微型頂管保護(hù)文物建筑地坪的新型技術(shù)研究

張 弛， 章 誼， 龍莉波

(上海建工二建集團(tuán)，上海 200080)

0 引 言

傳統(tǒng)的明挖法施工采用常規(guī)機(jī)械，工藝簡(jiǎn)單；對(duì)周邊環(huán)境影響大，占用施工場(chǎng)地多；施工速度快，質(zhì)量好，需要破壞路面，也需要路面再修復(fù)。

拉管法施工，對(duì)周邊環(huán)境和地面沉降影響小，但支護(hù)費(fèi)用高，缺點(diǎn)是偏差大、控制難、施工質(zhì)量無(wú)法保證。

管幕法是一種非明挖工藝，是利用小口徑頂進(jìn)大斷面空間的施工技術(shù)[1]，一般適用于穿越道路、鐵路、結(jié)構(gòu)物，以及不允許開(kāi)挖的場(chǎng)地等[2]。管幕法以單管頂進(jìn)為基礎(chǔ)，各單管間依靠鎖口在鋼管側(cè)面相連形成管排，并在鎖扣空隙處注入止水劑以達(dá)到施工要求。管排頂進(jìn)完成后，形成管幕[3]。施工管幕時(shí)，開(kāi)挖面有土體移動(dòng)，土體會(huì)擠入機(jī)頭尾部空隙、土體與鋼管相互作用，以及受擾動(dòng)土體再固結(jié)等原因，使得地表會(huì)產(chǎn)生變形[4,5]。為了降低頂管對(duì)地表的土體擾動(dòng)，頂管尺寸也在變小。

微型頂管一般指管徑小于1 000 mm的頂管施工技術(shù)，早期技術(shù)均來(lái)源于德國(guó)。微型頂管技術(shù)是非明挖的一種管幕工法，可減小對(duì)周邊環(huán)境的影響。小管幕開(kāi)挖是通過(guò)在擬建的地下建筑物四周頂入鋼管或其他材質(zhì)管，且管間鎖口相連，注入防水材料形成水密性空間[3]。微型頂管技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是施工時(shí)對(duì)周邊環(huán)境影響小，尤其是對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響小，上部結(jié)構(gòu)的下沉和開(kāi)裂可以很好地避免。施工質(zhì)量有保證，且造價(jià)不高。在受保護(hù)的地坪與下部支撐的管幕之間，會(huì)形成具有一定壓力的觸變泥漿[6]。既支撐上部管幕土體，又極大地降低了頂管推進(jìn)的阻力。觸變泥漿可用不同分子聚合物處理劑、MMH正電膠、增效劑和穩(wěn)定劑，通過(guò)混合土體來(lái)形成。同時(shí)，小口徑頂管技術(shù)也能實(shí)現(xiàn)大斷面的地下空間開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[7]。

1 微型頂管技術(shù)

1.1 種類(lèi)

微型頂管技術(shù)按施工機(jī)械，主要分為泥水平衡頂管[也稱(chēng)一次工法，圖1(a)]、螺旋出土頂管[圖1(b)]和地箭式頂管[也稱(chēng)二次工法，圖1(c)]。

圖1 頂管種類(lèi)

1.2 地箭式頂管

本工程中擬采用地箭式頂管,也稱(chēng)為二次工法。地箭式頂管系統(tǒng)主要包括液壓頂推系統(tǒng)、前導(dǎo)向鉆頭、前導(dǎo)向管和擴(kuò)孔切削頭等，如圖2所示。

圖2 地箭式頂管系統(tǒng)

1.2.1 原理

地箭式頂管的原理是先利用液壓裝置將前導(dǎo)管按照設(shè)計(jì)軌跡推進(jìn)，然后通過(guò)前導(dǎo)管作為導(dǎo)體，在前導(dǎo)管末端連接擴(kuò)孔切削頭，并將擬鋪設(shè)的管道同時(shí)頂進(jìn)，完成管道鋪設(shè)。

1.2.2 分類(lèi)

地箭式工法又可分為標(biāo)準(zhǔn)地箭技術(shù)和改良地箭技術(shù)。土質(zhì)硬(N>15) ，需排土，采用標(biāo)準(zhǔn)地箭式。土質(zhì)軟(N<15)，不需要排土，采用改良地箭式。其中，N指標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)。

推進(jìn)機(jī)臺(tái)，按尺寸分為大、小兩型。大型機(jī)臺(tái)外觀尺寸為1 950 mm(W)×1 200 mm (L)× 850 mm (H)；小型機(jī)臺(tái)外觀尺寸為1 450 mm (W)×1 200 mm (L)×850 mm (H)。重量分別為2 250 kg和1 550 kg。油壓缸的最大推力分別為80 t×2和52.5 t×2。推進(jìn)速度均在1 800～5 500 mm/min。兩者均采用兩段式推進(jìn)，行程分別為630 mm×2和400 mm×2 。兩組機(jī)臺(tái)的螺旋回轉(zhuǎn)裝置能提供850 kg /m和600 kg /m的扭力。轉(zhuǎn)速均可達(dá)到20～50 r/min。

1.2.3 優(yōu)點(diǎn)

地箭式頂管技術(shù)相比于其他兩種頂管，其管道鋪設(shè)精度高，誤差在±3 cm之內(nèi)。經(jīng)緯儀激光制導(dǎo)可滿足排水管道的重力流要求。頂進(jìn)速度快，單段施工不超過(guò)2 d。土層越軟施工速度越快。施工占地面積小，始發(fā)井工作坑直徑為2.6 m，接收坑僅為2.1 m。也可實(shí)現(xiàn)單邊接收井，只開(kāi)挖一個(gè)工作坑進(jìn)行接入現(xiàn)存管道的勾頭施工，不會(huì)產(chǎn)生空隙與沉降。頂管擠土?xí)r不需要擴(kuò)孔，管壁與土層之間，不存在沉降隱患。

1.2.4 缺點(diǎn)

受到管材限制，施工時(shí)使用的管材為樹(shù)脂混凝土管、玻璃鋼夾砂管、鋼筋混凝土管，和球墨鑄鐵管。每節(jié)1 m，單段頂距一般大于100 m。

2 材料

在諸如上海等軟土地區(qū)，常需要對(duì)軟土地基加固，以保證上部地坪在整體平移的過(guò)程中不被破壞。管材則根據(jù)保護(hù)建筑的設(shè)計(jì)使用年限合理選擇。

2.1 土體固結(jié)材料

水泥來(lái)源廣，簡(jiǎn)單實(shí)用，是最常見(jiàn)的土體加固材料。但水泥加固土體時(shí)有其局限性。首先，水泥不適用于粉土、黏土、淤泥質(zhì)土、泥漿、鹽漬土以及有機(jī)土等特殊土壤。其次，水泥不適用于高含水率狀態(tài)下的土壤加固攪拌樁，較高含水率狀態(tài)下攪拌成型難。水泥在加固軟土?xí)r會(huì)使水化環(huán)境惡化，造成水化產(chǎn)物生成不協(xié)調(diào)。分布弱化引起土體微結(jié)構(gòu)不致密。強(qiáng)度不足使得需要加倍使用水泥。其次，在腐蝕環(huán)境(特別是硫酸鹽環(huán)境)中耐久性不足。在高含水狀態(tài)下，需加倍使用，成本翻倍。

在實(shí)際工程中，土體硬化多是采用水泥與水玻璃混合使用，但仍有膨脹不均勻、環(huán)境不友好等問(wèn)題。在本項(xiàng)目中，為了保證固結(jié)效果，擬采用一款土體硬化劑。

2.1.1 復(fù)合固結(jié)土

該型土體硬化劑，本質(zhì)上是一種改進(jìn)型水泥。應(yīng)用該型土體硬化劑加固地基軟土，其加固土的28 d強(qiáng)度，達(dá)到普通硅酸鹽42.5型水泥加固土相應(yīng)齡期強(qiáng)度的1.5倍以上。據(jù)土壤特點(diǎn)和工程性能要求，采用復(fù)合摻合料加化學(xué)激發(fā)膠凝材料為基本技術(shù)路線，克服了改進(jìn)水泥固化土壤存在的水化環(huán)境惡劣、 Ca2+不足、水化產(chǎn)物難以連續(xù)分布、耐久性不足等缺點(diǎn)。水化產(chǎn)物類(lèi)型和水化產(chǎn)物的時(shí)間空間分布有序發(fā)生，有利于形成最密實(shí)固化體的微結(jié)構(gòu)?？梢杂闷渲苯哟?zhèn)鹘y(tǒng)水泥硬化，施工工藝無(wú)須改變。

該型土體硬化劑以復(fù)合摻和料為主要原料，加入少量水泥和其他激發(fā)劑混合而成。在常溫下能夠通過(guò)攪拌直接與地基土顆粒膠結(jié)，從而增強(qiáng)土體強(qiáng)度，提高土體滲透性能。該型土體硬化劑生產(chǎn)工藝為水泥、復(fù)合摻合料、激發(fā)劑等原材料經(jīng)過(guò)烘干、粉磨、混合等工序加工而成。該型土體硬化劑混合攪拌土體初凝時(shí)間大于24 h，因此停工1 d以上不會(huì)形成搭接冷縫。整體性和止水性好。綠色環(huán)保，固廢利用，節(jié)能降耗，環(huán)境友好，且沒(méi)有溫室氣體CO2排放。出現(xiàn)極端低溫時(shí)，其產(chǎn)品水化熱緩慢釋放，能有效較長(zhǎng)時(shí)間抵抗低溫，比水泥土的抗凍性更好。

以上海淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的試塊強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果為例：當(dāng)水灰比為1.0，該型土體硬化劑摻量分別為10%、15%和18%時(shí)，其固化土強(qiáng)度(無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度)分別為504.36 kPa、1 217.87 kPa和1 536.74 kPa。強(qiáng)度高于相同摻量水泥，固化效果優(yōu)異。兩者對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 該型土體硬化劑與水泥的對(duì)比

該型土體硬化劑與PO42.5型水泥的綜合對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 該型土體硬化劑與水泥PO42.5的對(duì)比

2.1.2 有機(jī)高分子類(lèi)固結(jié)材料

此外，還有有機(jī)高分子類(lèi)型固結(jié)材料可選用，如聚丙烯酸、聚醋酸乙烯酯、聚氨酯等。在坡面防護(hù)、防治水土流失方面，由于具有摻入量少、運(yùn)輸及施工方便、易于形成柔性固結(jié)層等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。重要解決途徑是將松散的砂土顆粒就地固結(jié)，防止顆粒在外力作用下進(jìn)一步運(yùn)移。通過(guò)有機(jī)大分子形成的超分子體簇團(tuán)與穿插其中的無(wú)機(jī)凝膠，有效封閉與強(qiáng)化土體。使其在水浸泡和碾壓的情況下，仍能維持一定承載力，大幅度減少車(chē)轍。土壤固結(jié)體生物相容性良好，易復(fù)原與復(fù)墾。

2.1.3 其他類(lèi)型固結(jié)材料

高性能聚氨酯砂土是一種施工便道用土壤固結(jié)材料，包括以下以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)的原料：高分子固結(jié)材料0.1～0.2份、水泥1～5份、石膏2～10份、粉煤灰0～10份、硅灰0～1份、工業(yè)廢渣0～10份、細(xì)骨料0～10份、消泡劑0.001份。

高強(qiáng)高耐水土體固結(jié)劑是經(jīng)多組分復(fù)合產(chǎn)生的超疊加效應(yīng)。在常溫下能夠直接膠結(jié)土體顆粒表面，并與土體產(chǎn)生較高強(qiáng)度和水穩(wěn)定性。當(dāng)使用高強(qiáng)高耐水土體固結(jié)劑替代水泥作膠凝材料時(shí)，其力學(xué)性能遠(yuǎn)高于使用525#水泥配制的混凝土，尤其是在劈裂與抗拉方面。

2.2 頂管管材

可用作頂管管道的材料有鋼筋混凝土管、樹(shù)脂混凝土管和球墨鑄鐵管。鋼筋混凝土管使用壽命為20年，單位重量大，抗酸堿性能差，防水性能差，但價(jià)格低。樹(shù)脂混凝土管使用壽命為50年，單位重量輕，抗酸堿性好，防水性能好，但價(jià)格高。球墨鑄鐵管則采用金屬鋅層，標(biāo)準(zhǔn)管道防腐；加筋水泥防護(hù)層，耐磨；環(huán)氧樹(shù)脂層，減阻。三種不同材質(zhì)的頂管如圖3所示。

圖3 頂管管材

此外，根據(jù)頂管直徑可以把頂管類(lèi)型分為DN300、DN400、DN500和DN600等多種類(lèi)型。

3 工程實(shí)例

本工程周邊環(huán)境復(fù)雜，施工場(chǎng)地狹小，且原有文物保護(hù)建筑的地坪還需要加固和保護(hù)，如圖4所示。但由于沒(méi)有施工場(chǎng)地，只能在周邊孔空?qǐng)龅貎?nèi)增設(shè)工作井，通過(guò)小管幕掘進(jìn)取土、置換等方式對(duì)原有建筑地坪進(jìn)行加固和保護(hù)。

圖4 工程實(shí)例某處重要地坪

本工程是在原有文物保護(hù)和優(yōu)秀歷史建筑下方增設(shè)地下室。工程中原有地坪需要妥善地保護(hù)。采用頂升及平移等常規(guī)工藝需要對(duì)花磚地坪和歷史臺(tái)階等，進(jìn)行預(yù)拆除保護(hù)，施工完成后再重新修繕安裝。

微型頂管所組成的管棚從地坪下方穿過(guò)，如圖5所示，將地坪荷載傳遞給兩側(cè)托換梁體系。對(duì)于無(wú)法切割，需要整體原位保護(hù)的文保建筑的地坪，擬采用微型管在地坪下方頂進(jìn)取土。該塊地坪共需14根φ250 mm×7 m、17根φ250 mm×5.45 m，如圖6所示。

圖5 管棚平面范圍示意圖

圖6 管棚法施工

該棟文物保護(hù)建筑基礎(chǔ)全部有損。首層地坪大部分有損，局部可采用管棚法原位保護(hù)或切割保存。重要地坪，采用管棚法原位保留，無(wú)法采取切割工藝時(shí)的特殊做法，如圖7所示。

圖7 文保建筑的含重要地坪原位保留要求的剖面圖

4 施工方案

首先，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙或者施工現(xiàn)場(chǎng)要求，選取合適的位置開(kāi)挖工作井，如圖8所示。工作井要根據(jù)土質(zhì)情況和業(yè)主要求采用合適的支護(hù)工藝進(jìn)行支護(hù)，確保施工安全。其次，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙將鋪設(shè)管道中線測(cè)放到工作井內(nèi)。隨后是安裝推進(jìn)設(shè)備。推進(jìn)設(shè)備主要是液壓油缸系統(tǒng)，要保證頂進(jìn)時(shí)頂進(jìn)力反作用面的牢固性。經(jīng)緯儀的安放要與設(shè)計(jì)中線保持一致。

圖8 開(kāi)挖工作井

4.1 施工流程

微型頂管施工的主要流程：制作工作井→定線測(cè)量→安裝推進(jìn)設(shè)備→前導(dǎo)管頂進(jìn)→抽換內(nèi)管→安裝擴(kuò)孔切削頭→管道頂進(jìn)→設(shè)備拆除→工作井回填。

前導(dǎo)管由內(nèi)管和外管構(gòu)成，最前端為導(dǎo)向鉆頭，通過(guò)導(dǎo)向鉆頭的斜面調(diào)整行進(jìn)方向。將前導(dǎo)管的內(nèi)管抽出并同時(shí)跟進(jìn)螺旋輸送管(圖9)。隨后，安裝擴(kuò)孔切削頭管道頂進(jìn)。管道鋪設(shè)完成拆除設(shè)備。安裝導(dǎo)向儀，隨后，在導(dǎo)向儀器定向定位下，頂進(jìn)前導(dǎo)管。

圖9 出土螺旋管組

先導(dǎo)管和導(dǎo)管的箭頭根據(jù)需要頂進(jìn)的管洞尺寸。比如，圖10中的先導(dǎo)管前端箭頭尺寸(外徑×有效長(zhǎng))為φ89 mm×550 mm；圖11中的先導(dǎo)管中端連接段尺寸外徑×有效長(zhǎng)(L)為φ89 mm×750 mm。當(dāng)然還有更大的尺寸，比如外徑×有效長(zhǎng)(L)為φ216 m×800 mm。

圖10 先導(dǎo)管前端箭頭

圖11 先導(dǎo)管中端黑色接管

4.2 具體施工步驟

4.2.1 測(cè)量放線、管線復(fù)探

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，確定頂管軸線。對(duì)公共管線進(jìn)一步復(fù)探，確定安全后方能開(kāi)始頂管施工。如果無(wú)法避讓管線需更改頂進(jìn)深度時(shí)，必須報(bào)業(yè)主、設(shè)計(jì)審批后方能施工。

4.2.2 推進(jìn)機(jī)臺(tái)、機(jī)臺(tái)底座、激光經(jīng)緯儀安裝

根據(jù)設(shè)計(jì)軸線將頂管機(jī)、推進(jìn)機(jī)臺(tái)、機(jī)臺(tái)底座安裝就位，頂管機(jī)中心線與設(shè)計(jì)軸線重合，并調(diào)整頂進(jìn)坡度，符合設(shè)計(jì)要求；安裝激光經(jīng)緯儀及導(dǎo)向系統(tǒng)。安裝完導(dǎo)向儀后，安裝經(jīng)緯儀對(duì)準(zhǔn)頂進(jìn)方向。整個(gè)流程如圖12所示。

4.2.3 先導(dǎo)管施工

經(jīng)緯儀根據(jù)管線中心、高程架設(shè)完畢后，依據(jù)設(shè)計(jì)坡度調(diào)整坡比，儀器設(shè)定好后開(kāi)始先導(dǎo)管頂進(jìn)施工[圖12(a)]。

4.2.4 先導(dǎo)管內(nèi)安裝絞龍

先導(dǎo)管施工完成后在管內(nèi)安裝絞龍，并安裝出土螺旋管，用于將切削下來(lái)的土運(yùn)送至接受井[圖12(e)]。螺旋出土管組，外徑與有效長(zhǎng)度為∮216 mm×800 mm(L)。

圖12 主要操作流程

4.2.5 安裝出土機(jī)頭

出土機(jī)頭為土壓平衡式切削頭，切削土進(jìn)入泥土室后通過(guò)出土管絞龍運(yùn)至接收井。切消機(jī)頭有三種，分別為：∮500 切削機(jī)頭，外徑∮690 mm×905 mm(L)，重量582 kg；∮400切削機(jī)頭，外徑∮560 mm×922 mm(L)，重量480 kg?！?00切削機(jī)頭，外徑∮455 mm× 922 mm(L)，重量380 kg。

4.2.6 管身頂進(jìn)

具備鉆進(jìn)力自平衡功能的鉆頭鋼管一體化成樁設(shè)備(水平頂管機(jī))，在鉆至設(shè)計(jì)孔深后，可將鉆頭從鋼管中回收。之后再灌注樁身混凝土，形成鋼管混凝土樁。

4.2.7 設(shè)備拆除與質(zhì)量驗(yàn)收

頂管施工結(jié)束后，拆除頂管機(jī)。軸線采用CCTV檢測(cè)設(shè)備進(jìn)入施工完畢的管道內(nèi)，觀測(cè)管道接口、管材質(zhì)量、坡度等質(zhì)量情況。驗(yàn)收的內(nèi)容主要包括管徑、缺陷距離、缺陷等級(jí)。同時(shí)需要記錄監(jiān)測(cè)方向、管道長(zhǎng)度，并對(duì)缺陷進(jìn)行描述和拍照(圖13)。

圖13 管道內(nèi)部檢查

4.3 場(chǎng)布

微型管幕頂進(jìn)還需要機(jī)械的后場(chǎng)場(chǎng)布。主要包括龍門(mén)架、水箱、發(fā)電機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、配電間與注漿泵等(圖14)。此外，施工管幕時(shí)，需要做好安全防護(hù)措施(圖15)。頂進(jìn)時(shí)對(duì)周邊環(huán)境的影響要降到最小。完成的管幕，需要進(jìn)行內(nèi)部檢查。

圖14 現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械安排

圖15 工作井井口的安全圍護(hù)

5 結(jié)束語(yǔ)

小管幕技術(shù)不僅可用于文物保護(hù)建筑的地坪保護(hù)，也可作為一種微擾動(dòng)技術(shù)，運(yùn)用到其他微創(chuàng)施工項(xiàng)目中，同樣也適合管線更新和給排水等工程，在管線搬遷和非明挖條件下新建排污水管等管線和管道的工程中也值得推廣。