超大直徑頂管施工遇障回退技術(shù)應(yīng)用

王冬兵，陳楓

（中交第二航務(wù)工程局有限公司第五工程分公司，湖北 武漢 430050）

0 引言

隨著我國(guó)城市現(xiàn)代化不斷發(fā)展，各類(lèi)工程管線的改擴(kuò)建需求不斷增加。受城市內(nèi)復(fù)雜施工環(huán)境的影響，常規(guī)明挖施工難以滿足要求，非開(kāi)挖管道施工技術(shù)逐漸引起重視。頂管施工技術(shù)因具有施工精度高、掘進(jìn)速度快、對(duì)地層擾動(dòng)小、施工安全度高、綜合成本低等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，尤其在繁華路段或下穿建構(gòu)筑物等施工中獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用也日益廣泛。

地下工程施工環(huán)境復(fù)雜多變、不確定因素較多，頂管施工過(guò)程中會(huì)遇到地下孤石、未探明管線、重要建筑物樁基等地下障礙物，給頂管施工帶來(lái)極大的困擾。因此，如何安全快速、經(jīng)濟(jì)有效地處理障礙問(wèn)題具有非常大的工程意義。

1 工程概況

某城市污水管道工程，線路橫穿市內(nèi)湖泊，采用頂管施工，管道為外徑4.8 m 的鋼筋混凝土管，單段頂管距離超過(guò)1 500 m，屬于超大直徑、超長(zhǎng)距離頂管。頂管段主要穿越淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、黏土、粉質(zhì)黏土及粉質(zhì)黏土夾粉土等地層，上覆土層厚度在7.5～8 m 左右。根據(jù)地質(zhì)條件，采用泥水平衡式頂管機(jī)施工。

在累計(jì)頂進(jìn)8 節(jié)管道（約20 m）時(shí)，發(fā)現(xiàn)頂力突變異常，總頂力達(dá)到1 350 t，遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)頂力，現(xiàn)場(chǎng)立即停止頂進(jìn)。在采取注水反沖、注減摩泥漿、刀盤(pán)面板高壓供水等措施后，頂力仍未降低。

通過(guò)鉆孔取芯、頂管機(jī)刀盤(pán)上開(kāi)孔檢查等，在地層中發(fā)現(xiàn)粒徑超過(guò)200 mm 的礫石塊。綜合分析，認(rèn)為大粒徑礫卵石堵孔，導(dǎo)致刀盤(pán)切削進(jìn)渣不暢，從而造成頂力超限，頂進(jìn)困難。

2 處置方案設(shè)計(jì)

2.1 處置方案比選

遇障處置技術(shù)分為避讓技術(shù)和清除技術(shù)。由于始發(fā)、接收井均已施作完成，管道改線并不具備可行性，故主要考慮清除技術(shù)。

清除技術(shù)分地面處理及地下處理技術(shù)，其中地面處理技術(shù)主要包括：豎井開(kāi)挖技術(shù)及鉆孔清除技術(shù)；地下處理技術(shù)有：慢速磨頂技術(shù)、開(kāi)倉(cāng)清除技術(shù)、套管技術(shù)、頂管回退（反頂退管）技術(shù)、頂管對(duì)接技術(shù)及鉆爆清除等[3]。

頂管遇障處場(chǎng)地較狹窄，無(wú)大規(guī)模開(kāi)挖作業(yè)條件，且后續(xù)剩余距離長(zhǎng)，大概率存在大粒徑孤石，常規(guī)的開(kāi)挖、局部清除障礙物措施不適用。

已頂進(jìn)距離較短，具備退管條件，且反頂退管施工成本低、環(huán)境影響小，安全風(fēng)險(xiǎn)較低，綜合比選下，決定采用頂管回退方式處置遇障問(wèn)題。

2.2 頂管回退施工總體方案

頂管回退系統(tǒng)主要包括反推裝置（反頂千斤頂）、傳力裝置（反力架）、傳力拉索（精軋螺紋鋼）及注漿回填系統(tǒng)（系統(tǒng)布置如圖1 所示）。

圖1 頂管回退系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of pipe jacking withdrawal system

退管時(shí)，4 臺(tái)千斤頂同步反推反力架，反力架通過(guò)螺紋鋼組帶動(dòng)頂管機(jī)及管道同步回退。同時(shí)，向頂管機(jī)前方泵送回填料，對(duì)退管空腔進(jìn)行回填，防止管道上方土體出現(xiàn)沉降，導(dǎo)致地面發(fā)生塌陷。

待頂管機(jī)機(jī)頭退至洞口時(shí)，采用鋼板樁對(duì)洞口進(jìn)行封閉，確保洞口封堵嚴(yán)密后，方可完全退出、更換新頂管機(jī)（整體施工工藝流程圖見(jiàn)圖2）。

圖2 頂管回退施工工藝流程圖Fig.2 Process flow chart of pipe jacking withdrawal construction

2.3 退管頂力分析計(jì)算

退管過(guò)程中，頂管機(jī)和管節(jié)主要受周邊土體摩擦阻力及前端注土壓力的作用[5]，反頂退管所需總頂力計(jì)算如下：

式中：F 為反頂力設(shè)計(jì)值；D 為管道外徑，取4.8 m；L 為退管總長(zhǎng)度（含頂管機(jī)長(zhǎng)度）；fk為管道外壁與土的平均摩阻力；F0為頂管機(jī)的機(jī)頭面板受到注土壓力，按最不利情況考慮，推力取0。

針對(duì)不同退管條件，分階段進(jìn)行摩擦阻力分析。初始階段（松管過(guò)程），停滯較長(zhǎng)時(shí)間，使管道外泥漿發(fā)生固結(jié)，退管阻力最大，取25 kN/m2；整體退管時(shí)，管道外周注入新鮮泥漿，形成泥漿套，摩擦阻力降低，取10 kN/m2。

計(jì)算可知，松管階段最大反頂力為2 826 kN，整體退管階段最大反頂力為3 466 kN。

2.4 反頂退管附屬結(jié)構(gòu)及設(shè)施

反頂退管設(shè)施主要包括反頂后背墻、反頂千斤頂、反力架（反頂鋼梁）及精軋螺紋鋼組等[4-5]。其具體布置如圖3 所示。

圖3 頂管回退施工設(shè)施布置Fig.3 Facilities layout of pipe jacking withdrawal construction

1）反頂后背墻

后背墻采用C30 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其表面預(yù)埋3 cm 厚鋼板作為鋼靠背，為保證受力均勻，鋼墊板安裝平整度應(yīng)滿足：垂直方向≤5 mm，水平方向≤1 mm。

2）反力架

反力架采用雙拼H900×400×20×26 型鋼加工而成，長(zhǎng)8m，在螺紋鋼連接處預(yù)留DN45 孔洞，內(nèi)外層均采用綴板補(bǔ)強(qiáng)加固（反力架結(jié)構(gòu)如圖4所示）。

圖4 反力架結(jié)構(gòu)示意圖（mm）Fig.4 Schematic diagram of reaction frame structure（mm）

3）精軋螺紋鋼

退管拉索采用φ40 mm 的PSB830 型精軋螺紋鋼，極限拉力為129 t（設(shè)計(jì)拉力按90 t 考慮），共8 根，可提供720 t 拉力，滿足退管拉力要求。

精軋螺紋鋼組對(duì)稱布置在管道內(nèi)兩側(cè)，兩端分別與頂管機(jī)機(jī)頭及反力架連接，采用螺栓錨固（精軋螺紋鋼組安裝見(jiàn)圖5）。為防止螺紋鋼過(guò)長(zhǎng)，在自重作用下彎曲，影響傳力效果，在螺紋鋼下每隔6 m 設(shè)置一處臨時(shí)托架。

圖5 精軋螺紋鋼組安裝Fig.5 Installation diagram of fine rolled rebar group

4）反頂千斤頂

采用STG-H280×3 500 mm 型千斤頂，其最大頂力為200 t?？紤]到地下環(huán)境的復(fù)雜性，適當(dāng)考慮性能富余量，共配置4 臺(tái)反頂千斤頂，最大提供8 000 kN 的退管頂力。

3 方案具體實(shí)施及效果

3.1 分段松管

退管初始階段阻力大，整體退管難度大，對(duì)材料設(shè)備要求高，施工風(fēng)險(xiǎn)大。通過(guò)逐段松管、注漿減阻等方法，可有效將退管阻力化整為零，解決初期泥漿固結(jié)造成阻力過(guò)大的問(wèn)題。

松管前，在特殊管節(jié)的糾偏油缸倉(cāng)內(nèi)設(shè)置小型千斤頂，每個(gè)斷面均勻?qū)ΨQ布置6 臺(tái)千斤頂，用于反推松管。

按從沉井端向機(jī)頭端方向逐段松管。具體如圖6 分段松管布置圖所示。

圖6 分段松管布置Fig.6 Layout of segmented loosening pipes

具體過(guò)程如下：先啟動(dòng)6 號(hào)管節(jié)內(nèi)松管千斤頂，反向推動(dòng)6 號(hào)、7 號(hào)管節(jié)向洞口移動(dòng)，使6號(hào)管節(jié)與5 號(hào)管節(jié)分離。為防止管節(jié)間發(fā)生滲漏，管節(jié)脫開(kāi)距離不得超過(guò)接口鋼圈寬度，故單次松管間距按5～7 cm 控制。按同樣步驟，依次完成4號(hào)、2 號(hào)管節(jié)的松管工作。最后，剩余1 號(hào)管節(jié)及機(jī)頭則通過(guò)螺紋鋼組拉動(dòng)松管。

在松管的同時(shí)，不斷向管道外壁注入新鮮泥漿，為后續(xù)整體退管創(chuàng)造條件。

3.2 整體退管

整體退管前，需進(jìn)行試?yán)囼?yàn)。試?yán)瓡r(shí)，按總設(shè)計(jì)頂力的20%（約180 kN）逐級(jí)加壓。當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)頂力后，管道仍未拖動(dòng)時(shí)，立即停止退管，查明原因。必要時(shí)，可多次重復(fù)分段松管過(guò)程，通過(guò)分節(jié)段、小行程松管，達(dá)到逐段退管的目的，直至能正常整體退管。

退管過(guò)程中，嚴(yán)格控制好退管速率，速度控制在0.5 m/h 以內(nèi)，每次退管長(zhǎng)度不超過(guò)30 cm，并同步向頂管機(jī)前方泵送回填料。

為保證兩側(cè)千斤頂同步頂進(jìn)，在反力架兩側(cè)設(shè)置行程監(jiān)測(cè)點(diǎn)，實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)（見(jiàn)圖7），要求兩側(cè)千斤頂行程差不超過(guò)30 mm。同時(shí)，也可以通過(guò)千斤頂?shù)膲毫Σ顏?lái)輔助判斷其同步性。

圖7 行程監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.7 Layout of route measurement monitoring points

3.3 同步注漿回填

管道回拉時(shí)，端部若形成空腔，可能引起周邊土體坍塌，導(dǎo)致地面發(fā)生沉降。為保證施工安全，需同步向空腔內(nèi)注回填料填充，保證地層的穩(wěn)定性。

1）回填料制備

用于填充空腔的回填料，要求其流動(dòng)性好，具有一定承載性，且有利于后期頂管切削破碎。

針對(duì)這些要求，進(jìn)行配比試驗(yàn)，按粉煤灰∶水泥∶水=150∶7.5∶50 的比例進(jìn)行調(diào)配。

回填料攪拌成型后，較為黏稠，呈“果凍狀”，有較好的流動(dòng)性，其初凝時(shí)間為5 h，終凝時(shí)間為12 h。終凝后，整體抗壓強(qiáng)度較高，強(qiáng)度達(dá)到1 MPa，按壓困難。但抗剪切能力較弱，手捻易碎，較好滿足耐壓不耐剪切的要求。

2）混合料回填

混合料通過(guò)泵送進(jìn)行回填，邊退管、邊注回填料，泵送壓力控制在0.2 MPa 左右，注漿與退管需保持同步。注漿壓力可根據(jù)退管速度進(jìn)行調(diào)整，但不低于前方土壓力。

注漿回填過(guò)程中，采取單位注漿量及注漿壓力雙重指標(biāo)控制。以注漿量控制為主，嚴(yán)格控制回填料注入量，確保退管空間全部填充密實(shí)；壓力控制為輔，泵送注漿過(guò)程要保持壓力穩(wěn)定，以保持頂管機(jī)前方水土壓力穩(wěn)定。

此外，退管速度與注漿壓力、速率及混合料的初凝時(shí)間等相匹配。每回退一節(jié)管道（2.5 m）后，停滯12 h，待混合料達(dá)到終凝后，方可繼續(xù)回退剩余管節(jié)。

3.4 退管過(guò)程止退措施

隨著管道的逐節(jié)退出，管外壁總摩阻力逐漸變小，當(dāng)管外壁摩阻力小于頂管機(jī)正面主動(dòng)土壓力時(shí)，為防止管道在前方土壓力作用下被推出洞口，造成地面沉降，必須采取止退措施，止退裝置如圖8 所示。

圖8 止退裝置示意圖Fig.8 Schematic diagram of backstop device

阻退措施主要包括：1）退管過(guò)程中，通過(guò)正頂千斤頂在頂住管道后方，并隨管道的退出逐步回縮油缸，從而限制管道移動(dòng)速度及范圍；2）吊管階段，將鋼銷(xiāo)插入管節(jié)吊裝孔內(nèi)，同時(shí)利用阻退三腳架進(jìn)行固定，以起到止退效果。

3.5 洞口封閉

頂管機(jī)完全退出前，需對(duì)洞口進(jìn)行封閉，防止洞內(nèi)水土涌出洞口，造成洞口坍塌。為方便復(fù)頂時(shí)拆卸，采用鋼板樁進(jìn)行洞口封閉（見(jiàn)圖9）。

圖9 鋼板樁施工示意圖Fig.9 Schematic diagram of steel sheet pile construction

鋼板樁設(shè)置在沉井壁與止水帷幕樁之間，鋼板樁施作寬度為6 m，兩側(cè)與井壁合圍封閉。為保證良好的封閉效果，鋼板樁樁底插入管底下1 m以上。

3.6 退管過(guò)程安全分析與監(jiān)測(cè)

3.6.1 地表沉降分析

退管施工過(guò)程主要風(fēng)險(xiǎn)是退管造成地面沉降過(guò)大，引發(fā)的地面及周邊結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)。除退管施工本身，地面臨時(shí)存管及鋼板樁施工對(duì)地面產(chǎn)生的額外荷載，也會(huì)影響地表的穩(wěn)定性。

采用Midas GTS 建立三維計(jì)算模型，對(duì)不同工況下地表沉降變形進(jìn)行模擬分析，分析結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10 不同工況沉降變形云圖Fig.10 Settlement deformation cloud map under different working conditions

通過(guò)模擬結(jié)果可知，無(wú)荷載時(shí)，退管過(guò)程最大沉降值約為1.58 cm；受管節(jié)堆放荷載或機(jī)械荷載作用時(shí)，地表最大沉降約為1.8 cm。3 種工況下，地表沉降均處于安全范圍內(nèi)，表明地面臨時(shí)荷載對(duì)退管安全影響較為有限。

3.6.2 地表沉降控制措施

為控制地面沉降，可采取以下保護(hù)措施：

1）加強(qiáng)泵送設(shè)備維護(hù)，確保填料泵送及時(shí)，防止出現(xiàn)注土壓力不足引起的土體塌陷；

2）控制回退速度，在地面沉降較大時(shí)，降低退管速度（50 cm/d），并根據(jù)每天測(cè)量參數(shù)不斷調(diào)整相關(guān)施工參數(shù)[6-7]；

3）重視同步注土回填，最大限度消除機(jī)頭產(chǎn)生的帶土損失；

4）控制好減摩泥漿的注漿壓力及注漿量，有效降低摩阻的同時(shí)，避免引起地面隆起等情況。

3.6.3 施工監(jiān)測(cè)及分析

施工中加強(qiáng)沉降監(jiān)測(cè)是工作的重點(diǎn)，監(jiān)測(cè)要及時(shí)準(zhǔn)確，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行退管參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，做到信息化施工。

退管過(guò)程主要對(duì)退管區(qū)地面及兩側(cè)門(mén)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。專人嚴(yán)格按測(cè)量方案進(jìn)行測(cè)量監(jiān)控，對(duì)各沉降情況進(jìn)行詳細(xì)記錄和動(dòng)態(tài)分析。

地表沉降變化速率按5 mm/d，累計(jì)沉降按30 mm（門(mén)機(jī)基礎(chǔ)按20 mm）進(jìn)行控制[8]，分級(jí)設(shè)置警戒閾值。當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，及時(shí)調(diào)整施工方案，采取地表加固等措施進(jìn)一步控制土體位移，減小施工對(duì)周?chē)h(huán)境的影響。

根據(jù)施工階段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，地表最大變化速率為3 mm/d，累計(jì)最大沉降為22 mm（地表），退管施工過(guò)程整體處于安全狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

超大直徑超長(zhǎng)距離頂管施工遇障情況下，通過(guò)多方案比選，選擇頂管回退工藝進(jìn)行處理。采取“逐段松管，整體退管，同步注漿”等多重手段，確保頂管機(jī)及管道安全高效退出，且后續(xù)復(fù)頂較為成功。從整體效果來(lái)看，頂管回退施工為項(xiàng)目節(jié)約了大量工期及成本，且其施工安全性、效率已得到充分證明。

基于本次遇障處理過(guò)程分析總結(jié)，在頂管施工前應(yīng)加強(qiáng)地質(zhì)復(fù)勘等工作，充分掌握地質(zhì)條件；其次，頂管機(jī)選型時(shí)，需考慮足夠的安全儲(chǔ)備系數(shù)，尤其是針對(duì)長(zhǎng)大距離頂管，設(shè)備二次選型、更換成本過(guò)高，容易給工程帶來(lái)不可挽回的損失；此外頂管施工遇障后，應(yīng)結(jié)合具體環(huán)境及作業(yè)條件，合理制定處置措施，且充分考慮對(duì)后續(xù)施工的影響。