城市污水管道非開挖頂管施工技術(shù)研究

黃凱宇，史仁方

（常州市新北區(qū)奔牛鎮(zhèn)人民政府，江蘇 常州 213139）

城市污水管道建設(shè)是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，是關(guān)系到居民生活的福祉工程，由于城市建設(shè)的迅速發(fā)展，許多原有的污水管道滿足不了現(xiàn)有城市居民生活的需求，需要新建、改建和擴(kuò)建。然而，現(xiàn)代城市交通繁忙、人口密集、地面建筑物眾多、地下管線復(fù)雜，施工環(huán)境往往受到一定的限制。傳統(tǒng)施工工藝施工周期長(zhǎng)、污染大，存在一定的社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)，采用頂管施工就顯示出無(wú)比的優(yōu)越性[1]。它是眾多管道埋設(shè)施工技術(shù)中的一種，由于它不開挖或少開挖的施工方式，徹底解決了管道埋設(shè)施工中對(duì)道路交通擁堵和城市建筑物破壞的問題，在穩(wěn)定土層、保護(hù)環(huán)境方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)可以節(jié)省大量的征地拆遷費(fèi)用，減輕環(huán)境污染，避免交通道路擁堵，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[2-3]。

本文依托運(yùn)南路污水管跨老孟河頂管施工項(xiàng)目，結(jié)合工程現(xiàn)狀選擇從橋臺(tái)樁基間隙中進(jìn)行頂管施工，采用Plaxis有限元分析軟件對(duì)頂管施工過程中的樁土效應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了施工過程中對(duì)鄰近橋臺(tái)樁基變形和內(nèi)力的影響，表明了頂管施工方案具有可行性。

1 技術(shù)要點(diǎn)

1.1 前期準(zhǔn)備

良好的設(shè)計(jì)施工交流是工程順利進(jìn)行的重要保障。進(jìn)行頂管施工前應(yīng)熟悉施工圖紙，對(duì)相應(yīng)的圖紙進(jìn)行審查，掌握設(shè)計(jì)圖紙的意圖以及施工要求，并進(jìn)行設(shè)計(jì)交底。本項(xiàng)目在實(shí)施調(diào)研之后更換了原有的設(shè)計(jì)線路，采取了更為合理的頂管施工方案。

合理的統(tǒng)籌安排，可以令施工事半功倍。提前規(guī)劃好施工時(shí)的交通組織、大的臨時(shí)構(gòu)筑物的搭建、落實(shí)施工設(shè)備和材料，節(jié)約施工時(shí)間。本項(xiàng)目在施工期間封閉北半幅橋梁，保留南半幅10 m寬路面通行，封閉長(zhǎng)度80 m，兩頭設(shè)置交通引導(dǎo)標(biāo)志。

周全的施工組織，是工程安全質(zhì)量的保證。編制施工組織設(shè)計(jì)，做好人員機(jī)械的安排以及相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。

1.2 頂管工作井、接收井施工

工作井和接收井周圍的圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，結(jié)合結(jié)構(gòu)受力及施工要求等合理選型。當(dāng)工作井埋置深度較淺、地下水位較低時(shí)，工程中大多選用鋼板樁或者SMW工法進(jìn)行施工。當(dāng)頂管埋置的位置較深時(shí)，工作井大多采用沉井或者地下連續(xù)墻的形式。當(dāng)場(chǎng)地狹窄，施工不便，附近建筑物需要保護(hù)時(shí)，適宜選用鉆孔灌注樁或者地下連續(xù)墻。

此外，接收井的最小長(zhǎng)度和寬度還應(yīng)該滿足頂管機(jī)在井內(nèi)進(jìn)行拆除和吊出作業(yè)的要求。工作井、接收井的穿墻孔應(yīng)設(shè)置止水裝置以防止?jié)B水、漏水等隱患。止水裝置可以采用盤根止水、橡膠板止水和組合形式止水，在長(zhǎng)距離頂管或承壓水土層中宜采用多道或組合式止水，在頂管施工作業(yè)結(jié)束時(shí)，對(duì)管道與穿墻孔之間的間隙應(yīng)進(jìn)行及時(shí)的二次封堵。

1.3 頂管施工過程

地表變形與多種因素有關(guān)，其中頂管機(jī)的選擇和開挖面的穩(wěn)定性控制是影響地表變形的重要因素。

千斤頂?shù)囊?guī)格和數(shù)量應(yīng)根據(jù)工作井的容許頂力和管段的容許頂力確定；安裝在支架上的千斤頂應(yīng)對(duì)稱布置在管道軸線兩側(cè)，規(guī)格相同，其合力作用點(diǎn)應(yīng)保持在管道中心的鉛垂線上。

頂鐵應(yīng)具有高剛度、穩(wěn)定性好的結(jié)構(gòu)性能，與噴嘴的接觸面應(yīng)墊有緩沖材料。

頂管測(cè)量應(yīng)包括二次測(cè)量地面控制點(diǎn)和布設(shè)地面控制網(wǎng)、聯(lián)系測(cè)量、地下平面和高程測(cè)量以及竣工測(cè)量。井上和地下定向平面測(cè)量點(diǎn)應(yīng)采用固定觀測(cè)墩的形式。頂管每前進(jìn)100 m需要復(fù)查一次定向和導(dǎo)入高程測(cè)量，特別是在進(jìn)入隧道前50 m時(shí)，至少增加3次復(fù)查測(cè)量[4]。每100 m高程控制點(diǎn)直至控制掘進(jìn)的導(dǎo)線點(diǎn)和高程點(diǎn)，在距貫通面50 m時(shí)應(yīng)從首級(jí)控制點(diǎn)開始至少測(cè)量3次，分析數(shù)據(jù)后，決定是否加測(cè)從首級(jí)控制點(diǎn)檢查井下的起始定向邊[5]。長(zhǎng)距離頂管和曲線頂管應(yīng)采用自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。

管道糾偏的測(cè)量依據(jù)為頂管機(jī)端部平面的中心偏差。但是，由于測(cè)點(diǎn)無(wú)法進(jìn)入頂管機(jī)機(jī)頭，因此無(wú)法測(cè)量管端偏差，因此必須從測(cè)點(diǎn)計(jì)算管端偏差，作為校正的依據(jù)。通常狀況下，頂管有偏差是正常的。

采用網(wǎng)格形式泥水平衡頂管要進(jìn)行泥水排放，并且通過管道運(yùn)輸。土壓平衡頂管采用泥水轉(zhuǎn)化管道輸送，或污泥泵或輸送小車排放。具有一定含水量的粘土和粉質(zhì)粘土可采用泥漿泵輸送。長(zhǎng)距離頂管可采用接力泵開挖。如果條件允許，也可以用電動(dòng)泵代替泥漿泵。用泥漿水排泥時(shí)，應(yīng)設(shè)置泥漿沉淀池。

2 項(xiàng)目概述

2.1 工程概況

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的污水管道線路經(jīng)過一座1990年修建的跨徑為25 m的剛架拱橋，原橋采用樁基礎(chǔ)橋臺(tái)。2000年由于原橋不能滿足交通現(xiàn)狀，拆除后新建一座空心板梁橋，橋梁跨度為30.5 m（10 m+12 m+8.5 m），橋臺(tái)利用原拱橋橋臺(tái)基礎(chǔ)，橋墩為鋼筋混凝土灌注樁基礎(chǔ)。初始設(shè)計(jì)管道路線需從橋外繞行，但是受制于橋兩側(cè)全部都是居民住房，拆遷代價(jià)大，施工周期長(zhǎng)，社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)巨大，后經(jīng)反復(fù)調(diào)研，重新設(shè)計(jì)利用橋樁之間的空間實(shí)施頂管施工，如圖1所示。綜合考慮，只有W2與W3、E2與E3之間可供管道穿過，該位置孔道狹窄，又與樁基相鄰，給施工帶來了一定的難度。

圖1 頂管線路示意圖

2.2 計(jì)算原理

本次數(shù)值模擬選擇了Plaxis有限元分析軟件。該軟件考慮了土與結(jié)構(gòu)的相互作用關(guān)系，采用Mohr－Coulomb土體本構(gòu)模型模擬土的非線性、時(shí)間相關(guān)性和各向異性。采用獨(dú)特的方法計(jì)算靜水孔隙壓力和超靜孔隙壓力，因此可用于分析非飽和土的滲流問題。

2.3 計(jì)算模型

土體采用Mohr-Coulomb模型，計(jì)算中土體的重量、粘聚力與摩擦角、滲透系數(shù)由常州市東華巖土工程有限公司提供的《運(yùn)河路（S239省道-奔發(fā)路）污水管道工程巖土工程勘察報(bào)告》得出，彈性模量根據(jù)大量類似工程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反演計(jì)算得到。

選取典型工程剖面進(jìn)行計(jì)算，如圖2所示。計(jì)算模型采用15節(jié)點(diǎn)三角形單元模擬土體，鉆孔樁采用梁?jiǎn)卧M，頂管采用板殼單元模擬，如圖3所示。頂管底埋深11.0 m（以橋臺(tái)頂面起算，橋臺(tái)高6 m），橋臺(tái)樁長(zhǎng)20.0 m，典型土層參數(shù)見表1。

表1 典型土層參數(shù)

圖2 計(jì)算剖面關(guān)系圖

圖3 整體模型示意圖

2.4 頂管施工影響分析

由圖4（a）可知，橋臺(tái)周圍幾乎沒有受到頂管施工的影響，僅頂管周圍存在一定的擾動(dòng)，具體深度方向?yàn)闃蚺_(tái)向下9 m距離，橫向影響區(qū)域擴(kuò)散至相鄰樁體，如圖4（b）所示，總體最大位移為0.38 mm，隨著土層的深入，這種擾動(dòng)影響更是逐步減小，可以忽略不計(jì)。這表明在頂進(jìn)過程中，頂管施工對(duì)于橋臺(tái)周圍的土體擾動(dòng)較小，較好地保證了橋臺(tái)的穩(wěn)定性以及施工的安全性。

圖4 樁基總體位移云圖

圖5反映了頂管施工對(duì)于相鄰樁基的影響。圖5（a）為頂管施工過程中影響區(qū)域范圍內(nèi)的相鄰樁基位移影響，隨著土層的深入，相鄰樁基的水平位移呈現(xiàn)一個(gè)先增大后減小的趨勢(shì)，位移最大處在靠近頂管的中部，僅0.2 mm。該結(jié)果表明，在頂管頂進(jìn)過程中，頂管的頂推力作用與周圍土體的摩擦作用，會(huì)帶動(dòng)相鄰的樁基產(chǎn)生一定的水平位移，其中與頂管距離越近的部分產(chǎn)生的擾動(dòng)越大。頂管頂進(jìn)過程中，還會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的次內(nèi)力，即會(huì)有附加彎矩的存在，從而使得相鄰的樁基受力變得更為復(fù)雜。圖5（b）為頂管施工過程中影響區(qū)域范圍內(nèi)的相鄰樁基附加彎矩影響，在施工中產(chǎn)生的最大彎矩為56.1 kN·m，拉應(yīng)力區(qū)呈標(biāo)準(zhǔn)三角形分布，壓應(yīng)力區(qū)隨著土層的深入，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，對(duì)于周圍的樁基擾動(dòng)較小，施工也較為安全。施工結(jié)果表明，數(shù)值模擬結(jié)果科學(xué)合理，頂管施工方案順利地完成了施工要求，起到了較好效果。

圖5 相鄰樁基響應(yīng)

施工完成后對(duì)橋臺(tái)高程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)橋臺(tái)沒有沉降，達(dá)到了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合實(shí)際工程對(duì)城市污水管道非開挖頂管施工進(jìn)行了分析研究，在總結(jié)現(xiàn)有頂管施工技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過有限元軟件對(duì)下穿樁基的頂管施工進(jìn)行了分析研究，主要結(jié)論如下：

（1）本次有限元模擬較好地反映了頂管施工過程的真實(shí)情況以及對(duì)橋臺(tái)樁基的影響。管體下穿橋梁樁基時(shí)，最大擾動(dòng)區(qū)域在管徑周圍深度方向。

（2）整個(gè)頂管施工對(duì)橋臺(tái)的影響很小，可以忽略。

（3）頂管施工過程中引起的總位移僅0.38 mm，相鄰橋臺(tái)樁基的水平位移僅0.2 mm，附加彎矩僅56.1 kN·m，樁土作用效應(yīng)作用較小，對(duì)于相鄰樁基的擾動(dòng)與影響在容許的范圍之內(nèi)。