某污水管网改造工程穿越不良地层顶管施工技术.pdf

人民黄河YELLOWRIVER第45卷S12023年6月Vol.45，Sup.1Jun.，2023某污水管网改造工程穿越不良地层顶管施工技术邹建，戚双星，杨成海，罗睿，李江林（中化学南方建投（江西）有限公司，江西 赣州 341499）摘要：为研究某污水管网改造工程穿越不良地层顶管施工技术，依托某在建市政管网工程，根据地勘资料对顶管施工前的不良地质进行双液注浆预加固处理，再进行顶管施工，并围绕整个施工过程对临近既有房屋沉降监测结果进行分析。结果表明：采用双液注浆工艺能有效改善不良地层强度，减小了与花岗岩层物理力学性质差异，处理后的地层整体性更好，避免了施工过程中发生顶管机头上翘的问题；同时，可有效控制临近建筑物沉降，使其累计竖向位移逐渐趋于稳定，累计竖向位移都控制在1 cm以内，未出现超限情况。关键词：污水管网；顶管施工；不良地层；双液注浆中图分类号：TV523文献标志码：Bdoi：10.3969/j.issn.1000-1379.2023.S1.059收稿日期：2022-12-26基金项目：中化学南方建投（江西）有限公司基金项目（CNCEC研-202203）作者简介：邹建（1994），男，广东广州人，工程师，硕士，主要从事工程技术管理工作通信作者：戚双星（1989），男，安徽来安人，工程师，博士，主要从事岩土与地下工程、工程技术管理方面的工作E-mail：随着城市化进程加速，污水排放量不断增加，现有污水管网逐渐难以满足城市高效率、高质量运转的排污需求1。一旦发生污水管道损坏或泄漏，则会造成城市环境污染，并带来一定的经济损失。因此，为了提高城市污水排污能力，减少污水外溢，改善人民生活环境，全国各大城市市政污水管网系统都在开展污水管网综合扩建、新建和改建等工程，来实现城市污水治理提质增效2。考虑到开挖铺设管道对周边环境和建筑物的影响，特别在大城市中，污水管道埋设较深、周边建筑物多，作业空间有限，开挖难度凸显3。顶管施工技术在不损害地表的前提下穿越上部建筑，在城市市政管网建设中被广泛采用4-5。采用顶管施工作业时，下穿过程中会造成地表土体、上部和临近建筑物发生一定沉降。为了研究顶管施工过程对既有建筑物的影响规律，部分学者采用了理论分析、数值模拟、现场实测及经验公式等方法。例如：刘顺青等6以镇江某综合治理管网工程为背景，基于理论分析和数值模拟方法分析了顶管施工造成既有桥梁附近土体发生明显竖向位移，但对采取加固区域的土体基本没有影响。肖旦强等7以南京某在建地下通道为工程背景，采用数值模拟方法分析了顶管施工对既有隧道的影响，得出顶管施工会引起下方隧道的隆起，且随顶管施工的持续进行，隧道竖向位移在不断增加。李文江等8针对顶管施工后软黏土的土体开展了数值模拟和模型试验，研究结果表明了固结沉降主要发生在顶管水平距离20 m范围内，且不同埋深对固定沉降的影响相对较大，模型试验和数值模拟在监测时间内的趋势基本一致。此外，部分学者结合城市在建地铁隧道穿越既有建筑（隧道）可能导致的变形，采用MJS辅助工法可显著降低盾构施工过程对地表和临近建筑的影响，研究成果为类似工程提供了参考。综上所述，目前的研究主要是对顶管施工造成周边土体的沉降开展了分析，针对污水管网穿越半流沙半岩石为主的不良地层的相关研究还未见报道。因此，本文依托某市政管网工程，根据地质勘察结果，首先在顶管施工前采用双液注浆工艺进行预加固处理，然后采用现场实测方法，分析顶管施工全过程造成临近既有房屋建筑沉降规律，为工程后续施工及相似工程提供参考。1工程概况1.1污水管道及工程地质概况某市政管网工程中，现有污水管道下游无法满足市政排污要求，为解决污水管道排污问题，相关部门多次协调后，决定在外排渠东侧新建一条污水管道。根据设计拟建污水管道总长为3.6 km，顶管管径为DN1350，管节接口采用F型承插接口，管道覆土厚度为4.528.48 m。通过对现场勘查和现有地勘资料发现，施工线路主要位于某社区巷道，距离周边建构筑物都较近，人员活动非常频繁，尤其污水管道在WD20WD21段直接从现有房屋建筑底部穿过。根据地质勘察取芯发现该地段地质变化复杂，管道穿越细砂、淤泥质砂、砂质黏性土和花岗岩等力学特性相差很大的地层。结合设计文件对污水管埋置深度的要求，在施工前对顶管施工段进行一次补勘。现场钻孔取芯结果表明：在01.7 m范围内，取出土芯样多为杂填土；在1.76.8 m范围内，取出土芯样多为泥沙；超过6.8 m后，取出的多为花岗岩层。根据设计埋设深度，该污水管将穿越半流沙半岩石为主的地层（简称不良地层）。此外，采用顶管施工过程中，污水管道从房屋建筑底部穿过不良地层，一定程度上会造成上部建筑物不均匀沉降。1.2施工技术难点分析根据现场取样开展了饱和状态下的点荷载试验和单轴抗压强度试验。根据现行的相关规范，结合地区经验相关规定，现场取中风化岩样和微风化岩样各3组，每组5个岩样，试验结果统计见表1。综上所述，对于穿越不良地层交界处的顶管工程，软弱地层的压缩变形模量与花岗岩相差很大，特别是微风化花岗岩的单轴抗压强度标准值达51.32 MPa。这意味着，软硬地层不均匀性对顶管施工质量的影响非常大。2穿越不良地层顶管施工工艺2.1顶管施工技术难点分析（1）部分地下管线破坏严重。原因为：作业过程中随顶管顶进，流沙随泥水平衡注浆液从地层流失，土体被扰动；顶管本身顶进速度和注浆压力等控制不当，泥水平衡未能达到预期要求，造成现有土体应力状态发生变化；顶管顶进路径附近地下管线老旧，受周边土体扰动影响而遭到损坏；污水管道内流失水体对附近地层土冲刷和浸泡，加剧水土流失。（2）顶管机头偏离设定路径较大，出现机头上翘现象，原因为：上部中细砂层与下部岩层力学性质相差较大，呈现“上软下硬”的状态，在遇硬岩顶进受阻时，机头会自动向上部偏移；地层标高变化较大，岩石层与流沙层存在夹角，当顶管至岩石与流沙分界处时，管道受力不均，向压缩模量较大的流沙层偏移，出现机头上翘现象。（3）部分砂层流失严重，出现路面以下掏空，路面发生塌陷表1试验结果指标统计岩土状态微风化中风化数量/个1515换算单轴抗压强度/MPa42.3169.129.6729.84平均值/MPa57.2018.83标准差/MPa9.435.54变异系数0.160.29标准值/MPa51.3115.84 116人 民 黄 河2023年S1（下转第122页）现象。原因为：管顶覆土较浅，不满足规范规定管道最低覆土厚度要求；随顶管顶进，砂被循环泥浆带出，导致路面以下水土流失严重；顶管顶进泥水平衡压力控制不当，原土应力状态被破坏，路面易受压塌陷。2.2双液注浆工艺为有效改良顶管施工地质条件，减少砂层流失对周边环境的破坏，该工程拟采用双液注浆工艺进行预加固处理。现有研究表明，对于地下水流动性较大的地层，双液注浆工艺相较于常规的水泥浆加固能更快提高土体稳定性和强度，更符合该段顶管实际地质条件。双液注浆施工工艺主要包括垂直注浆和水平注浆两种形式。当顶管顶进路径上方具备作业条件时，采用常规垂直注浆施工工艺；当顶管以上有障碍物或不具备垂直注浆作业条件时，采用水平注浆施工工艺。污水管道通过WD20WD21段顶管施工过程中需要直接穿过房屋建筑，采用水平注浆施工工艺。2.3双液注浆施工方法及要点2.3.1施工方法布孔：根据污水管网改造工程的特点，结合设计图纸要求进行布孔，注浆孔间距均为0.8 m，其中垂直注浆呈三角形布置。钻孔：按照隔排跳孔的顺序进行钻孔。钻杆垂直度偏差不大于1%。钻孔采用潜孔引至土层下方，再采用地质钻探机钻孔，按跳孔施钻，并做好钻孔记录。安装注浆管及止浆塞：首先在注浆管安装前端12 m范围内钻好出浆孔，端部堵住，然后将止浆塞与注浆管连接。压水试验：试验的压力不低于1.2倍的注浆终压。试验进行3次，每次5 min。制浆：按设计配合比用拌浆机拌和制浆液，计量允许误差为5%，采用C25普通硅酸盐水泥，掺入水泥浆体积比11的水玻璃，必要时可掺20%的粉煤灰，浆液中掺加速凝剂及防沉淀剂，浆液初凝时间为20 min。注浆：水泥浆与水玻璃的体积比为 11，注浆压力为 1.2MPa，喷浆时须控制提升速率，必要时可采取复喷。当注浆压力达到最大注浆压力2倍后仍不进浆液，则停止注浆；再压注一定量清水后拆卸注浆管，用水冲洗各种机械进行保养。灌浆工作结束后，及时采用黏土封堵注浆孔。如发生塌孔、缩孔，应重新疏通注浆孔。2.3.2施工要点注浆原则：注浆遵循先四周后中间，隔孔交替注浆，注浆中应遵循“低压慢灌，反复多次、隔孔交替”的原则。注浆压力：当覆土厚度大于1.5 m时，注浆压力以1.0 MPa为宜。钻孔要求：注浆钻孔方向偏差不宜超过50 mm，钻孔偏斜小于1%，孔径允许偏差为5 mm。停注标准：注浆压力达1.5 MPa，加固后土体28 d无侧限抗压强度不小于1.2 MPa，渗透系数为10-510-7cm/s。注浆要求：注浆孔间距为0.8 m，注浆孔孔径7 cm，注浆深度为顶管施工岩石层以上部分，喷浆时需要控制提升速率，必要时采取复喷。3沉降监测结果分析建筑变形监测点位置布设如图1所示。根据相关房屋变形监测规范的要求，结合该工程监测特点，对可能影响范围内的建筑进行编号和测点布设，测点沿着房屋四角布设。监测从开始作业到离开一段时间，连续跟踪测量频率为7 d/次，监测的变形量大时则须增大频率，直到稳定为止。本次监测点布设编号为 ZW15ZW20，主要以污水管道贯穿的房屋建筑（编码为ZW18）为中心范围。在顶管施工前，组织监测单位对顶管拟穿越房屋和周边建筑全过程做好监测点布设及定期监测工作。2021年7月8日开始双液注浆施工和顶管施工。整个施工期间采用全站仪开展影响范围内所有房屋建筑的位移监测。这里仅给出ZW15ZW20房屋建筑监测过程的变形点竖向位移，详细监测结果如图2所示。由图2可知：ZW15、ZW16和ZW18三栋建筑物距顶管施工很近，刚开始双液注浆施工过程中累计竖向位移先急剧增加到峰值，然后顶管施工下穿接近该建筑物后逐渐减小，并向反方向增加，最终趋于稳定；ZW17、ZW19和ZW20三栋建筑物距顶管施工较远，整个双液注浆施工过程中累计竖向位移先急剧增加，随着顶管临近建筑后逐渐减小，最终趋于稳定；ZW15、ZW16和ZW18最大累计沉降量绝对值分别发生在9月11日、8月28日和8月14日，累计竖向位移量分别为0.55、0.68、-0.94 cm，主要原因是顶管从建筑物底部穿越施工过程中，累计沉降先增加、后减小到反向，最终趋于稳定。ZW17、ZW19和ZW20最大累计沉降量都发生在 9 月 11 日，累计竖向位移分别为 0.63、0.74、0.91 cm。综上所述，采用双液注浆施工后，顶管施工经过临近建筑后累计竖向位移幅度都控制在1 cm以内，未发现超过变形控制极限值的较大变形。4结论（1）采用双液注浆工艺能有效改善不良地层强度，加固后的地层整体性更好，避免了施工过程中发生顶管机头上翘的问题。（2）鉴于地下水对不良地层的影响较大，在配制注浆液时加入了速凝剂及防沉淀剂，加速不良地层的固结，提高了整体强度。（3）双液注浆和顶管施工过程中，做好各项施工工艺参数的控制可有效减小顶管施工对临近建筑物沉降的影响。（4）所有施工影响范围内的建筑物累计竖向位移均未超限，有效控制在1 cm以内。参考文献：1 谢家强，胡军，颜莹莹，等.长江经济带典型污水收集系统提质增效量化研究 J.中国给水排水，2022，38（19）：28-34.2 徐晋，楚文海，刘淑雅，等.我国城市污水治理提质增效重点的评估分析技术方法 J.给水排水，2022，58（10）：1-7.3 骆发江，刘强，黄松松，等.综合管廊下穿城市排水箱涵大截面双矩形顶管施工技术 J.施工技术（中英文），2021，50（22）：48-52.4 陈伯智.某自来水管网改造工程穿河顶管施工安全技术 J.人民黄河，2022，44（增刊1）：192-193，196.5 桂林，任睿祺，史培新，等.浅埋矩形顶管施工引起的地层沉降变图1房屋监测点布置图2变形点累计竖向位移曲线 117人 民 黄 河2023年S1（上接第117页）化规律 J.城市轨道交通研究，2022，25（12）：94-100.6 刘顺青，王旭畅，王文博，等.顶管施工对既有桥梁影响的三维数值分析 J.科学技术与工程，2022，22（26）：11559-11566.7 肖旦强，张仕超，胡智，等.大断面矩形顶管施工对近接斜交既有隧道影响研究 J.现代隧道技术，2022，59（增刊1）：441-447.8 李文江，王用波，阎伟龙，等.软黏土顶管工后沉降数值模拟与模型试验 J.地下空间与工程学报，2021，17（增刊2）：710-716.【责任编辑张华岩】线监控，利用振动轮的加速度信号，经过进一步计算后得到智能碾压指标（CMV值），通过CMV值与压实度的相关关系预测压实度，实现对路基压实度及压路机振动频率的实时监控。2.2碾压效果分析白沟河治理工程（白沟新城段）施工第二标段紧邻雄安新区北部，白沟河左堤、新盖房分洪道左堤、东淀北大堤共同组成了昝岗组团的防洪屏障，有效抵御新区外围洪水，保障新区的建设和发展。白沟河新城段治理起点为高碑店市与白沟新城县界，终点为白沟新桥，治理河段长10.7 km，治理堤防全长3963 m，相应的堤防桩号为Z5+200Z9+163。防洪标准为100 a一遇，白沟河现状防洪标准不足20 a一遇。选择桩号Z6+375Z7+200段作为智能碾压系统施工试验区，试验数据统计时间为1周，其碾压施工工艺参数：铺土方式，进占法或后退法；含水率，最优含水率3%；铺土厚度，40 cm；碾压遍数，12遍（静压2遍，振压10遍）；碾压行走速度，4 km/h；压实度，95%。智能碾压系统自动记录土方填筑碾压数据，通过WLAN将施工数据实时上传至智慧施工管理平台，实时记录碾压遍数、碾压速度、碾压轨迹等施工数据，实现对碾压施工全流程实时监控，可以监控是否存在未碾压到位的情况，如由碾压遍数统计情况（见表1）可知压实遍数10遍的面积为24 965 m2、占施工总面积的64.59%，还有35.41%的施工面积尚未达到碾压遍数要求。碾压情况的记录可存入服务器，需要时可回放追溯施工各个环节，保证施工质量。通过CMV与压实度相关性校验，得到两者的线性关系为y=0.2841x+83.19（相关系数为0.824 5），据此可以较好地预测碾压后的压实度，实时反馈施工质量，从而及时调整施工工序等。3结语堤防智能碾压系统采用B/S架构和GNSS实时差分定位技术以及成熟的振动碾压传感器技术，在白沟河治理工程白沟新城段施工第二标段测试了该系统的可行性和可靠性，结果表明，其可应用于堤防碾压施工质量监控，对于提高堤防碾压施工水平与管理水准具有十分重要的现实意义，应用前景广阔。如何提高压实度的预测准确度是今后的研究方向，后续可通过增加CMV与压实度相关模型的样本量，进一步优化模型，从而提高压实度的预测精度。参考文献：1 谢辉，赵龙同，阮迪望.智能振动碾压机的自抗扰循迹控制方法 J.天津大学学报（自然科学与工程技术版），2020，53（9）：900-909.2 蔡勇.物联网智能管控路面碾压施工工法 J.绿色环保建材，2020（8）：96-97.3 党晓，侯子义.路基智能压实技术探究 J.中国公路，2022（1）：100-101.【责任编辑张智民】图1碾压质量评价模型表1第7 d施工结束时碾压遍数统计压实遍数5678910施工面积/m29 5011 3758381 08688724 965占比/%24.583.562.162.812.3064.59虢水线保护装置只取了A611（A621）、B611（B621）、C611（C621）三相电压，零序电压采用自产3U0，电压互感器二次侧中性线电压产生偏移后，造成自产3U0与实测零序电压之间产生差异，保护装置误发“PT断线”信号并退出与电压量相关的距离、零序保护。4结语电压互感器二次回路的完好和正确是继电保护装置能正确发挥作用的前提，电压互感器二次回路常见的故障一般是二次回路断线或者二次回路多点接地，本文端子箱锈蚀严重导致的电压互感器二次侧中性线接地点出现接触不良的问题则很少见，通过故障查找的介绍和分析，为现场设备维护、检修提供一定的借鉴。参考文献：1 任岩.CCS水电站继电保护设计特点分析 J.人民黄河，2020，42（11）：103-106.2 黄鑫.110 kV线路电压互感器二次电压异常的分析与处理 J.电工技术，2017（10）：76-78，91.3 孔海波.变电站继电保护二次回路的分析与研究 D.济南：山东大学，2013:23-41.4 胡斌.小电流接地系统中电压互感器一次侧中性点未直接接地情况下所测谐波异常分析 J.湖北电力，2008，32（增刊1）：75-76.【责任编辑张华岩】（上接第120页）122