城市地下穿越工程頂管施工對(duì)鄰近既有地下管線的保護(hù)措施研究

李志鵬

（北京市政路橋管理養(yǎng)護(hù)集團(tuán)有限公司市政工程七處，北京 100144）

1 引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，對(duì)城市基礎(chǔ)管網(wǎng)的升級(jí)改造也在持續(xù)進(jìn)行。頂管施工具有非開挖、對(duì)路面破壞少、占地面積小、地層擾動(dòng)小的優(yōu)勢，逐漸成為城市地下穿越工程施工的首選工藝之一。而在城市區(qū)域內(nèi)地下管線分布密集，多數(shù)頂管頂進(jìn)渠道距離既有地下管線較近，極易影響地下管線的安全。因此，探究城市地下穿越工程頂管施工對(duì)鄰近既有地下管線的保護(hù)措施具有重要意義。

2 地下管線保護(hù)重要性

在城市化進(jìn)程中，多用途建筑物或構(gòu)筑物數(shù)量日益提升，相應(yīng)的配套地下管線在既有管網(wǎng)系統(tǒng)中的組成更加繁雜。而出于后續(xù)維修便利性需求，城市地下穿越工程多沿路開展，施工不可避免地鄰近既有地下管線，施工過程極易擾動(dòng)土體或地層，導(dǎo)致既有地下管線的穩(wěn)定性、安全性下降，甚至造成整條管線出現(xiàn)毀壞性損傷，干擾相關(guān)社會(huì)活動(dòng)的正常開展。比如，2020年12月5日，沂州路與陶然路交會(huì)處污水管網(wǎng)頂管施工造成熱力主管網(wǎng)泄漏，影響周邊部分區(qū)域供暖；2014年6月30日，大連岳林建筑工程有限公司在金州新區(qū)路安停車場附近進(jìn)行水平定向鉆施工中，將中石油新大一線輸油管線鉆漏，導(dǎo)致原油泄漏，溢出原油流入市政污水管網(wǎng)。而通過構(gòu)建一套安全性與科學(xué)性兼具的鄰近既有地下管線保護(hù)方案，可以利用適當(dāng)?shù)姆椒ūＷo(hù)鄰近既有地下管線，避免地下管線毀損導(dǎo)致的項(xiàng)目停滯以及經(jīng)濟(jì)損失，為地下穿越工程建設(shè)作業(yè)平穩(wěn)開展提供依據(jù)。

3 穿越施工中鄰近既有地下管線的破壞原因

3.1 管壁受壓屈服破壞

在工程頂進(jìn)施工鄰近高柔性既有地下管線時(shí)，因管道本身不能在自然環(huán)境內(nèi)承受附近介質(zhì)壓力，施工過程中極易導(dǎo)致管道壁受壓屈服破壞[1]。比如，靜水壓力環(huán)境內(nèi)的中空柔性管道、周邊土體質(zhì)地均勻位置埋設(shè)的中空柔性管道等。

3.2 管壁環(huán)向受力破壞

在工程頂進(jìn)施工中，會(huì)不可避免地接觸既有管道的圍巖，而管道圍巖則可經(jīng)接觸面向管線施加一個(gè)外部的作用力，一旦管道壁內(nèi)環(huán)向應(yīng)力達(dá)到屈服極限，會(huì)導(dǎo)致脆性管道出現(xiàn)脆裂失效問題。比如，剛性相較于周邊土體較大的柔性管道，在彎曲應(yīng)力作用下進(jìn)入屈服極限水平時(shí)極易出現(xiàn)局部屈服，進(jìn)而發(fā)生毀損性開裂現(xiàn)象。

3.3 縱向應(yīng)力屈服破壞

在地下穿越工程頂管頂進(jìn)施工形成的地層擾動(dòng)環(huán)境、土體損失環(huán)境、土壤侵蝕環(huán)境等外部環(huán)境作用情況下，管道兩側(cè)分別承受壓力、拉力，并在拉應(yīng)力、壓應(yīng)力作業(yè)下形成彎曲。因多數(shù)管線材料抗拉性能遠(yuǎn)小于抗壓性能，在拉應(yīng)變超出許可拉應(yīng)變時(shí)，管線承受拉應(yīng)力一側(cè)會(huì)發(fā)生開裂、形變等情況。

3.4 超撓曲破壞與構(gòu)造破壞

城市地下穿越工程施工過程不可避免地對(duì)鄰近地下管線施加荷載，在荷載作用下，地下管線橫截面形狀會(huì)發(fā)生異變，甚至與橢圓形近似。此時(shí)，若環(huán)向撓度超過允許值，地下管線截面就會(huì)出現(xiàn)凹陷。

在地下穿越工程施工與地下管線接觸不協(xié)調(diào)時(shí)，管線截面會(huì)在局部受拉、大偏心受壓、滲透作用下失效，甚至出現(xiàn)接頭轉(zhuǎn)角超限、截面裂縫問題。

3.5 受彎矩破壞

在城市既有地下管線中，鋼管、鑄鐵管等剛性材質(zhì)較為常見，剛性較大接頭狀態(tài)并非一體性，極易在地下穿越工程施工應(yīng)力干擾下出現(xiàn)形狀異變，且異變程度超出許用形變，最終出現(xiàn)破碎滲漏[2]。

4 工程施工鄰近既有地下管線的保護(hù)措施

4.1 隔離保護(hù)

樹根樁是城市地下穿越工程施工中隔離既有地下管線的主要方式。通過樹根樁隔離頂管和既有地下管線基礎(chǔ)，可以避免頂管頂進(jìn)過程中土體擠壓應(yīng)力直接作用于既有地下管線基礎(chǔ)，加之樹根樁的彈性模量、強(qiáng)度遠(yuǎn)超出土體，可以削弱頂管對(duì)土體的擾動(dòng)作用，保護(hù)既有地下管線。制訂樹根樁隔離方案時(shí)，樹根樁底直徑與頂管底直徑呈倍數(shù)關(guān)系，兩者直徑比為1∶1.5～1∶2。技術(shù)人員應(yīng)控制樹根樁直徑在300 mm以上、400 mm以內(nèi)。樹根樁頂部在地面下，距離地面0.5 m以上、1.0 m以內(nèi)。樹根樁施工流程如圖1所示。

圖1 樹根樁施工流程

在樁孔定位環(huán)節(jié)，技術(shù)人員可以根據(jù)既有打設(shè)位置進(jìn)行樣洞開設(shè)，勘探既有地下管線情況，避開既有地下管線設(shè)置樹根樁孔位。

根據(jù)工藝規(guī)劃要求，結(jié)合鉆孔孔徑大小、現(xiàn)場操作條件，技術(shù)人員可以選擇恰當(dāng)?shù)你@機(jī)型號(hào)，多為地質(zhì)鉆機(jī)或油壓巖芯回轉(zhuǎn)鉆機(jī)，后者具有立軸角度調(diào)整功能。同時(shí)，為突破凈空低對(duì)樁孔鉆進(jìn)過程的限制，技術(shù)人員可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)備長度在0.5～2.0 m的短鉆桿、短鉆具，并配備牙輪鉆頭或合金鋼鉆頭（混凝土基礎(chǔ)）、合金肋骨式鉆頭（軟黏土）。在鉆機(jī)入場后，技術(shù)人員應(yīng)精準(zhǔn)對(duì)接樁點(diǎn)，并調(diào)整鉆機(jī)底部基層至平整、穩(wěn)定且鉆桿與基層呈90°。進(jìn)而結(jié)合前期規(guī)劃的樁孔鉆設(shè)傾角、方位，進(jìn)行鉆機(jī)方向、立軸視角調(diào)整，控制樁位偏差小于20.0 mm，直樁垂直偏差小于1.0%。

在鉆孔過程中，技術(shù)人員可以選擇機(jī)械擴(kuò)孔鉆（或水力擴(kuò)孔鉆）的方法保證鉆頭直徑與樹根樁直徑相等，鉆孔深度較樹根樁規(guī)劃長度深0.5 m以上、1.0 m以內(nèi)。鉆進(jìn)過程中，技術(shù)人員可以在孔口位置放置護(hù)孔套管，護(hù)孔套管長度在1.0～2.0 m，緩慢鉆進(jìn)。鉆孔完成后，技術(shù)人員可以利用清水清理樁孔至孔口溢出清水且水位不變。

在插鋼筋籠前，技術(shù)人員可以選擇1根或2～4根φ18 mm螺紋鋼，根據(jù)設(shè)計(jì)方案分段預(yù)制鋼筋籠，鋼筋籠外徑應(yīng)小于樹根樁直徑50.0 mm。進(jìn)而利用φ8 mm箍筋進(jìn)行鋼筋籠外側(cè)橫向、縱向加固，箍筋之間的距離為200 mm。制作完畢后，對(duì)準(zhǔn)樁位，垂直吊起鋼筋籠并平穩(wěn)扶正（不與孔壁接觸），緩慢向下沉入樁孔內(nèi)。注漿管則選擇外縮節(jié)形式接頭配合φ20～32 mm無縫鋼管制作。制作完畢后，對(duì)準(zhǔn)孔位下放，并在封口后施加0.3～0.5 MPa的壓力開展壓力試驗(yàn)，確保注漿管無泄漏。

在填碎石及注水環(huán)節(jié)，技術(shù)人員可以根據(jù)樁徑選擇適宜的碎石粒徑。一般樁直徑小于150 mm時(shí)，選擇的碎石粒徑為5.0～13.0 mm；樁徑超出150 mm時(shí)，選擇的碎石粒徑在5.0～25.0 mm。碎石清洗后，以一個(gè)較小的速度投入孔口填料漏斗并輕輕搖動(dòng)鋼筋籠促使碎石密實(shí)填筑樁孔?？咨钤?0.0 m以上時(shí)，由注漿管壓入適量清水并利用棉紗封堵。

在壓漿環(huán)節(jié)，技術(shù)人員可以根據(jù)樹根樁側(cè)向受力的特點(diǎn)選擇水灰比為0.4～0.5的水泥漿，水泥∶砂∶水比例為1.0∶0.3∶0.4/0.5。注漿前，均勻攪拌3.0 min以上，在0.3～0.5 MPa壓力下均勻注漿至漿液上冒。在一次注漿初次凝結(jié)后，在1.5～2.0 MPa壓力作用下進(jìn)行二次注漿。注漿完畢后，將樹根樁頂部混凝土開鑿至鋼筋出露，錨入澆筑承臺(tái)內(nèi)，并牢固焊接樹根樁主筋、基礎(chǔ)鋼筋，完成樁頭處理。

4.2 注漿保護(hù)

在地下穿越工程既有地下管線分布較為密集或位于道路交叉口時(shí)，樹根樁無法發(fā)揮作用，這時(shí)，可以利用壓密注漿保護(hù)的方法。特別是在地下上穿隧道施工過程中，接近隧道時(shí)，頂管機(jī)不可避免地會(huì)對(duì)隧道周邊土體進(jìn)行擠壓，增加隧道臨近地下管線形狀異變的概率。而在地下管線上方穿越時(shí)，因土體卸載、擾動(dòng)，管線頂部土壓力向低水平發(fā)展，會(huì)提高管線形狀異變概率。除此之外，在頂管機(jī)頭穿越后期后續(xù)管節(jié)仍然處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，持續(xù)擾動(dòng)地下管線周邊土體，增加地下管線形狀異變甚至毀損性破壞概率[3]。此時(shí)，通過在地下穿越前向地下管線上部土體注入漿液，可以促使上覆土壓力更高，降低頂管穿越后土體卸載幅度，同時(shí)，加固對(duì)應(yīng)位置土體，避免頂管穿越時(shí)過度擾動(dòng)地下管線。

既有管道頂部壓密注漿過程包括下注漿管、混合漿液封堵端口、注入漿液、提管注漿。在既有地下管線頂部壓密注漿時(shí)，技術(shù)人員應(yīng)將向下鉆入深度作為控制重點(diǎn)，事先利用鋼釬打孔，配合振動(dòng)器，將注漿管逐節(jié)振動(dòng)至設(shè)計(jì)深度，避免超出標(biāo)準(zhǔn)深度的下鉆行為。在鉆桿到達(dá)設(shè)計(jì)位置后，技術(shù)人員可以依據(jù)每次20.0 cm的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行注漿管提升，先鄰近既有地下管線外側(cè)、后鄰近既有地下管線內(nèi)側(cè)，低壓緩慢注漿，確保壓密注漿保護(hù)質(zhì)量。比如，對(duì)于既有排水管，技術(shù)人員可以對(duì)管線周邊2.0 m范圍內(nèi)土體（頂管在既有地下管線的投影面外延2.0 m，結(jié)構(gòu)頂部0.5 m到頂管頂部2.0 m）進(jìn)行加固，漿液選擇P·O42.5普通硅酸鹽水泥配置的水泥漿，水灰比為0.5，注漿壓力在0.2～0.6 MPa，漿液灌入流量在20.0 L/min以內(nèi)。同時(shí)，在每回次漿液灌注中斷時(shí)，技術(shù)人員應(yīng)以首次漿液灌注相應(yīng)深度壓力數(shù)值為依據(jù)，將球閥關(guān)閉，每間隔5.0～10.0 min開啟球閥，進(jìn)行次回漿液灌注。進(jìn)而拔出注漿管0.5 m后進(jìn)行下回次漿液灌注，提高壓密注漿質(zhì)量。

4.3 沉降監(jiān)測

在頂管施工過程中，要切實(shí)做好信息化施工監(jiān)測，應(yīng)對(duì)布設(shè)的管線沉降監(jiān)測點(diǎn)采取有效的變形監(jiān)測，密切關(guān)注頂管施工影響區(qū)域道路及管線變形情況是否可控，要嚴(yán)格按施工應(yīng)急預(yù)案執(zhí)行做好對(duì)監(jiān)測預(yù)警信息的響應(yīng)和反饋，保證對(duì)既有地下管線的有效保護(hù)。

5 結(jié)語

綜上所述，根據(jù)頂管施工的特點(diǎn)，在距離頂管較近的既有地下管線位置設(shè)置樹根樁，并在樹根樁無法實(shí)施的位置壓密注漿加固土體，可以降低對(duì)頂管施工和鄰近既有地下管線間土體的擾動(dòng)程度，對(duì)工程穿越既有管線起到一定的保護(hù)作用，同時(shí)，在頂管施工過程中通過有效的沉降監(jiān)測，能反映頂管施工對(duì)管線周邊土體的擾動(dòng)影響是否可控，以此做到在保護(hù)穿越施工影響范圍內(nèi)既有管線運(yùn)行安全的前提下，順利實(shí)施工程施工。