复杂地质环境长距离顶管施工关键技术研究与应用.pdf

市政工程四川建筑第4 3 卷第4 期复杂地质环境长距离顶管施工关键技术研究与应用钱峰，罗苗，成蕾，王（1.成都建工第九建筑工程有限公司，四川成都6 1 0 0 3 6；2.成都建工集团有限公司，四川成都6 1 0 0 0 0）【摘要】为了突破传统顶管施工的局限，更好地实现复杂环境下一次性长距离顶管施工。以新津县红岩污水处理厂配套污水主干管工程为背景，根据现场顶管下穿高速公路、市政道路等具体复杂环境，提出了一套系统完整的复杂地质环境长距离顶管快速安全综合施工技术方案，从技术上消除了顶管顶进所遇到的各类隐患，保证了工程的顺利进行。研究成果表明，在下穿河道、渠道、高速公路、铁路等特殊地段复杂环境管道顶进之前，可采用注浆加固等措施改善所穿越岩土体的力学性质，待岩土体强度达到设计要求后再进行顶管推进，可减小顶管推进对周围土体的扰动，从而减小对近接工程的影响。随着顶管管径的增大，顶管迎面阻力、顶进阻力、总推力、管道允许顶力也逐渐增大，采用管径DN2000施工时，顶管最大顶推力为780.59t，考虑富余系数后，采用2 台5 0 0 t级油缸顶进；同时，管道允许顶力为1 3 8 1.6 t，管道采用C35钢筋混凝土能够满足施工要求，考虑安全设计，采用C50钢筋混凝。研究结果可为类似工程提供一定的参考价值。【关键词】复杂地质环境；污水主干管；长距离；顶管施工【中图分类号】U449.52引言0目前在非开挖管道施工过程中，管道常需要穿越国道、高速公路、地铁、房屋、河道、鱼塘等，为尽量减少地面开挖，降低管线迁改和埋深较大时开挖难度，常使用顶管法施工，此法高效、对地表构筑物基本无影响，广泛应用于地下防排水工程中 1-3 。在复杂环境下进行顶管施工是目前急需解决的主要难题，但由于各个地区地质环境差别非常大，所遇不良地质情况也不尽相同，因而其施工方法的选择及遇到障碍物的处理方法也是多种多样。同时，由于顶管施工的隐蔽性,其安全问题尤为突出，不作深入的研究和精确的控制，极易引发塌方、漏水、脱节、偏差过大等各类事故【4-7 。国内外大量学者对复杂环境下的顶管施工展开了大量研究。陶永隆 8 研究了长距离顶管施工在市政工程中的应用,解决了城市长距离排水工程施工质量的难题;Deng等 9 通过大量现场监测顶管施工工程中顶管与围岩的接触压力、顶进荷载等，通过监测数据分析了顶管施工过程的围岩力学特性，研究结果表明，当顶力增大时，拱顶和边墙处顶力大小不变，仰拱处顶力增大；许有俊1 0 1 结合数值计算和现场实测,研究分析了顶管曲线施工过程中的地表沉降变化规律，严格控制注浆是控制地表沉降的关键措施;付晓畅等-1 2 提出了顶管施工过程对周围土体扰动的控制措施；刘顺青等【1 3 采用三维数值计算模型研究了顶管施工对上跨桥梁的影响，分析了顶管施工过程中地面沉降的变化规律。综上，国内外学者对复杂环境下顶管施工的研究取得了显著性成果，为了突破传统顶管施工的局限，更好地实现复杂环境下一次性长距离顶管施工，本文以新津县红岩污水处理厂配套污水主干管工程为背景，提出了一套系统完整的复杂地质环境长距离顶管快速安全综合施工技术方案，从技术上消除了顶管顶进所遇到的各类隐患，保证了工程的顺利进270嘉，李健，代发云？【文献标志码】B行,该技术解决了现有顶管技术的局限性，有利于推进复杂地质环境长距离顶管施工技术的发展，能为同类市政工程的实施提供借鉴。1工程概况新津县红岩污水处理厂配套污水主干管项目工程位于四川省境内，该项目拟对新津县旧城片区、民航飞行西片区、主城区北部片区、南河组团、纯阳片区、花桥镇镇区、新津天府新区配套区、工业园区A区、新材料及物流园区的污水进行收集并输送至红岩污水处理厂进行处理，项目包括总长约24.06km的污水干管工程以及4 座中途提升泵站工程。如图1 所示，根据污水收集区域及管线走向，污水主干管工程共分为A、B、C、D 四段。据地勘资料,场地主要为黏土、泥岩、卵石地层,地形有旗鼓,地貌单一,地下水主要为赋存于卵石层中的孔隙水。场地处于相对稳定的地段,场地内A段五津纳山品林公中肤圳定稿日期 2 0 2 2 -1 1 -1 5作者简介钱峰（1 9 7 2 一），男，本科，高级工程师，主要从事建筑施工技术管理。半边地B段门新村三昔接已有管段乳家C段成都建工项目部金华古驿道D段红岩污水厂新津工业阳B区图1 项目背景平面家室蓝家大城胡山艾家大接已有管段子三排清村新津旧龙湾家徐家山钱峰，罗苗，成蕾，等：复杂地质环境长距离顶管施工关键技术研究与应用无古河道、沟浜、墓穴、防空洞、孤石等对工程不利的埋藏物，+IA2适合采用顶管施工，具体各顶管施工段如表1 所示。表1 顶管施工段环境条件工程量统计明细顶管施工里程段长度/m管径/mm中+1 5 0施工环境弹接1 0 dO0+220+0+2+80A1K0+036 A1K0+471A1K0+884 A1K0+938A1K1+342 A1K1+387A2K0+532 A2K0+612A4K0+506A4K0+567BK0+000 BK0+340BK4+980 BK5+063BK4+237 BK4+280CAK0+879 CAK0+858CAK0+902 CAK0+926CAK1+719 CAK1+900D2K0+126 D2 K0+0882复杂环境顶管施工方案2.1顶管施工关键技术下穿高速路、市政公路等复杂环境顶管施工关键技术步骤：工程测量、放样一开挖工作井一安装起吊设备一安装顶进设备一安装导轨一顶管进洞、纠偏一排土一注浆加固一检查井施工一水压试验一井周回填。顶管工艺流程见图2。不合格下管、对口机头进洞超过5 0 m加中继间顶进水平管道试压顶管出洞注浆加固设备拆除结束图2 顶管施工工艺流程2.2工作井（接收井)施工工艺流程工作井（接收井)施工关键技术步骤为：测量放线一场地平整一施工降水一开挖锁口梁土方一钢筋捆绑一模板制安一土体开挖一钢筋制安一模板制安一浇筑混凝土一重复土体开挖、钢筋制安、模板制安循环步骤一开挖底板土方一底板钢筋制安一浇筑底板混凝土。工作井（接收井)结构简图如图3 所示。4355445806134080432DN100039DN1000181DN120038DN800工程开始测量放样支放样复核基坑构筑工作坑设备安装地面设备安装进洞准备预注浆材料准备纠偏测量DN1600DN1200DN1200DN800下穿地铁1 0 号线DN1000下穿市政道路DN1000下穿市政道路DN2000下穿成雅高速DN2000下穿市政道路下穿天生堰下穿天生堰下穿天生堰下穿市政道路下穿市政道路下穿河堤下穿河堤TA(a）平面图3 工作井结构2.3复杂环境顶管推进施工方案本工程线路较长，途中穿越绿化带、市政道路、人工河流、穿越市政道路，顶管施工前做好沿线地下电缆、管道等障碍物预报，联系相关单位制定相应整改措施。同时，在下穿河道、渠道、高速公路、铁路等特殊地段复杂环境管道顶进前，按照相关设计文件要求，进行土体注浆加固等措施改善土体力学性质，待土体注浆强度达到设计要求后，方可进行土方挖掘、顶进，顶管下穿复杂环境段具体施工方案如表2 所示。表2 复杂环境段顶管施工方案顶管施工里程段穿越环境及处置方案下穿海悦豪庭与大件路之间的空地A1K0+036 A1K0+156处，距离大件路约8 m，距离海悦豪庭围墙约2 m，顶管埋深8 m，注浆加固A1K0+884A1K0+938下穿河堤，注浆加固A1K1+342A1K1+387下穿河堤，注浆加固下穿地铁1 0 号线高架，在距离地铁10号线中心线南北两侧3 0 m处设置A2K0+532A2K0+592顶管井及接收井,顶管埋深6 m,注浆加固下穿成雅高速，净距1 1 m，在距离成BK4+980 BK5+063雅高速南北两侧约2 0 m处设置顶管井及接收井，全程注浆加固。CAK0+902 CAK0+926下穿天生堰，净距1 3 m，注浆加固D2K0+126 D2K0+088下穿新科大道，净距3.6 m，注浆加固3顶管顶力计算及液压顶管机械选定3.1DN1600钢筋混凝土专用顶管计算3.1.1顶力计算顶管施工过程中顶推力可采用式(1)计算：F=F,+F2式中：F为总推力，单位（kN)；F,为迎面阻力，单位(kN);F,为顶进阻力,单位(kN）。迎面阻力F，可通过式（2)计算。F,=(D-t)tR式中,D为顶管直径,取1.9 2 m;t为工具管刃口厚度,取0.03 m;R为挤压阻力,取 4 0 0 kN/m顶进阻力F，可通过式（3)计算：F,=3.14KDLn式中：K为润滑泥浆减阻系数,取0.8;L为顶管段长度，取 6 0 m;n 为平均摩阻力,取1 6 kN/m。2717斗4（b）剖面(1)(2)(3)市政工程由式（1）式（3）可计算出顶管施工过程顶推力F=4701.34 kN=470.13 t。3.1.2管道允许顶力验算钢筋混凝土管顶管传力面允许最大顶力按式（4)计算：(4)5000%94式中，Fc为管道允许顶力设计值,单位(kN)；1 为强度折减系数，取0.9；9 2 为强度提高系数，取1.0 5；9：为脆性系数，取0.8 5；P4为调整系数，取0.7 9；为顶力分项系数，取1.3；f。为混凝土受压强度设计值,单位（MPa)；A，为管道的最小有效传力面积,单位（mm）。取钢筋混凝土管道强度等级C50，由式4 可计算出混凝主管道允许顶力设计值F。=8 8 4.2 2 t。3.1.3设备选型由式(1）式（3)可计算出顶管施工过程顶推力F=470.13t，考虑富余系数后,DN1600顶管主顶机械油缸选用1台5 0 0 t级油缸，能满足施工要求。同时由式（4)算出钢筋混凝土管顶管传力面允许最大顶力Fcr大于理论顶力F,管道混凝土强度等级C30能满足施工要求，偏安全设计，可采用C50。3.2DN2000钢筋混凝土专用顶管计算3.2.1 顶力计算DN2000钢筋混凝土专用顶管外径D=2.4m，由式（2)计算出迎面阻力F，=8 9.3 k N；顶管段长度L=60m，由式（3）可计算出顶进阻力F=7716.86kN；进一步，由式（1）可计算出顶管施工过程顶推力F=7805.89kN=780.59t。3.2.2管道允许顶力验算取钢筋混凝土管道强度等级C50，由式4 可计算出混凝主管道允许顶力设计值Fc=1381.6t。3.2.3设备选型由式(1）式（3)可计算出顶管施工过程顶推力F=780.59t，考虑富余系数后,DN2000顶管主顶机械油缸选用2台5 0 0 t级油缸，能满足施工要求。由式(4)算出钢筋混凝土管顶管传力面允许最大顶力Fcr大于理论顶力F，管道混凝土强度等级C35能满足施工要求，偏安全设计，可采用C50。3.3综合选型通过对A、B 段污水干线顶管机选型的计算可知，随着顶管管径的增大,顶管迎面阻力F1、顶进阻力F2、总推力F也逐渐增大。A、B、C、D 4 条污水主干线最大顶管直径设计为DN2000,最大迎面阻力F，=8 9.3 k N、最大顶进阻力F，=7716.86kN,计算得出最大顶推力F=780.59t,考虑富余系数后，顶管施工过程中可采用2 台5 0 0 t级油缸。由式4 计算可知,DN2000管道允许顶力Fcr=1381.6t,管道采用C35钢筋混凝土能够满足施工要求，考虑安全设计，可采用C50钢筋混凝。4结束语本文依托新津县红岩污水处理厂配套污水主干管工程四川建筑第4 3 卷第4 期为工程背景，根据现场顶管下穿高速公路、市政道路等具体复杂环境，提出了一套系统完整的复杂地质环境长距离顶管快速安全综合施工技术方案，从技术上消除了顶管顶进所遇到的各类隐患，保证了工程的顺利进行。最后通过对顶管顶力的计算完成了液压顶管机械选型，主要研究结论：（1）下穿河道、渠道、高速公路、铁路等特殊地段复杂环境管道顶进前，可采用注浆加固等措施改善所穿越岩土体的力学性质，待岩土体强度达到设计要求后再进行，可减小顶管推进对周围土体的扰动，从而减小对近接工程的影响。(2)随着顶管管径的增大,顶管迎面阻力、顶进阻力、总推力、管道允许顶力也逐渐增大，采用顶管管径DN2000顶进施工时，最大迎面阻力F，=8 9.3 k N、最大顶进阻力F2=7716.86kN,最大顶推力F=780.59t,考虑富余系数后,顶管施工过程中可采用2 台5 0 0 t级油缸。（3）通过管道允许顶力计算可知，DN2000顶进施工时，道允许顶力Fcr=1381.6t，管道采用C35钢筋混凝土能够满足施工要求，考虑安全设计，可采用C50钢筋混凝。1吴吴伟，周晨，吴昊，等.淮河流域取水工程设计优化分析 J.中国给水排水,2 0 2 2,3 8（4)：8 2-8 7.2陈秀成.全地下污水处理厂防淹设计要点及工程案例J.给水排水,2 0 2 2,5 8(5):5 0-5 4+5 9.3Meng F Q,Chen B Q,Liu L,et al.Introduction to SingaporeDN2 200 Water Supply Pipe Jacking ProjectJ.China Water&Wastewater,2014,35(3):733-739.4陈雪华，周丽红，吴起星，等.并行矩形顶管施工引起地层变形影响研究 J.土工基础，2 0 2 2,3 6（4）：5 5 1-5 5 8.5黄海.景德镇城市供水源顶管工程对防洪堤影响分析 J.陕西水利,2 0 2 2(1 0):5 8-5 9.6王再斌，李彪.市政顶管工程常见施工技术问题研究 J.云南水力发电,2 0 2 2,3 8(7):1 1-1 5.7尹亚虎.顶管施工中的难点问题及技术处理措施 J.江苏科技信息,2 0 1 7(3 1):5 4-5 5.8陶永隆.长距离顶管施工技术在市政给排水施工中的应用 J.中国建筑装饰装修，2 0 2 2（1 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