侯杰文 王汝成

摘要：市政排水管道建設(shè)對城市雨水的開發(fā)利用起著重要作用，但在管道的實際架設(shè)過程中時常會出現(xiàn)不同種類的裂縫，因此本論述結(jié)合某施工現(xiàn)場排水管頂管在頂進時出現(xiàn)裂縫的實際情況，使用超聲檢測儀及裂縫寬度儀等工具檢測混凝土內(nèi)部缺陷，確定管道內(nèi)裂縫深度、寬度及長度，再通過鉆芯取樣后判定管材混凝土強度，接著根據(jù)施工方案對頂力和頂進距離進行校核，對管道裂縫的成因進行深度分析，最后結(jié)合管道裂縫情況對管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷作出評估并給出修復(fù)建議。關(guān)鍵詞：管道裂縫；鉆芯取樣；允許頂力；頂進距離；管道修復(fù)指數(shù)

中圖分類號：TG141??? ????????????????????????文獻標志碼：A

0引言

近年來伴隨市場經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，在面對環(huán)境變遷及降雨所帶來的自然災(zāi)害時，要求城市排水系統(tǒng)能夠具備良好的吸收能力，因此出現(xiàn)了海綿城市的全新定義，即都市排水系統(tǒng)需要像海綿一般對雨水進行收集轉(zhuǎn)化并進行合理開發(fā)利用，盡可能提升雨水在城市范圍內(nèi)的滲透、聚集和凈化速度，從而實現(xiàn)降雨資源的合理轉(zhuǎn)化并對市內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)形成保護效應(yīng)。因此城市排水管道特別是頂管建設(shè)體現(xiàn)出了巨大作用，然而頂管在頂進施工中時常會產(chǎn)生不同種類的裂縫，因此本論述將結(jié)合某頂管施工時出現(xiàn)裂縫的實際案例給予分析，最終找出產(chǎn)生裂縫原因并提出解決辦法。

1工程概況簡介

鋼筋混凝土排水管頂管頂進施工時出現(xiàn)裂縫的管道總長430 m，位于兩段工作井之間，施工管道的主管管徑2.4 m、管道長度2.5 m，主管道采用 F 型鋼承口鋼筋混凝土 III 級重力頂管，設(shè)計計算頂進最大距離為230 m，工作井為?8000的圓形鋼筋混凝土制最大深度為11 m，頂進過程中采用觸變泥漿澆灌方式進行減阻處理，施工管線相繼穿過石油管道、市政管線等道路。

根據(jù)施工方提供的地理數(shù)據(jù)可以得出，該區(qū)域工程地質(zhì)特征為第四系土地層，其中包括填土層、上變更統(tǒng)馬蘭黃土層、中變更統(tǒng)離石黃土層、下變更統(tǒng)午城黃土層、下伏壩基巖性屬白堊系火山碎屑，但多數(shù)為濕陷量的黃土層且地質(zhì)環(huán)境相當復(fù)雜。

2現(xiàn)場勘查及檢測情況

技術(shù)人員根據(jù)《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》（CE? CS 246：2008）[1]要求，對管道內(nèi)出現(xiàn)的肉眼可見的裂縫進行編號，使用混凝土超聲波檢測儀，依據(jù)《超聲法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》（CESC 21：2000）[2]標準對部分產(chǎn)生裂縫的管道實施裂縫深度測定，并使用裂縫寬度儀及卷尺測定裂縫寬度及長度；通過實地勘察發(fā)現(xiàn)，管道內(nèi)出現(xiàn)的問題主要表現(xiàn)為裂縫，其中縱向裂縫與斜向裂縫（如圖1、圖2所示）居多，個別管道內(nèi)部產(chǎn)生環(huán)向裂縫，另外勘查中發(fā)現(xiàn)有部分管道間出現(xiàn)管節(jié)錯臺（如圖3所示），頂進姿態(tài)出現(xiàn)蛇形偏差（如圖4所示）等情況?，F(xiàn)場隨機選取管道內(nèi)出現(xiàn)16處裂縫的部位進行編號并檢測，統(tǒng)計出裂縫深度、寬度、長度等缺陷相關(guān)信息（如圖5所示）。根據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果可知裂縫深度多為20～90 mm、不超過100 mm，裂縫寬度多為0.05～0.3 mm、不超過0.5 mm，裂縫長度多為800～1500 mm 存在各別貫穿性裂縫。

現(xiàn)場采用鉆芯取樣法，使用混凝土鉆孔取芯機于每50 m 頂管管身處取芯樣共8孔，依據(jù)《鉆芯檢測離心高強混凝土抗壓強度試驗方法》（GB/T 19496-2004）[3]，將鉆取的樣品進行抗壓強度檢測（見表1所列），檢測結(jié)果按照《混凝土和鋼筋混凝土排水管》（GB/T 11836-2009）[4]標準進行判定，通過表1可以看出鉆取樣品的抗壓強度在60～70 MPa之間、均高于標準要求。

3施工方案評估

根據(jù)施工方案對頂力及頂進距離進行計算核驗評估，查看是否滿足設(shè)計要求。

3.1總頂力設(shè)計計算

通過《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》（CECS 246：2008）標準中第12.4條的有關(guān)規(guī)定，為了確定管道的總頂壓力，按照公式（1）、公式（2）進行計算：

F0=πD1Lfk+NF ，???????????????????? （1）

NF=π（Dg－t）tR；???????????????????? （2）

式中：F0-總頂力（kN）；D1-管道外徑（m），取2.86； L-管道頂進長度設(shè)計值（m），取230；fk-管道外壁與土層的摩擦力（kN/m2），根據(jù)地質(zhì)條件取8；NF-頂管機的迎面阻力（kN）；Dg-頂管機外徑（m），取2.86；R-擠壓阻力（kN/m2），取500；t-刃口厚?。╩），取0.025。

通過以上取值代入公式（1）和公式（2）計算得：NF=111.27 kN；F0=16635.2 kN。

3.2允許頂力設(shè)計值計算

排水管頂管傳力面允許的頂力設(shè)計值按公式（3）計算：

Fdc =0.5 f c? AP （φ1φ2φ3）/（γQdφ5）；?????????? （3）

式中：Fdc-管道允許的頂力設(shè)計值（N ）；φ1-混凝土材料受壓強度折減系數(shù)，取0.9（m）；φ2-偏心受壓強度提高系數(shù)，取1.05；

φ3-材料脆性系數(shù)，取0.85；

φ5-混凝土強度標準調(diào)整系數(shù)，取0.79；

f c -混凝土受壓強度設(shè)計值（N/mm2）；

AP -管道的最小有效傳力面積（mm2）；

γQd-頂力分項系數(shù)，取1.3。

通過以上取值代入公式（3）計算得：

Fdc=14187.2 kN。

3.3實際允許最大頂進距離計算

允許最大實際頂力按公式（4）計算：

F0*=Fdc－F0；?????????????????????? （4）

得 F0*=14075.9 kN，根據(jù)允許最大實際頂力代入公式（1）得允許最大頂進距離L=195.9 m。

4裂縫成因分析

4.1裂縫產(chǎn)生機理

大管徑頂管在施工時隨著頂進距離增大頂力也隨之增加，混凝土頂管很容易出現(xiàn)裂縫。根據(jù)管道破壞形成的原因，裂縫主要分為受剪應(yīng)力下的破壞裂縫和受壓應(yīng)力下的破壞裂縫兩種，根據(jù)管道裂縫與管道軸線的走向關(guān)系分類，可以分為以下三種形式。

（1）縱向裂縫：近似平行或平行于排水管主軸方向，縱向裂縫一般會出現(xiàn)在管道拱形及邊部部位，且邊部及拱腰部位比拱形頂部出現(xiàn)的多。單線管道主要在邊部部位，多線管道在拱腰部位出現(xiàn)縱向裂縫比較多。從受力情況分析看，拱形頂部出現(xiàn)的裂縫主要是因內(nèi)部混凝土受擠壓產(chǎn)生，拱腰和邊部位置的裂縫則是由于內(nèi)表面拉伸出現(xiàn)的。縱向裂縫對管道結(jié)構(gòu)的安全性影響最大且破壞程度最強。

（2）環(huán)向裂縫：基本垂直或近似垂直于管道主軸方向，多出現(xiàn)于洞口、施工縫、沉降縫和地質(zhì)層較為復(fù)雜的地方。環(huán)向裂縫的成因一般是管道縱向的不均勻沉降、管道周圍巖石土層的地質(zhì)發(fā)生改變和沉降縫處理不合理等，其對管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的安全性沒有太大影響。

（3）斜向裂縫：與管道主軸方向近似為45°左右斜角，在邊部和管道拱形部位均可能產(chǎn)生，一般為軸向和徑向同時受力而產(chǎn)生的拉應(yīng)力所致，如果同時出現(xiàn)多條斜線裂縫相互交叉，極易在混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生掉落剝離現(xiàn)象，其產(chǎn)生的破壞程度僅次于縱向裂縫。

4.2地質(zhì)因素

由于在管道下方土層的基礎(chǔ)范圍內(nèi)，根據(jù)地質(zhì)資料顯示土質(zhì)結(jié)構(gòu)差異程度較大且地質(zhì)條件復(fù)雜，這種環(huán)境將會引起不均勻沉降現(xiàn)象，完整度較高的管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)會容易產(chǎn)生局部拉應(yīng)力集中，當混凝土強度不足時，就會產(chǎn)生斜向裂縫。如圖6（a）所示，頂管管道內(nèi)壁局部出現(xiàn)了不均勻沉降；而圖6（b）所示的方位產(chǎn)生了拉壓應(yīng)力相互交錯疊加過程，當拉應(yīng)力大于管道所能承載的最大抗拉強度時便會產(chǎn)生裂縫[5]，即不均勻沉降所導致的裂縫；如圖6（c）所示，裂縫分布趨勢是從沉降較輕的地方向沉降較強的方向逐漸擴展。另外由于施工區(qū)域的土層為濕陷性黃土層并且施工環(huán)境復(fù)雜，頂管頂進過程中采用觸變泥漿進行減阻效果有限，因此頂進過程中導致摩阻力增大，更容易產(chǎn)生縱向裂縫。

4.3環(huán)境因素

從裂縫產(chǎn)生的機理來看，可能由于該地區(qū)管道施工時正處于秋冬兩季，因此導致早晚溫差較大引起頂管結(jié)構(gòu)產(chǎn)生凍縮進，且管道上方土層較厚產(chǎn)生壓應(yīng)力，從而引發(fā)縱向與斜向裂縫。

4.4施工因素

頂管管道連接面出現(xiàn)階梯狀的分段面，在頂進施工時，階梯狀的分段面容易受到管道四周復(fù)雜土層條件的制約而在管道連接處產(chǎn)生變形及角度錯位偏差現(xiàn)象。錯位最常出現(xiàn)的形式有環(huán)之間縫張開、環(huán)間高差錯臺及錯齒等[6]。造成管節(jié)錯位或變形的主要因素包括地基不平衡沉降、管節(jié)接頭不牢固、頂進姿態(tài)控制不理想等。

由于引起管節(jié)接頭之間出現(xiàn)角度錯位值高于上限，使接頭間的有效荷載面積較小，管道間承壓能力同步減小，那么在部分相鄰接頭處可能發(fā)生應(yīng)力集中、頂力增加情況，從而出現(xiàn)局部承壓不穩(wěn)破壞造成管節(jié)出現(xiàn)裂縫[7]。

4.5結(jié)構(gòu)設(shè)計因素

在進行頂管設(shè)計時，對頂力的設(shè)計值與允許頂力設(shè)計值計算不準確，中間井設(shè)計較少。根據(jù)本論述3.3中計算頂進距離為195.9 m 超出允許最大頂進距離的設(shè)計值230 m，且長距離頂進沒有適當?shù)臏p阻措施與減輕頂進設(shè)備的頂進壓力措施，導致管道內(nèi)壁產(chǎn)生較大的擠壓應(yīng)力從而產(chǎn)生縱向及斜向裂縫，這是造成管道結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生裂縫的主要原因。

其次頂進距離大于195.9 m 應(yīng)使用中繼間，若不使用中繼間則應(yīng)相應(yīng)增加工作井數(shù)量以減小工作井間距及頂進距離，但查看設(shè)計方案得知工作井間距較大，且未按施工方案要求使用中繼間，若按頂進距離設(shè)計值去推進勢必會導致管材本身超過所能承受的阻力極限，從而出現(xiàn)裂縫及破損現(xiàn)象。

5管道結(jié)構(gòu)狀況評估

因管道內(nèi)部產(chǎn)生多條縱、斜向裂縫，依據(jù)《城鎮(zhèn)排水管道檢測與評估技術(shù)規(guī)程》（CJJ 181—2012）[8]標準中第8.3條計算公式對管道裂縫進行評價，以確定其結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀。

管段結(jié)構(gòu)性缺陷參數(shù)計算公式：

F=max{Smax，S}；

式中：F-管段結(jié)構(gòu)性缺陷指數(shù)；

Smax-管段損壞情況參數(shù)；

S-管段損壞狀況指數(shù)。

其中：S =（ Pi 1+α Pi2）；??????????? （6）

Smax = max{Pi}；????????????????????? （7）

式中：Pi1-縱向凈距大于1.5 m 的缺陷分值，取值0.5；Pi2-縱向凈距大于1.0 m 且不大于1.5 m 的缺陷分值，取0.5；α-結(jié)構(gòu)性缺陷影響系數(shù)，取1.1。

根據(jù)以上取值代入公式（5）～公式（7）分別計算2段工作井間管段結(jié)構(gòu)性缺陷參數(shù)得：F1=2；F2=1。

根據(jù)管段結(jié)構(gòu)性缺陷指數(shù)，按公式（8）計算出管段的修復(fù)系數(shù)：

RI=0.7×F+0.1×K+0.05×E+0.15×T ；??????? （8）

式中：RI-管段修復(fù)系數(shù)；K-地區(qū)重要性系數(shù)，取6；E-管段重要性系數(shù)，取10；T-土質(zhì)影響系數(shù)，取6。

故得：RI 1=3.4；RI 2=2.7。依據(jù)《城鎮(zhèn)排水管道檢測與評估技術(shù)規(guī)程》（CJJ 181—2012）標準中表8.3.5要求對所做檢測的管道進行修復(fù)系數(shù)等級劃分，經(jīng)評估該工作井管道修復(fù)系數(shù)等級為II 級，此管道結(jié)構(gòu)在短期內(nèi)不會發(fā)生破裂現(xiàn)象，但應(yīng)有相應(yīng)的裂縫修復(fù)處理方法。

6裂縫處理建議

6.1減少裂縫出現(xiàn)建議

通過以上計算和原因分析可知，導致施工中裂縫產(chǎn)生的主要原因是頂進距離過長導致管道阻力增加超過其承受極限，因此筆者結(jié)合實際給出以下幾點減少裂縫產(chǎn)生的建議。

（1）根據(jù)工程施工進度，可適當增設(shè)工作井數(shù)量減小一次頂進的距離，防止因頂進距離過長引起阻力增加。

（2）頂進施工中同時在管道外表面加入潤滑劑或觸變泥漿填充等減阻措施，降低管壁與土層間的摩擦系數(shù)起到減阻作用。減輕頂進設(shè)備的頂進壓力，以保證施工安全。

（3）保證實際頂進距離與允許頂進距離相符，以減少裂縫產(chǎn)生。

（4）若在較長距離的頂管施工中，可考慮分段頂進措施，使用中繼間合理放置于管道間。中繼間作為頂力傳導的工具，可在頂進距離過長引起頂力減小時，起到分散并減小頂管機頂力在其允許范圍內(nèi)的作用。

6.2裂縫修復(fù)建議

6.2.1? 表面處理法

使用市面上普通的防水工藝材料作為處理裂縫的表面涂層，包括合成樹脂、無機膠凝等材料將其噴涂在裂縫表層，也可使用玻璃纖維布在裂紋面上加以密封，主要是在裂縫表面形成長久而高效的防水層，達到延長管道使用性的常規(guī)裂縫修復(fù)方式，適用于深度較小且未達到管道鋼筋層的微小裂縫，其次是細微較淺的裂縫且注漿成型材料無法進入的部位，同時適用于修補未貫穿但不漏水、靜態(tài)以及不再伸長或?qū)挾鹊陀?.3 mm 的微小裂縫。施工時均采用手提式砂輪機將管道內(nèi)表層200mm 范圍內(nèi)的污漬打磨除去，再利用吹風清潔和用丙酮擦拭清潔干凈混凝土表面，接著再將事先準備好的膠黏劑或粘貼纖維黏貼于裂縫表面風干后打磨平整即可。

6.2.2 填充法

使用開鑿工具從裂縫延伸方向?qū)⒒炷列蕹?U、V 兩種形狀的溝槽，將樹脂、凝膠或纖維布等不同修復(fù)材料填充于溝槽內(nèi)部，此法可極大程度提升管道耐久、整體及不透水性，通常用于修復(fù)寬度不足0.2 mm 且深度較淺的裂縫、或是裂縫內(nèi)有填充物，用灌漿法很難達到滲入效果的裂縫、以及小型裂縫的簡單處理，此時可優(yōu)先考慮開取 V 型溝再實施充填加固處理過程。鑿溝時應(yīng)注意溝深應(yīng)大于15 mm，溝寬應(yīng)大于10 mm；若裂縫處于松動狀態(tài)應(yīng)酌情考慮加大。填充法修復(fù)裂縫所用建筑材料由修復(fù)效果決定，通常使用帶有一定延伸率的各種高彈性樹脂砂漿或改性環(huán)氧灌漿樹脂膠。

6.2.3 灌漿法

灌漿法又名注漿法，是在規(guī)定時限內(nèi)以較高的水壓把不同黏度較小的膠粘劑以及防水涂料澆灌至裂隙深處，以達到復(fù)原管體完整體、持久性及防水性能的目的。適用于裂縫寬度大于0.3 mm、深度較深的裂隙修補，尤其是對受力裂隙的修補。注漿成型料在選擇時因修補目的而異，在注重強度和耐久性時應(yīng)選用硬度高、黏附力強的合成樹脂料；對比較寬的裂紋也可選用水泥漿；若為了增強防水性，則應(yīng)選用延展性強和防水滲漏特性較好的材料。

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