復(fù)雜地質(zhì)下水廠進(jìn)水管掘進(jìn)方式研究

曾源新

（廣東省基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 廣州 510700）

0 引言

隨著國(guó)家推進(jìn)環(huán)保，各城市開(kāi)始新建或擴(kuò)建城市污水處理廠，國(guó)內(nèi)建設(shè)的污水處理廠多以半地下室或者全埋式為主，污水處理廠配套建設(shè)的進(jìn)場(chǎng)管道則相對(duì)較深，采用暗埋施工是一種必然選擇。進(jìn)場(chǎng)管道施工需要解決長(zhǎng)距離的暗埋管段施工和與現(xiàn)有市政污水管井的接駁處理，而暗埋管道多采用機(jī)械頂管和人工掘進(jìn)。地下施工需要根據(jù)不同地質(zhì)、水文、現(xiàn)有管線情況、地下構(gòu)建筑物的保護(hù)要求進(jìn)行組織施工，本文以位于深圳市寶安區(qū)出?？谔帍?fù)雜環(huán)境下的某污水處理廠項(xiàng)目進(jìn)場(chǎng)管線頂管工程施工過(guò)程為依據(jù)，進(jìn)行案例分析。

1 水廠進(jìn)場(chǎng)管工程概況

深圳某水廠項(xiàng)目設(shè)計(jì)污水處理能力22.5 萬(wàn)m3/d，采用半地下式+上蓋公園結(jié)構(gòu)。該項(xiàng)目位于深圳市寶安區(qū)福海街道［1］，南側(cè)為福永河，緊鄰出?？冢眰?cè)為現(xiàn)有的某污水處理廠一期工程。該污水處理廠的進(jìn)水管采用地下暗埋管道接駁市政污水主管網(wǎng)，由于接駁井位于現(xiàn)狀一期水廠，管道穿過(guò)現(xiàn)有現(xiàn)狀一期處理廠場(chǎng)內(nèi)道路，接入預(yù)沉砂池池體。

污水處理廠的進(jìn)水管設(shè)計(jì)采用DN2000承插式的鋼筋混凝土管，管道底埋深12 m，縱向坡度1.3%，長(zhǎng)度（10+150+115+22）m，設(shè)置2 個(gè)始發(fā)井+1 個(gè)接收井，最大區(qū)段長(zhǎng)150 m。場(chǎng)地地面高程4.0 m，平均潮水位2.14 m，地下水位伴隨潮汐變化，主要地質(zhì)為粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂層、腐植土、含貝殼沙礫層，其中10 m+22 m采用人工掘進(jìn)頂進(jìn)，（150+115）m采用機(jī)械頂管施工，如圖1所示。

2 人工掘進(jìn)接駁施工

2.1 人工掘進(jìn)段概況

本工程中1#頂管工作井與0#現(xiàn)狀接駁井的長(zhǎng)度約10 m，3#頂管工作井至進(jìn)水泵房長(zhǎng)度為22 m，該區(qū)段采用攪拌樁地基加固、人工掘進(jìn)、并對(duì)接駁口采用水下靜爆開(kāi)口施工工藝、以及氣囊配合堵水堵漏，如圖1所示。

2.2 攪拌樁地基加固施工工藝

對(duì)10 m長(zhǎng)度管道進(jìn)行地基加固，以管道軸線為中心，水平方向兩側(cè)1.5 m 寬度范圍，采用?600 cm 單軸水泥攪拌樁進(jìn)行施工。在地基加固攪拌樁施工前，依據(jù)工程地質(zhì)勘查資料和設(shè)計(jì)要求，選擇最佳水泥摻入比，確定攪拌工藝，確保攪拌深度至管底高程以下0.5 m［2］。

2.3 人工掘進(jìn)頂進(jìn)施工工藝

從1#始發(fā)井往0#現(xiàn)狀接駁井，由人工采用電鉆機(jī)和水鉆機(jī)掘進(jìn)土壤，采用2 臺(tái)Z1Z-FF02-250 型水鉆機(jī)（其單次鉆孔深度1.0 m）及稿楸掘土，在尾部采用兩臺(tái)100 t 油缸及油缸導(dǎo)軌架進(jìn)行頂進(jìn)管節(jié)，循環(huán)往復(fù)掘進(jìn)完成10 m管道施工至0#接駁井壁［3］。

2.4 0#現(xiàn)狀接駁井井壁靜爆開(kāi)口及氣囊堵水

0#現(xiàn)狀接駁井井壁開(kāi)口采用市政工程設(shè)施常用到的雙氣囊堵漏工藝，如圖2所示，首先將氣囊堵住往1#井方向的管道，對(duì)氣囊進(jìn)行充氣及監(jiān)測(cè)其氣囊壓力［4］，其次對(duì)0#現(xiàn)狀接駁井采用人工預(yù)剝離+靜爆開(kāi)口，以及配合氣囊堵水，具體如下：

圖2 氣囊堵漏Fig.2 Airbag Plugging

①在開(kāi)洞前安裝雙氣囊堵住前往1#始發(fā)井通往二期工程方向入口；②對(duì)40 cm 厚鋼筋混凝土井壁的現(xiàn)狀接駁井采用小型電鉆機(jī)進(jìn)行人工預(yù)剝離，剝離厚度15 cm，以及割除外層鋼筋網(wǎng)，預(yù)埋靜爆藥量及引線［5］；③對(duì)10 m 管段灌水后，進(jìn)行水下靜爆開(kāi)洞；④水下淘挖清理渣塊，在場(chǎng)區(qū)通水條件具備后打開(kāi)氣囊完成通水，其中3#井至預(yù)沉砂池的22 m 管段區(qū)段，由于其地質(zhì)均為粉質(zhì)粘土層，此處亦采用人工掘進(jìn)頂進(jìn)完成施工。

3 暗埋管段機(jī)械頂管應(yīng)用

3.1 暗埋段機(jī)械頂管段概況

暗埋段機(jī)械頂管段進(jìn)水管分為150 m 和115 m 兩段，本項(xiàng)目頂管設(shè)備選型根據(jù)進(jìn)場(chǎng)水管進(jìn)行頂管區(qū)段穿越土層的地質(zhì)水文情況、地下障礙物、施工條件和施工環(huán)境［6］，其中150 m 區(qū)段采用NPD2000 泥水平衡頂管施工，由1#始發(fā)井往2#接收井，考慮115 m 區(qū)段考慮平行貼近大基坑支護(hù)樁及錨索，采用帶滾刀刀盤(pán)巖石頂管機(jī)，由3#始發(fā)井往2#始發(fā)井組織施工。因150 m區(qū)段進(jìn)水管道穿越地層地質(zhì)為粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂層、腐植土、含貝殼沙礫層，考慮裝配土層施工刀盤(pán)。頂管配套設(shè)備6 臺(tái)200 t 行程2.0 m 主頂油缸及油缸支架、液壓泵站、一體式操控系統(tǒng)、配置70 cm 寬U 形頂鐵、米字形刀盤(pán)等。控制倉(cāng)室如圖3所示。

圖3 控制倉(cāng)室Fig.3 Control Room

3.2 泥水平衡土層刀盤(pán)頂管施工區(qū)段應(yīng)用

本項(xiàng)目因?yàn)槲挥诟Ｓ篮映龊？?，地質(zhì)中存在夾雜有大量貝殼的粉細(xì)砂層，在該地質(zhì)地層進(jìn)尺中，采用泥水平衡頂管施工工藝，其排渣采用?75 mm 排渣管和渦輪離心渣漿泵。在進(jìn)尺過(guò)程，大量的貝殼刀盤(pán)切割進(jìn)入泥漿平衡倉(cāng)，通過(guò)排渣管在渦輪離心泵吸力下排出，為避免夾渣貝殼的細(xì)砂堵住排渣管及損壞渣漿泵，采取連續(xù)不停拌制潤(rùn)滑泥漿注入刀盤(pán)前端，通過(guò)潤(rùn)滑泥漿增加排渣流動(dòng)性降低堵管的風(fēng)險(xiǎn)和排渣的壓力值，將潤(rùn)滑泥漿的調(diào)制比例較常規(guī)提高至150 kg/m3，調(diào)高注漿壓力至0.8 MPa［7］，加強(qiáng)渣漿的流動(dòng)潤(rùn)滑性，加快頂進(jìn)速度，保證連續(xù)排渣，同時(shí)備足混凝土管材和膨潤(rùn)土，備一套渣漿泵，通過(guò)晝夜連續(xù)頂進(jìn)，順利通過(guò)50 m 長(zhǎng)度的貝殼細(xì)砂層。施工過(guò)程保證足夠的渣土運(yùn)輸車(chē)輛和淘渣挖機(jī)晝夜聯(lián)系出渣外運(yùn)。

3.3 復(fù)雜地質(zhì)下泥水平衡頂管施工處理措施

本工程150 m 區(qū)段進(jìn)水管從1#始發(fā)井為起點(diǎn)，穿過(guò)現(xiàn)有一期污水廠，接入本污水處理廠場(chǎng)區(qū)預(yù)沉砂池，管道大部分位于一期廠區(qū)6 m寬的場(chǎng)區(qū)道路之下，地下埋設(shè)有一期的各類(lèi)綜合管道。為保證頂管過(guò)程不對(duì)現(xiàn)有道路及場(chǎng)區(qū)管線造成破壞，除加強(qiáng)場(chǎng)區(qū)構(gòu)筑物及地下管線的監(jiān)測(cè)外，針對(duì)在中間段100 m 長(zhǎng)度范圍內(nèi)富含水的粉細(xì)砂層頂進(jìn)進(jìn)尺施工，嚴(yán)格控制進(jìn)漿壓力和排渣壓力及排渣量，控制偏差在5%以內(nèi)，采取“強(qiáng)注漿少排渣快通過(guò)”，即加強(qiáng)注漿保證機(jī)頭艙內(nèi)壓力、不間斷注漿保證頂管機(jī)身外殼潤(rùn)滑、穩(wěn)定注漿壓力確保刀盤(pán)前部砂層土體穩(wěn)定，施工中盡量減少工藝停機(jī)時(shí)間避免機(jī)頭及管節(jié)被抱死而導(dǎo)致刀盤(pán)空轉(zhuǎn)［8］。在通過(guò)上部有現(xiàn)有管線區(qū)域時(shí)候，為避免管底下沉掏空致管道開(kāi)裂，采取頂進(jìn)過(guò)程中封鎖地面道路避免車(chē)輛荷載影響，同時(shí)在地面注水泥漿保護(hù)現(xiàn)有管道四周土體穩(wěn)定，保持控制住機(jī)頭倉(cāng)泥漿壓力和刀盤(pán)面壓力減少塌陷流失，連續(xù)頂進(jìn)快速通過(guò)砂層、開(kāi)挖管線進(jìn)行加固保護(hù)，做到“不停機(jī)、連續(xù)頂進(jìn)、連續(xù)注漿、穩(wěn)住機(jī)頭漿液壓力”。頂進(jìn)通過(guò)現(xiàn)有管線區(qū)域后，繼續(xù)通過(guò)地面鉆孔注漿保護(hù)土體穩(wěn)定，確保現(xiàn)有管線不下沉。

在通過(guò)150 m區(qū)段最后階段時(shí)正是處于粉質(zhì)黏土層中且存在少量強(qiáng)風(fēng)化孤石，粘土對(duì)機(jī)艙外壁的摩阻力最大，刀盤(pán)接觸土體粘合力和壓力最大，管節(jié)較長(zhǎng)管壁摩阻力亦大，頂管系統(tǒng)尾部千斤頂頂力最大，因?yàn)楣に嚬ば蛐枰谙鹿?、接長(zhǎng)電纜及注漿排渣管道的停止進(jìn)尺間隙致使刀盤(pán)及機(jī)頭被抱死、頂不動(dòng)、頂力過(guò)大，容易操作不當(dāng)致使頂進(jìn)設(shè)備油泵油缸油路發(fā)生故障而發(fā)生爆缸之類(lèi)機(jī)械事故，如果進(jìn)尺過(guò)程未及時(shí)連續(xù)對(duì)管壁注入膨潤(rùn)土泥漿將加劇管壁摩阻力增大［9］。

為解決這一困難，施工前加大地勘慎重選擇頂管機(jī)型和頂管方案，通過(guò)仔細(xì)調(diào)控膨潤(rùn)土泥漿，注入機(jī)頭和管節(jié)管壁，潤(rùn)滑外壁降低摩阻力，加強(qiáng)施工沉降和頂力監(jiān)測(cè)，同時(shí)刀盤(pán)在工藝停歇過(guò)程通過(guò)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)多次活動(dòng)，以減輕土體對(duì)刀盤(pán)的粘合力，并持續(xù)檢查壓漿系統(tǒng)管路和壓漿壓力保證持續(xù)注漿，最后在考慮本區(qū)段不長(zhǎng)，避免增加中繼間，采取通過(guò)電氣工程師調(diào)整機(jī)頭艙內(nèi)電機(jī)和變頻控制器，加大機(jī)頭電機(jī)輸送電流，推動(dòng)刀盤(pán)持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，促使頂管系統(tǒng)繼續(xù)頂進(jìn)，頂進(jìn)過(guò)程隨時(shí)檢查地面是否漏漿［10］。

3.4 泥水平衡巖石刀盤(pán)頂管機(jī)施工區(qū)段應(yīng)用

對(duì)115 m 區(qū)段采用巖石頂管機(jī)，該地質(zhì)為粉質(zhì)粘土層，夾雜較硬的強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，管道中心距離基坑支護(hù)樁距離6 m，從基坑錨索底部2 m 下穿過(guò)。考慮可能施工錨索存在角度偏差，為確保頂管機(jī)順利通過(guò)，對(duì)巖石頂管機(jī)刀盤(pán)安裝滾刀。

為避免頂進(jìn)過(guò)程，前端機(jī)頭對(duì)土體頂力過(guò)大擠壓大基坑壁，頂進(jìn)過(guò)程頂力控制保持在2.5 MPa 上下。掘進(jìn)過(guò)程，監(jiān)測(cè)機(jī)頭前進(jìn)位置，觀測(cè)基坑錨索鎖頭及索力，結(jié)合錨索的走向，以判斷是觸碰錨索，在觸碰正對(duì)基坑支護(hù)鋼絞線處，通過(guò)機(jī)頭原位停留，通過(guò)刀盤(pán)反復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)以將其絞斷，避免鋼絞線纏繞頂管機(jī)身造成機(jī)頭翻轉(zhuǎn)的危險(xiǎn)。帶滾刀巖石頂管機(jī)對(duì)于本地層施工適應(yīng)性極好，本區(qū)段施工整體較為順利。本區(qū)段出洞需要在150 m區(qū)段泥漿護(hù)壁頂管機(jī)出洞處理后再安排出洞，出洞前做足各項(xiàng)準(zhǔn)備工作。

3.5 頂管機(jī)出洞處理

在頂管工程最后出洞環(huán)節(jié)最為關(guān)鍵，為確保出洞洞口不發(fā)生漏水，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求對(duì)洞口進(jìn)行土體攪拌樁加固，對(duì)出洞洞口安裝洞門(mén)止水結(jié)構(gòu)，采用頂管接口膠圈密封材料及端面膠板，并選用硅橡膠作為主防水材料［6］。同時(shí)確保管節(jié)和密封材料合格且不被損壞，絕對(duì)禁止接口錯(cuò)位。在出洞口前夕，通過(guò)水鉆提前將洞口一圈切出環(huán)扣，最后在頂管頂力作用下順利頂出，如圖4所示。

圖4 機(jī)頭出洞Fig.4 Head Out

頂進(jìn)過(guò)程針對(duì)施工完畢后出現(xiàn)的管材接口滲漏，分析判斷產(chǎn)生的原因應(yīng)當(dāng)為密封膠圈漏安裝或未正確安裝，通過(guò)小組會(huì)議決定采取用化學(xué)注漿進(jìn)行處理。并對(duì)后續(xù)頂管工程施工過(guò)程加強(qiáng)管材接口處理施工細(xì)節(jié)管控，一律要求管材承插前用粘結(jié)劑將橡膠密封圈固定在安裝管的槽內(nèi)，并涂抹潤(rùn)滑劑，承插時(shí)外力均勻不發(fā)生移位和反轉(zhuǎn)，承插后對(duì)雙道密封圈進(jìn)行單口打壓試驗(yàn)［11］。頂管完成后對(duì)管節(jié)拼縫進(jìn)行清洗、干燥、嵌縫，最終避免出現(xiàn)管節(jié)漏水問(wèn)題。

4 結(jié)論

根據(jù)在該污水處理廠工程進(jìn)場(chǎng)水管項(xiàng)目的施工總結(jié)，證明粉細(xì)砂層地質(zhì)在經(jīng)過(guò)攪拌樁加固后進(jìn)行人工掘進(jìn)是具有可行性且施工效率較為高效；本工程案例可以應(yīng)用在眾多新舊管道接駁施工中，其可在采用雙氣囊堵住現(xiàn)有接駁井通往新建管道情況下，采取接駁井進(jìn)行預(yù)剝離和水下靜爆方式開(kāi)洞施工方式；通過(guò)本工程頂管施工應(yīng)用在其他類(lèi)似工程亦可通過(guò)土層情況選擇土層刀盤(pán)或巖層刀盤(pán)，施工過(guò)程中重點(diǎn)調(diào)控好定力、轉(zhuǎn)速、排渣、潤(rùn)滑等施工參數(shù)，可以克服地質(zhì)多變復(fù)雜地層和地面地下構(gòu)筑物管線較多條件苛刻情形，案例證明充分根據(jù)不同頂進(jìn)施工方法的優(yōu)點(diǎn)特點(diǎn)，在分段分區(qū)域靈活采用不同掘進(jìn)頂進(jìn)方法，通過(guò)采用人工掘進(jìn)頂進(jìn)、泥水平衡頂管、帶滾刀巖石頂管機(jī)進(jìn)行分段布置交錯(cuò)施工，可以取得較好的質(zhì)量成本效益，取得良好的社會(huì)效應(yīng)。