粉质黏土等地质层中顶管施工技术研究.pdf

江西建材工程技术与应用2322023年6 月粉质黏土等地质层中顶管施工技术研究洪毅专福建博业建设集团有限公司，福建 厦门 361000摘 要：为缓解市政给排水压力，需新增污水及补水管道，在不具备明挖条件情况下，顶管施工是最常用的施工方法。文中以沿海城市给排水工程为例，探讨在粉质黏土、残积砂质黏性土等力学强度一般的地质土层中顶管施工技术。关键词：市政工程；给排水；顶管施工中图分类号：TU992 文献标识码：B文章编号：1006-2890（2023）06-0232-03Research on Pipe Jacking Construction Technology in Geological Layers such as Silty ClayHong YizhuanFujian Boye Construction Group Co.Ltd.,Xiamen,Fujian 361000Abstract:In order to alleviate the pressure of municipal water supply and drainage,it is necessary to add new sewage and water supply pipelines.In the absence of open excavation conditions,pipe jacking construction is currently the most commonly used construction method.This article takes the water supply and drainage engineering of coastal cities as an example to explore the construction technology of pipe jacking in geological soil layers with average mechanical strength,such as silty clay and residual sandy cohesive soil.Key words:Municipal engineering;Water supply and drainage;Pipe jacking construction作者简介：洪毅专（1980-），男，福建厦门人，本科，工程师，主要研究方向为市政工程技术。1 工程概况1.1 项目概况本项目为污水主干管及补水干管工程建设，路径全长约7.349 km，新建污水压力管径为DN1200，重力管径Dl400，新建补水压力管径为DN1000-1400。其中，DN1200污水压力管道全长为5452 m，Dl400重力管道长度为501 m，DN1000补水压力管道全长为3406 m，DN1400补水压力管道全长为1880 m，管道总长为11.239 km。顶管施工共有5段，顶管管材分别采用DN1000、DN1200顶管专用球墨铸铁管（双管顶管、分次顶进），标准管节长度为4.06.0 m，采用 T型承插式接口。顶管土体采用二重管高压旋喷桩进行加固。1.2 工程地质情况在项目场地地质构造中，各岩土层的厚度、埋深和分布受该地区原地质构造的影响，在纵向和横向上变化较大，地层结构较复杂。经现场勘探，顶管顶进地层主要为粉质黏土、残积砂质黏性土、全风化花岗岩等1。（1）粉质黏土：属冲洪积成因。沿线部分钻孔有揭露，厚度为0.904.00 m，顶板埋深为0.808.80 m，顶板标高为4.5623.08 m。该层属中等压缩性土，力学强度一般。（2）残积砂质黏性土：沿线所有钻孔均有揭露，厚度为2.4020.60 m，顶板埋深为011.70 m，顶板标高为-7.5923.92 m。该层天然状态下力学强度一般-较高，但遇水易出现软化崩解，强度大幅度降低。（3）全风化花岗岩：沿线部分钻孔有揭露，厚度为1.709.90 m，顶板埋深为4.7022.40 m，顶板标高为14.5715.78 m。该层力学强度较高，压缩性较低，但与上述残积土呈渐变过渡关系，具有泡水易软化、崩解的特性。2 关键施工技术顶管施工流程为：测量放样管节制备后座墙设置地面辅助设施安装主顶系统安装顶管机头及管节吊装动力设置、调试顶进压浆与补浆顶进接收井泥浆置换撤出设备。2.1 测量放线顶管管线放线是保证顶管轴线正确的关键。放线一旦不准确，容易出现顶管轴线偏差、设备损坏，使得顶管停顿2，对工程进度和质量都有一定影响。本项目为保证顶管管线放线质量，在现场核实工作井的实际位置后，按设计要求放出。顶管施工按导线测量的方式构成自动引导测量系统配置，其测量方式为直伸支导线测量，使用自动全站仪。在工作井内的导线点（测站）上安置自动整平基座，井底经纬仪自动瞄准基点光靶，整个系统全自动化，并由计算机完成计算。2.2 主顶系统安装主顶系统装置用于完成管道的推进，整套系统由顶管掘进机头、千斤顶及支架、导轨、后座泵站和垫铁组成。2.2.1 导轨安装基坑导轨安装是一项重要工作，其安装质量直接影响到顶管机头能否成功进洞及顶进过程的顺利进行。因此，导轨需采用重型钢轨制作并安装牢固，不得在使用中产生移位，且两根导轨应顺直、平行，其纵坡与设计坡度一致。导轨安装精度应满足施工要求，其允许偏差为：轴线3 mm，两轨内距2 mm，顶江西建材工程技术与应用2332023年6 月面高程0+3 mm。2.2.2 千斤顶支架千斤顶支架用于支撑固定千斤顶，要求有足够的刚度和稳定性。支架由槽钢加工而成，固定在井底的预留横梁上。2.2.3 主顶千斤顶安装主顶千斤顶油缸应固定于牢固的的支架，对称布置在管道中心高度的外壁上，其合力的作用点在管道中心垂直线上。千斤顶油路并联，每台千斤顶应有进油和退油的控制系统。千斤顶在使用前，应进行试运转，缸体多次排气后，检查缸体是否伸缩自如，避免出现爬行现象。千斤顶活塞退回时，油压不得过大，速度不得过快。2.2.4 主顶泵站安装主顶泵站是为千斤顶供油以及回油的设备，泵站宜设置在千斤顶附近，靠近操作台，可自动化控制。2.3 顶管机头及管节吊装吊装设备根据机头重量和管节管材重量确定。吊车停靠位置作业前进行地基处理，必要时配备路基板。起吊阶段，构件起吊后与地面约成45 60 ，便于安装3。吊车将构件起吊至接近安装位置，缓慢落钩至接触停放点后停止落钩。安装人员采用撬棍、千斤顶对构件进行找正，然后吊车缓慢回钩，直至构件与承载面完全接触到位。待管节定位完毕并检验无误后，进行吊车摘钩。2.4 触变泥浆减阻在顶进过程中，管道的摩阻力会随着距离延长而变大，在一定程度上影响顶进速度和施工效率，因此，需在管道外侧通过注浆孔注入触变泥浆，以降低土层对顶管的摩擦阻力4。2.4.1 触变泥浆系统在顶进施工中，通过注浆孔进行触变泥浆压浆作业，在管外壁形成一个泥浆套，以减少土层对顶管的摩擦阻力。注浆孔一般数量为4个，呈90 布置，每两节管设置一节带注浆管，且工作井的出洞口应预埋注浆孔，以形成完整的泥浆套。2.4.2 浆液配置触变泥浆的材料应选择经钠化处理的膨润土泥浆材料。现场按重量进行泥浆的配制，所用的主要材料包括水、膨润土（优先选用钠基膨润土）、Na2CO3，另外，根据实际情况可以加入其他掺合剂，如粉煤灰、废机油、其他高分子化合物等。材料的配比一般为，水土=（45）1，土掺合剂=（2030）1，并根据现场岩土层性质和地下水特征，通过现场试验最终调整确定。泥浆应充分搅拌并使其水化，搅拌后的触变泥浆的粘度大于30 s，滤失量小于25 ml/30 min，比重为1.11.6，含砂率不大于3%，稳定性静置24 h无离析水，静切力为100 Pa，pH值小于10。2.4.3 注浆要求及注意事项（1）在注浆过程中，要经常检测注浆压力、浆液的黏度和用量等指标，并尽可能使浆液均匀分布在管道的外表面，避免因指标不达标而损害管道及相邻建筑物5。（2）在施工过程中，如遇管路堵塞、接头渗漏、机械故障等异常情况，应及时操控注浆孔上的控制阀门，停止施工，处理完成后方可继续施工。（3）工作井的出洞口须预埋注浆孔。2.5 穿墙止水环顶进前，应在工作井预留洞口处安装穿墙止水环，用于防止洞口处的水土沿管外壁与洞门的间隙进入井内，也能在顶进施工时防止减摩浆流失，保证泥浆套的完整性，减小顶进阻力。穿墙止水环由钢压板、预埋钢板环、橡胶圈（袜套）、螺栓组成。借助管道顶进的力带动安装好的橡胶板，形成逆向止水装置。固定好止水环后，采用水泥砂浆堵塞混凝土墙和预埋钢环板之间的间隙进行止水。顶管结束后，可将工作井上的止水穿墙管改造成永久性柔性堵头。2.6 管节顶进施工完成准备工作后，将管节吊放至工作井内轨道上，调整好方向后开始进行顶进作业。在每完成一节距离（约46 m）的顶进后，都需要复测角度和高程，确保实际工程满足规范和设计的要求。在管道顶进施工完成后，对整段管道进行测量复核，经各方验收合格后，才能进行接缝处理作业。2.6.1 顶力估算及管道允许顶力验算本工程顶管均采用泥水平衡顶管工艺，顶力估算根据 GB 502682008 给水排水管道工程施工及验收规范计算公式，结合本项目的地质勘察报告和设计要求，在使用触变泥浆减阻的情况下，对顶管段进行分析。根据设计文件，工作井最大允许顶力为30003500 kN，DN1000和DN1200球墨铸铁顶管允许顶力为50807240 kN。根据DBJ/T 13-3092019 非开挖顶管技术规程第6.8.1 规定，当估算的最大顶力大于后背承载能力70%时，应设置中继间。通过计算分析后，部分顶管需在顶管段中部位置设置一个中继间。2.6.2 中继间设置（1）中继间采用工厂定制的组合密封中继间（丢弃式），顶进结束后，拆除中继间的千斤顶，顶进与原管节相接。（2）中继间主要由前特殊管、后特殊管、均压环、壳体油缸等组成，前、后两节之间采用柔性连接，在前特殊管的尾部，配置一个类似 T型套环的密封圈和接口。后特殊管外特别设置了三环止水密封圈，以保证壳体活动时不会发生渗漏。（3）在确保中继间具有一定强度的基础上，将壁厚增加2 mm以提高其抗磨能力。（4）中继间顶力富余量，第一个中继间不小于40%，其余不小于30%。（5）当顶进总推力达到中继间推力的60%时，可以安放第一个中继间。在后续顶进作业时，每当达到中继间推力的70%时，再安放一个中继间。当主缸油缸达到中继间总推力的90%时，必须启用中继间。2.7 纠偏措施（1）顶进施工前，必须严格做好放样复测工作，坚持测量三级复核管理制度，在项目部设测量组，确保测量的准确性。（2）要定时复测布设在工作井后的仪座情况，避免顶进时发生移位和变形，若有异常，及时调整。（3）顶进纠偏角度应保持在1020，且不大于0.5，在纠偏过程中，做到勤测量、多微调，设置好偏差阈值，每段顶进施工时，应根据监测信息及时调整相关参数。（4）由于主顶油缸控制初始顶进阶段的方向，为确保顶进方向不出现偏差，一方面需要降低推进速度，另一方面需不断进行机头纠偏，调整油缸编组。（5）正式顶进前，必须计算每节管、每米的位置和标高，依此制定好坡度计划，确保顶进施工符合设计坡度要求和质量标准。（6）采用经纬仪检查平面纠偏情况，水准仪测量高程偏差。测量的频率保证在4 次/d，出洞前加大测量频率。3 顶管施工技术保证措施江西建材工程技术与应用2342023年6 月3.1 确保顶管安全顺利进洞措施为确保顶管安全顺利进洞，施工前要全面检查整个顶进系统的安装情况，并进行单机调试和设备联运调试。项目组人员应检查洞口前方的土体，进行相应的加固措施，并在洞口前方布设沉降监测点。机头进洞时，顶进操作应平稳匀速推进，在首节管道进洞口后，立即开始均匀注入触变泥浆。在管节进洞至1020 m时，检查顶速、切土、泥水压、出泥、标高、轴线等施工参数是否正常，若有异常，应及时调整至正常状态6。3.2 确保顶管安全顺利出洞措施接收井的所有施工作业必须在顶进接近接收井前完成。当顶进至接收井区域范围内，放缓顶进速度，等顶管机缓慢切削土体并形成一个较完整的止水孔。顶管机进入接收井时，必须先复测本段管道的长度是否与设计长度相符，然后通过测量顶管机出口的具体位置尺寸，临时封堵凿除接收井工具头出洞口，并做好洞口止水措施。当顶管机进入接收井边时，要加快顶进速度，直到顶管机完全顶出接收井。如遇地下水体丰富时，需做好止水工作，比如可用棉纱堵住洞口和管壁之间的空隙，在顶管机完全出洞后，立刻用水泥浆或水玻璃进行止水。3.3 掘进机出洞防磕头、抬头措施由于出洞时，洞外泥水流失过多或工作井下沉时周围土体被破坏，故掘进机在出洞时，因自重较大而出现下磕现象，可以采取措施，防止该现象发生。（1）掘进机就位后，将机头垫高5 mm，保持掘进机在出洞时有一种向上抬头的状态。（2）调整好主推千斤顶的合力中心，出洞时，注意观察掘进机的状态，一旦发现有下磕趋势，立即用后座千斤顶进行纠偏。3.4 初始顶进防止管道后退措施由于出洞口深度较深，在初始顶进阶段，管周围的摩擦阻力远小于正面土压力，拼接管子时，主推千斤顶缩回前易发生管道后退情况，且会导致洞口止水装置受损、人员伤亡等事故，因此，必须固定好已顶进的管道部分与井壁。在初始顶进的管节外侧设置预埋钢板，在主推千斤顶退回前，将管节与工作井壁连接好，保证管节外壁摩阻力大于正面土压力。3.5 管道抗扭转措施顶进过程中，由于周边土质的变化，管内设备的不均匀性、纠偏的影响可能造成顶进时管道出现不同程度的扭转现象，进而影响施工质量。可采取以下措施。（1）根据重量平衡原理，可在管道及管内设备安装时，在另一侧安装相同重量的配重，保持管道顶进时左右重量的平衡，消除造成管道扭转的人为因素。（2）在管道后部和掘进机上设置扭转指标记。在顶进时做好监测，一旦发现微小的扭转，立刻采用单侧加压配重的方法进行纠正。3.6 顶管顶进遇地质障碍处理方案若遇卵石、填石等地层或孤石等地质障碍，顶进时需注意控制顶进速率，避免发生安全事故。预备方案如下。（1）“开天窗法”：在掘进机头上方地面通过支护开挖进行解决。（2）钢板套箱法：用钢板套箱作为支护体，边下沉边开挖，以暴露障碍物，方便清除。（3）全套管钻机法：用套管套住障碍物后，用冲击或冲抓锤清除。（4）在孤石分部地段，必要时，可采取自地面深孔预裂爆破等辅助措施。3.7 双管顶进风险及其对策双管顶进时，可能发生掘进线路轴线不符合要求、注浆压力异常、不良地质及障碍物处理受影响等风险，可采用先完成一根管道顶进、再完成另一根管道顶进的对策。同时，充分做好施工前准备工作或由专业顶进队伍实施，并加强测量监控。3.8 顶管穿越软弱土及环境敏感地段安全风险及预防措施软弱土具有承载力低、压缩性大和触变性明显等特点，在顶管施工中，可能会出现因顶进轴线偏差、顶进阻力、土体扰动等产生的不利影响。可采用提高纠偏控制精度，减小沉降影响；加强触变泥浆注浆量和压力控制，降低摩阻力；加强机尾和同步注浆质量控制，减小顶管和地表沉降、隆起危害等预防措施。4 结语本工程顶进地层主要为粉质黏土、残积砂质黏性土、全风化花岗岩等土层，地质条件一般，在施工过程中，要注意做好各关键工序的技术要点交底及管控工作，并加强对现状道路和地下管道或管线的监测，全面实施信息化施工监控，保障顶管施工的质量和安全。参考文献 1 吕宝平，马元庆，徐艳东，等.山东海域海岛地质遗迹资源综合研究J.海洋开发与管理，2021，38（9）：7.2 张朝君，聂发运.H 市地质遗迹资源初步评价与开发利用探究J.地矿测绘，2021，4（4）：23-25.3 张世姣.古生物地质遗迹评价及保护对策研究J.中国新技术新产品，2022（22）：3.4 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