陳開俊,劉峻材,周宏虎,羅雪鋒
(三峽綠色發(fā)展有限公司,北京 101199)
市政工程管道施工中,頂管施工技術(shù)較為常用,此方法無需開挖施工,可利用工作坑中的頂進設(shè)備提供的頂力抵消管道及其周邊土壤摩擦力,再按照設(shè)計坡度將管道頂入土中。頂管施工技術(shù)無需占用較多施工場地,不會對施工區(qū)周邊環(huán)境帶來較大影響,在地下管網(wǎng)工程、地下通道建設(shè)工程中應用率較高。然而頂管施工中可能由于機械設(shè)備、技術(shù)操作、地形條件等各方面因素影響而引發(fā)異常問題導致管道頂進施工無法順暢開展,因此,需要結(jié)合工程實際,針對性采取可行性措施予以解決。
某市政工程位于主城區(qū),主要建設(shè)內(nèi)容包括排水管道完善、修復,清污分流改造,新建截污干管等,設(shè)計新建排水管道約60 km。受城區(qū)現(xiàn)狀管線布置、占地協(xié)調(diào)困難等影響,約16.5 km 管道采用頂管鋪設(shè)。施工過程中,多段頂管因地下障礙物、不明管線、地質(zhì)條件變化等因素影響,發(fā)生異常問題,不能繼續(xù)頂進,施工單位采取了多種措施解決。
實例一:某段頂管總長86 m,DN1000 鋼筋混凝土管,穿越土層主要為雜填土,管頂覆土平均約3.6 m。采用泥水平衡式頂管機,頂進10 m 時,碰到異物,頂管機故障,不能繼續(xù)頂進。
應對措施:該段管道位于公園范圍內(nèi),上方無重載,經(jīng)參建方商榷,采取回退頂管機方法處理,具體如下。將主頂千斤頂調(diào)轉(zhuǎn)方向,前端加設(shè)橫梁,用鋼絲繩將頂管機與橫梁連接,通過千斤頂往復、鋼絲繩收短將已頂入的鋼筋混凝土管、頂管機取出?;赝诉^程中,做好頂管上部范圍封閉管理。經(jīng)揭露的情況判斷,雜填土中夾雜的廢棄鋼絲繩造成頂管機刀盤故障。修復頂管機后,重新頂進,順利完成管道鋪設(shè)。
實例二:某段頂管總長123.4 m,DN1000 鋼筋混凝土管,穿越土層主要為雜填土,管頂覆土平均約6.78 m。采用泥水平衡式頂管機,頂進至48 m 時,碰到異物,導致頂管機卡死,無法頂進。
應對措施:因頂管機正上方存在現(xiàn)狀供水原水管,且需占用學校操場,故不能在正上方開“天窗”。經(jīng)參建方商榷,采取逆套管法,從接收井往工作井反向頂進DN1500 鋼筋混凝土管,手掘式挖土,將頂管機套取后,拆分取出。但頂進34 m 時,因頂管反力過大,接收井周邊軟弱土層承載力不足,接收井井壁歪斜,不得不停止頂進。經(jīng)第二次商榷,在第二次頂管頂進位置正上方新增頂管井,再繼續(xù)采用DN1500 頂管頂進,最終順利取出頂管機,并完成管道鋪設(shè)。經(jīng)揭露的情況判斷,頂管機碰觸的障礙物為廢棄拱涵。
實例三:某段頂管總長125 m,DN1200 鋼筋混凝土管,穿越土層主要為雜填土,管頂覆土平均約4.4 m,位于車行道正下方。該段頂管緊鄰右側(cè)現(xiàn)狀箱涵,最小距離約4 m。頂管井沉井施工階段,發(fā)現(xiàn)土層中夾雜著鋼板、鋼軌、混凝土塊等較多的建筑垃圾,采用泥水平衡式頂管機存在卡鉆風險,但原狀箱涵側(cè)墻為磚石結(jié)構(gòu),長期運行,滲漏、腐蝕嚴重,地質(zhì)條件較差,手掘式頂管安全風險性極大。
應對措施:為保證施工安全,參建方商榷仍采用泥水平衡頂管機,碰到異常障礙物時,采用開天窗法處理障礙物,回填土方后繼續(xù)頂進。開天窗具體工藝為,采用2 m/節(jié),直徑2 600 mm,壁厚2 cm 的鋼護筒護壁,機械挖土后下沉,下沉一節(jié),焊接一節(jié),下沉到頂管機位置后,人員下井處理障礙物,回填原狀土,然后拔出鋼護筒,繼續(xù)頂進。本段頂管共進行了4 次開天窗,最終頂管完成。同時為保證開天窗位置回填土密實,采取注漿加固,避免后期道路沉降。
總結(jié):當頂管遇地下障礙物導致不能正常頂進時,如障礙物能夠消除、且頂管頂進長度較短時,可采用回退已頂進管節(jié)、頂管機方式處理,但需要做好上部土體穩(wěn)固措施,防止坍塌;如地質(zhì)條件、接收井尺寸等滿足手掘式頂管條件時,可選用逆套管法(圖1),套取接頭;如頂管機未受損,埋設(shè)較淺時,可采用鋼護筒支護方式開天窗(圖2),快速開挖,處理障礙物后,繼續(xù)頂進;如頂管機受損不能頂進,則需要新增頂管井,更換頂管機、處理障礙物后,繼續(xù)頂進。
圖1 逆套管照片
圖2 開天窗
實例一:某段頂管總長59.3 m,DN800 鋼筋混凝土管,穿越土層主要為雜填土,管頂覆土平均約3.78 m。采用手掘式頂管,頂進至36 m 時,碰到現(xiàn)狀管道。經(jīng)管勘單位確定,為DN1500 污水管道,與現(xiàn)狀管道交叉約20 cm。
應對措施:經(jīng)設(shè)計復核,現(xiàn)狀管道管徑數(shù)據(jù)勘測錯誤,造成管線交叉。但受末端現(xiàn)狀管道高程限制,新建排水管道高程不能下調(diào)。最終確定破除現(xiàn)狀DN1500 污水管道交叉處,繼續(xù)頂進,新建排水管道與現(xiàn)狀管道交叉,現(xiàn)狀管道底部形成凸起,但對其過流能力影響不大。因現(xiàn)狀排水管道流量較大,采用氣囊封堵上游管口并進行導排,破除交叉處現(xiàn)狀管道,繼續(xù)頂進,最終頂管完工。現(xiàn)狀管道交叉處破口,采用水泥砂漿封堵、填縫。
實例二:某段頂管總長64.1 m,DN800 鋼筋混凝土管,穿越土層主要為雜填土,管頂覆土平均約3.8 m。采用手掘式頂管,頂進至36 m 時,碰到現(xiàn)狀地下管線,與頂管軸線完全交叉。經(jīng)權(quán)屬單位指認,為DN500 球墨鑄鐵供水管道,目前仍在正常運行。頂管施工前管線交底時,權(quán)屬單位未指出。
應對措施:受末端現(xiàn)狀管道高程限制,新建排水管道高程不能下調(diào)。經(jīng)與權(quán)屬單位對接,給水管道遷改難度大,該段頂管不能繼續(xù)頂進,最終確定將剩余頂管調(diào)整為明挖管道,管道交叉處新增結(jié)合井。
實例三:某段頂管總長58.5 m,DN800 鋼管,穿越土層主要為雜填土,管頂覆土平均約6.0 m,下穿現(xiàn)狀箱涵。采用手掘式頂管,頂進至33 m 時,接近現(xiàn)狀箱涵,發(fā)現(xiàn)管道正前方出現(xiàn)較大空腔且有水流出,暫停頂進后,發(fā)生坍塌。坍塌處位于車行道正下方,為保證施工安全,立即封閉道路,采取注漿加固。水泥漿凝固后,該段頂管不能繼續(xù)頂進。
應對措施:經(jīng)參建方商榷,確定從接收井反向手掘式頂進。受頂管井尺寸限制,將6 m/節(jié)鋼管調(diào)整為1 m/節(jié)鋼筋混凝土管,但頂進至21 m 時,頂管上部碰到混凝土結(jié)構(gòu)。經(jīng)設(shè)計復核其高程,確定為現(xiàn)狀箱涵底板結(jié)構(gòu)。頂管頂部外壁與箱涵底板頂面間距約30~40 cm。考慮到現(xiàn)狀箱涵水流量較大,如繼續(xù)頂進,需破除箱涵底板,安全風險大;拖拉管、微頂管等措施操作難度較大。最終不得不廢棄該段頂管,調(diào)整該段管道路由。
實例四:某段頂管總長80.1 m,DN1020 鋼管,穿越土層主要為雜填土,管頂覆土平均約5.60 m。采用泥水平衡式頂管機,頂進至63 m 時,作業(yè)人員發(fā)現(xiàn)回漿管返漿中夾帶氣體,同時有異味,經(jīng)判斷,頂破現(xiàn)狀燃氣管道。事發(fā)第一時間,施工單位聯(lián)系產(chǎn)權(quán)單位關(guān)閉臨近閥門,事故未進一步擴大。頂管施工前,施工單位已經(jīng)組織各類地下管線產(chǎn)權(quán)單位進行了管線交底,但產(chǎn)權(quán)單位未指出;該段燃氣管道為中壓備用管道,采用拖拉管施工,埋深較深,管位沖突。
應對措施:采用開天窗法,遷改現(xiàn)狀燃氣管道后,繼續(xù)頂進。
總結(jié):頂管施工前,應盡量探明管道軸線范圍內(nèi)地下管線,可采取調(diào)閱檔案資料、物探、現(xiàn)場實測和產(chǎn)權(quán)單位現(xiàn)場交底等,避免管道交叉影響頂管施工;在地下管線不明的情況下,采用手掘式頂管可有效避免損壞地下管線事件的發(fā)生;頂管碰觸到地下管線時,可采取遷改、交叉等措施后繼續(xù)頂進;確實不能繞開時,可選擇更改為開槽施工或調(diào)整管道路由等方式。
實例一:某段頂管總長38.9 m,DN800 鋼筋混凝土管,地勘報告顯示穿越土層主要為雜填土,結(jié)構(gòu)松散-稍密狀,局部分布碎塊石,管頂覆土平均約3.8 m。采用手掘式頂管,頂進至12 m 時,發(fā)現(xiàn)土層多為磚渣、碎石等建筑垃圾,且滲水嚴重,如繼續(xù)頂進,坍塌安全風險大。
應對措施:因該段頂管27~34 m 位于現(xiàn)狀交通干道下方,不能占道開槽施工??紤]到覆土較淺,且接收井基坑開挖揭露的地質(zhì)條件較好,最終確定地質(zhì)條件較差段采用上部開挖+下部頂管方式,即沿著頂管方向放坡開挖,挖除磚渣、碎石等,下部跟進頂進;交通干道下方仍采用頂管施工。繼續(xù)頂管約15 m 后,地質(zhì)條件變?yōu)檩^均勻的雜填土,繼續(xù)手掘式頂進,最終該段頂管完成。
實例二:某段頂管總長113.3 m,DN1200 鋼筋混凝土管,地勘報告顯示穿越土層主要為雜填土、粉質(zhì)黏土,管頂覆土平均約4.8 m,選用手掘式頂管,頂進至13 m時,揭露出流沙層,如繼續(xù)頂管,安全風險大。
應對措施:調(diào)整頂管方向及頂管工藝,從接收井往工作井方向,采用泥水平衡頂管機頂進;頂至已完成管道時,強制推出,最終該段頂管完成。
實例三:某段頂管總長138.9 m,DN1500 鋼筋混凝土管,地勘報告顯示穿越土層為雜填土、粉質(zhì)黏土,管頂覆土2.4~5.3 m。選用泥水平衡頂管機,在頂進至7.2 m 時遇不明障礙物,經(jīng)頂進嘗試,發(fā)現(xiàn)刀盤扭矩超限警報,機內(nèi)有沉悶異狀響聲,判斷遇到較大回填石塊,考慮起始段管道覆土層厚度不大,采用回退頂管機容易出現(xiàn)路面塌陷,且不能準確判別所遇障礙物,故采用開天窗法判斷雜填土層情況,發(fā)現(xiàn)填土層內(nèi)含大量塊石、卵石及磚渣等硬塊,塊石粒徑300~1 000 mm,卵石粒徑50~200 mm,同時泥水平衡機頭刀盤開口較大,卵石、磚渣等硬塊進入泥水倉內(nèi)不能隨排泥管排出而大量堆積堵塞排泥管,致使機頭抱死。
應對措施:泥水平衡頂管機不適用含大量塊石、卵石、磚渣等硬塊的雜填土,通過開天窗法更換巖石破碎頂管機,重新頂進后,恢復正常。順利頂進至89 m 時遇粉質(zhì)黏土層,黏土層黏稠度較大,巖石機頭刀盤開口率小,且刀盤滾刀不能有效切割黏土,只能通過硬頂?shù)姆绞綄ね翂喝雮}內(nèi),在泥水倉內(nèi)增加一根Φ50 mm 水管,通過高壓水對倉內(nèi)黏土進行切割沖洗,但效果不佳,多次出現(xiàn)排泥管堵塞,后在高壓水中添加一定量的砂,有效降低黏土的稠度,進而降低了堵管的發(fā)生率,最終完成該段頂管。
實例四:某段頂管總長203.48 m,DN1000 鋼筋混凝土管,在111 m 處布置騎馬井。地勘報告顯示穿越土層為粉土、粉質(zhì)黏土和雜填土層,管頂覆土約5.4 m。選用泥水平衡頂管機,頂進至61 m 處遇異常障礙物,機頭向頂進軸線方向左側(cè)偏移14 cm。經(jīng)分析判斷為大孤石,與頂管軸線局部交叉。采取微調(diào)頂進方向糾偏,繼續(xù)頂進10 m 后,機頭調(diào)整到管道軸線上。但受孤石影響,偏斜管道承插接頭處減阻泥漿外漏嚴重,加之偏心受壓,管道出現(xiàn)裂縫,不得不停止頂進。此時機頭位于現(xiàn)狀構(gòu)筑物正下方。
應對措施:對管道裂縫部位進行修補;將111 m 處騎馬井調(diào)整為頂管井,采取逆套管法,從該井往工作井反向頂進DN1650 頂管專用管,手掘式挖土,將頂管機套取后,拆分取出。后半段管道以該井作為頂管井繼續(xù)向接收井頂進。
總結(jié):頂管施工前,施工單位應加密補勘,特別是地勘報告顯示黏土層、頂進長度大于100 m 的管段,同時結(jié)合頂管工作井、接收井開挖揭露的地質(zhì)情況,進一步判斷。根據(jù)實際情況,選擇適宜的頂管機型:地質(zhì)條件為均勻的巖石或土時,首選機械頂管;地質(zhì)條件為土層,但存在較多卵石、石渣時,宜選擇帶具有二次破碎功能的復合頂管機,避免卡鉆;管段埋深處無地下水時,也可選擇手掘式頂管。
實例一:某段頂管總長73.6 m,DN800 鋼筋混凝土管,穿越土層為中風化泥質(zhì)粉砂巖,管頂覆土平均約4.3 m,選用泥水平衡巖石頂管機。開始頂進后,發(fā)現(xiàn)頂進速度緩慢,平均約1 m/d。經(jīng)分析,地層為中風化泥質(zhì)粉砂巖層,刀盤切削巖粉,攪拌形成的泥漿過于黏稠,不能順利排出,影響刀盤切削巖石。雖然采取了加大更換泥漿頻次,加大注入清水量等措施,但效果有限。
應對措施:回退頂管機及鋼筋混凝土管,增大頂管機刀盤邊刀尺寸,使頂進孔洞直徑較頂管機外徑大2~4 cm,泥漿直接從管道外壁與巖石之間空隙排出,避免造成刀盤堵塞。改進后,頂進速度大大提高。
實例二:某段頂管總長78 m,DN1000 鋼筋混凝土管,地勘報告顯示穿越土層為粉質(zhì)黏土、中風化泥質(zhì)粉砂巖層,巖石抗壓強度5~20 MPa,管頂覆土平均約5.6 m,選用泥水平衡復合巖石頂管機,頂進至15 m時,頂進速度大大降低。經(jīng)分析判斷,頂管機滾刀磨損嚴重,不能正常切削巖石。
應對措施:取樣實測巖石實際抗壓強度達40~50MPa,與地勘報告出入較大,泥水平衡復合巖石頂管機刀盤選型不當?;赝隧敼軝C及已完成頂管后,更換為巖石頂管機,重新頂進后,恢復正常。
實例三:某段頂管總長420 m,DN1350 鋼筋混凝土管,地勘報告顯示穿越土層為中風化泥質(zhì)粉砂巖層,巖石抗壓強度5~20 MPa,管頂覆土平均約11.3 m。選用泥水平衡巖石頂管機,在60 m、156 m 增加中繼間。頂進至106 m 時,頂管機電流異常,通過回漿情況,判斷遇到黏土層。巖石頂管機頂黏性土時,刀盤頂進削切時,黏性土不能形成破裂的塊狀被刮入泥水倉,而是在頂管機推力的作用下形成刀盤泥餅,使整個刀盤錐體接觸土層端面面積增大,從而使頂力大增,刀盤電流也經(jīng)常處在超負荷運轉(zhuǎn)狀態(tài)。采取增大進水量,在循環(huán)水中添加分離劑,減緩頂進速度,但效果均不明顯,近一個月的平均進尺不到2 m/d;頂進220 m 時,滾刀軸變形,不得不停止頂進。
應對措施:本段管道長度420 m,且埋深較大,設(shè)計階段,DN1000 管道即滿足過流要求,考慮異常問題處理,開天窗難度大,故將管徑調(diào)大至DN1350,人員可通過管道進入頂管機內(nèi)部處理。本次刀盤故障,人員即通過管道進入,更換刀具。同時在頂管機內(nèi)額外增加一根Φ50 mm 水管,通過高壓水沖洗,帶走部分黏稠泥漿。繼續(xù)頂進至254 m 后,由于管壁與黏土地層摩擦阻力大,頂管承插接頭漏漿、潤滑泥漿套失效等減阻效果差,頂進頂力過大,發(fā)生管材破裂問題,最終不得不停止頂進,采取開天窗措施處理。
總結(jié):頂管施工需準確判斷土層地質(zhì)情況,但泥質(zhì)粉砂巖物理性能比較特殊,粉砂、黏土含量、風化程度、含水率等因素對其影響較大;加之地勘通常帶水鉆孔取芯,影響結(jié)果判定。應結(jié)合頂管井開挖取樣進一步試驗,最終選擇合適的頂管機。在復雜地層進行中長距離頂管時,應采用更多的減阻措施,如管材外壁涂蠟(2 mm 工業(yè)蠟)(圖3),承插接頭設(shè)雙橡膠圈防止減阻泥漿外漏(圖4)等,防止頂力過大造成管材破裂。
圖3 管材涂蠟減阻
圖4 管材承插接頭設(shè)雙橡膠圈
頂管施工前應該綜合了解工程地質(zhì)情況、水文特征、地下管線分布情況,充分考慮可能出現(xiàn)的各種情況,選用合適的頂進方式,并制定相應的應急預案。施工時應加強現(xiàn)場管理,采用信息化手段監(jiān)控、掌握頂進情況。出現(xiàn)異常問題時,結(jié)合實際情況,可選用開天窗、逆套管、回退頂管機、調(diào)整施工工藝等措施處理。