布置在管節(jié)上下各1個(gè)，左右方向各1個(gè).

觸變泥漿由地面液壓注漿泵通過2道管路壓送到各注漿孔.在機(jī)頭處應(yīng)安裝隔膜式壓力表，以檢驗(yàn)漿液是否到達(dá)指定位置，在所有注漿孔內(nèi)要設(shè)置球閥，軟管和接頭的耐壓力為5 MPa.

頂管潤滑漿注漿用的膨潤土必須是天然鈉基高黏膨潤土，是經(jīng)過嚴(yán)格的烘干、粉碎、干燥、球磨、過篩等加工工藝而成的半成品.在特殊地段或者是沉降控制較為嚴(yán)格的地段，觸變泥漿需添加高分子聚合物等新型材料，以減少地面沉降.普通地段泥漿配合比如下表3，特殊地段泥漿配合比見表4.

表3 普通地段泥漿配合比 %

表4 特殊地段泥漿配合比 %

要控制好注漿壓力及注漿量(泥漿套厚度相對(duì)應(yīng)的體積)，具體的注漿壓力及注漿量根據(jù)現(xiàn)場頂進(jìn)的土質(zhì)情況進(jìn)行控制，注漿實(shí)際用量要比理論值多，一般可達(dá)理論值的4～8倍.根據(jù)不同管外徑分別計(jì)算每米最少注漿量，注漿壓力經(jīng)過計(jì)算應(yīng)控制在0.2～0.3 MPa，通過不銹鋼壓力表來控制注漿壓力.

3.1.2 管道頂進(jìn)

工作井內(nèi)設(shè)備安裝完畢，經(jīng)檢查各部分處于良好狀態(tài)，即可進(jìn)行試頂.首先校測設(shè)備的水平及垂直標(biāo)高是否符合設(shè)計(jì)要求，合格后即可頂進(jìn)機(jī)頭，然后安放管節(jié)，再次測量標(biāo)高，確定無誤后進(jìn)行試頂，待調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)后即可正常頂進(jìn)施工.頂進(jìn)速度控制在0.8～1.0 m/h，現(xiàn)場根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整.

在施工過程中，加強(qiáng)頂管軌跡監(jiān)控.頂進(jìn)施工時(shí)，主要利用頂管機(jī)不斷掘進(jìn)，千斤頂出鎬在后背不動(dòng)的情況下將管道向前頂進(jìn).

3.2 頂進(jìn)方向糾偏及控制

通過觀察安裝于機(jī)頭后部示位標(biāo)靶上激光光點(diǎn)的坐標(biāo)確定機(jī)頭的偏差，通過機(jī)頭糾偏段確定需進(jìn)行糾偏的角度，調(diào)整糾偏千斤頂，對(duì)機(jī)頭進(jìn)行控制.機(jī)頭的糾偏效果是否有效，要隨管道的頂進(jìn)和持續(xù)觀測示位靶的激光坐標(biāo)來驗(yàn)證糾偏效果.

頂管機(jī)頂進(jìn)時(shí)，通過總控制系統(tǒng)獲取壓力傳感器的數(shù)值和激光經(jīng)緯儀的軸線軌跡，當(dāng)激光經(jīng)緯儀的軸線曲線和頂管機(jī)的實(shí)際頂進(jìn)曲線偏移超過5 mm時(shí)，立刻啟動(dòng)糾偏千斤頂進(jìn)行緩慢糾偏.全程控制頂管機(jī)軸線為直線，糾偏過程應(yīng)保持平穩(wěn).同時(shí)，也可以通過壓力傳感器監(jiān)測的頂管機(jī)周圍的壓力數(shù)值，預(yù)測頂管機(jī)可能偏移的方向，提前做好糾偏準(zhǔn)備.

糾偏校正應(yīng)緩緩進(jìn)行，每次糾偏的幅度以5 mm為1個(gè)單元；再頂進(jìn)1 m時(shí)，如果根據(jù)機(jī)頭的測斜儀及激光經(jīng)緯儀測量偏位趨勢沒有減少時(shí)，增大糾偏力度(以8 mm為1個(gè)單元)；如果根據(jù)機(jī)頭的測斜儀及激光經(jīng)緯儀測量偏位趨勢穩(wěn)定或減少時(shí)，保持該糾偏力度，繼續(xù)頂進(jìn)，當(dāng)偏位趨勢相反時(shí)，則需要將糾偏力度逐漸減小.

4 現(xiàn)場施工效果分析

4.1 高程及中心偏差

圖5為采用本施工方案，現(xiàn)場監(jiān)測得到的頂管頂進(jìn)過程中引起的機(jī)頭高程偏差和中心偏差.由圖5可知：隨著頂進(jìn)距離的增加，高程偏差最大值分別為隆起20.1 mm和沉降20.3 mm；中心偏差方最大值分別為向左22.4 mm和向右21.2 mm.高程和中心偏差值剛開始波動(dòng)較大，但隨著頂管的頂進(jìn)，其高程和中心偏差值逐漸減小趨于穩(wěn)定，其曲線在頂管軸線位置周圍波動(dòng)，且偏差值在其允許范圍內(nèi).因此頂管頂進(jìn)軌跡達(dá)到期望的效果，符合直線頂進(jìn)規(guī)律.

4.2 地表變形

頂管頂進(jìn)過程中，沿途要經(jīng)過廠房、房屋及公路，因此本工程在工作井、廠房、房屋及公路周圍各橫向布置7個(gè)監(jiān)測點(diǎn).圖6為頂管頂進(jìn)施工結(jié)束后，各位置監(jiān)測點(diǎn)所得的最終沉降值.由圖6可知：頂管所經(jīng)過各個(gè)位置的最大沉降值都發(fā)生在中間頂管軸線所在位置，最大沉降值分別為始發(fā)井6.1 mm、廠房6.7 mm、房屋7.3 mm、公路8.1 mm、接收井9.1 mm，滿足施工要求；從橫向看，每個(gè)位置的沉降值相差不太大，凹起度不高，說明使用本方案達(dá)到了良好的效果，減少了近間距多排頂管之間的相互影響.

圖5 高程和中心偏差曲線

圖6 頂進(jìn)結(jié)束后各位置地表最終沉降曲線

5 結(jié)論

1) 在富水砂層區(qū)域進(jìn)行頂管施工時(shí)，易采用泥水平衡頂管機(jī)，多排頂管施工順序按工況2順序造成的地表沉降值最小.

2) 為使頂管保持直線頂進(jìn)，根據(jù)施工工藝設(shè)計(jì)頂管施工方案可得到頂管頂進(jìn)技術(shù)、頂進(jìn)方向糾偏及控制.

3) 通過現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果可知，頂管頂進(jìn)過程中其高程和中心偏差曲線符合直線頂進(jìn)規(guī)律；頂進(jìn)結(jié)束后最大沉降值發(fā)生在軸線中心處，各位置橫向最終沉降值變化較小，說明該施工方案有助于減少多排頂管頂進(jìn)時(shí)相互間土體擾動(dòng)影響，可為類似工程提供借鑒.