基于復雜環(huán)境管線遷改項目的頂管法施工技術研究

摘 要：以武漢市經(jīng)濟開發(fā)區(qū)某管線遷改項目為研究對象，運用現(xiàn)場監(jiān)測的手段，對頂管頂進過程中的施工參數(shù)、頂管應力和變形進行監(jiān)測，研究各參數(shù)的變化規(guī)律。結果表明，當頂進行程小于100m時，頂管頂進速度呈現(xiàn)較大的波動，頂管頂進迎面頂進力和主頂油缸頂力迅速增加，波動劇烈；當頂進行程大于100m時，進入正常頂進階段，頂管頂進速度控制平穩(wěn)，約為2.7cm/min，啟動中繼間頂進后，頂管迎面頂進力逐步趨于穩(wěn)定，收斂值約2370kN，而中繼間的收斂值約4049kN，同時主頂油缸頂力也趨于穩(wěn)定，控制收斂約8034kN；當頂進行程小于150m時，頂管豎向偏差和水平向偏差均呈現(xiàn)劇烈的波動，波動延長了50m的頂進行程，表現(xiàn)了一定的滯后性；當頂進行程為150m～265m時，頂管水平向偏差呈現(xiàn)穩(wěn)定的變化趨勢，當頂進行程為265m～300m時，則呈現(xiàn)不同程度的波動，當頂管豎向偏差頂進行程為150m～300m時均具有一定的波動；頂管不同位置的縱向應力呈現(xiàn)明顯不同，頂部縱向應力最大值為56.4MPa，左側縱向應力最大值為-42.22MPa，右側縱向應力最大值為-19.83MPa。

關鍵詞：復雜環(huán)境；管線遷改；頂管施工；中繼間；應力

中圖分類號：TU 74 " " " " " 文獻標志碼：A

隨著城市化進程推進，城市內基礎設施建設和改造工程迅猛發(fā)展。其中，復雜環(huán)境的管線遷改項目作為城市規(guī)劃和建設的重要環(huán)節(jié)，受到研究者關注[1]。在這類工程建設中，頂管法是常用的施工方法之一，因其具有效率高和成本低的特點而得到廣泛應用。頂管法施工參數(shù)、應力和變形對頂管法施工效果和工程質量具有重要影響[2-3]。復雜環(huán)境中的地質條件復雜多變，增加了施工參數(shù)的選擇難度，地下水位的高低、土壤類型的多樣性以及地下巖層的強度和穩(wěn)定性等因素，都會影響頂管法施工參數(shù)的選擇[4]。因此，準確確定頂管機的推進力、頂管液壓系統(tǒng)的參數(shù)等施工參數(shù)、合理控制頂管應力和變形，對工程順利進行和管道安全有關鍵意義。目前對復雜環(huán)境下頂管法施工參數(shù)、應力和變形的研究仍相對不足[5]。結合武漢市經(jīng)濟開發(fā)區(qū)某管線遷改項目，將著重對復雜環(huán)境下頂管法施工參數(shù)、應力和變形進行深入研究。研究成果可為管線遷改工程提供施工指導，提高工程質量和效率，以滿足城市化進程中基礎設施建設的日益增長的需求。同時，也可為相關領域的學術研究提供參考。

1 工程概況

項目位于武漢市經(jīng)濟開發(fā)區(qū)龍靈山附近，工程內容主要有新建全力二路高架橋和對接東風大道匝道橋，全力二路、全力三路道路改造，新建硃山一路下穿通道，硃山湖南路下穿全三通道，龍靈大道下穿全力三路通道，新建三座人行天橋。項目周邊經(jīng)濟建設成熟，地下管線分布復雜。其中ABC匝道、主線橋樁基、硃山湖南路下穿通道、硃山一路下穿通道、龍靈大道下穿通道、全力三路道路改造、全力二路道路改造均涉及管線遷改，見表1。

2 頂管法施工場地工程地質條件分析

地層自上而下主要由6個單元層組成：1）單元人工填土層（Qml）。2）單元第四系全新統(tǒng)沖積形成一般黏性土層（Q4al）。3）單元第四系上～中更新統(tǒng)沖洪積形成的老黏性土層（Q3al+pl～Q2al+pl）。4）單元殘積層（Qel）。5）單元白堊-下第三系泥質粉砂巖和沙礫巖層（K-E）。6）單元為二疊系灰?guī)r炭質泥巖層（P）。根據(jù)各單元層內物理力學性質差異又可分為若干亞層。頂管施工穿越土層主要為②-2粉質黏土、③-1黏土和③-3粉質黏土夾碎石。各巖土層空間分布及工程特性見表2。

3 管線頂管施工過程參數(shù)監(jiān)測分析

為了根據(jù)穿越巖土工程地質條件控制頂管施工頂進參數(shù)，本文以頂管A工作井～B工作井頂進施工為例，頂進施工長度為350m，鋼頂管采用直線頂進和承插式接頭，頂管內直徑為2.2m，外直徑為2.24m，對頂進施工過程中的頂進速度、迎面壓力、主油缸頂力、中繼間頂力進行重點監(jiān)測[6-8]。圖1為頂管施工工程中頂進速度隨著累計頂進行程的變化關系。從圖1可以看出，當頂進行程小于100m時，頂管頂進速度呈現(xiàn)較大的波動，其變化范圍為1.5cm/min～

3.7cm/min。因為在該段范圍內頂進的過程中油缸給予的頂進力充裕，在土層中行進阻力較小，所以其頂進較快，為了控制平穩(wěn)，使頂進速度存在一定程度的波幅；當頂進行程大于100m時，進入正常頂進階段，頂管頂進速度控制平穩(wěn)，除個別畸點外，頂管的頂進速度約為2.7cm/min。

圖2為頂管頂進時的機頭迎面頂力以及主油缸的頂進力隨著累計頂進行程的變化關系。從圖2可以看出，當頂進行程小于100m時，頂管頂進迎面頂進力和主頂油缸頂力迅速增加，波動劇烈，且主頂油缸頂力顯著大于迎面頂力，因為剛進入頂進階段，速度控制不穩(wěn)定，此時頂管受到的側壁摩阻力包括動態(tài)和靜態(tài)兩種，且兩種狀態(tài)不斷變換。同時頂進距離越長，其受到的阻力也越大；當頂進行程大于100m時，為了避免出現(xiàn)超出量程問題，同時穩(wěn)定頂管迎面頂進力，采用中繼間頂進的方式施工。由此可以看出，隨著頂進行程增加，頂管迎面頂進力逐步趨于穩(wěn)定，收斂值約2370kN，而中繼間的收斂值約4049kN，同時主頂油缸頂力也趨于穩(wěn)定，控制收斂約8034kN。

4 管線頂管施工受力和變形變化規(guī)律分析

為了研究復雜環(huán)境下管線頂管的施工效果，對頂管頂進過程中的變形與應力進行相應的測試，變形測試內容主要包括頂管豎向位移與軸線的偏差，水平向位移與軸線的偏差，在管片頂部、軸線左側、軸向右側布置3個應力監(jiān)測點測試應力值，監(jiān)測時間為2022年10—11月，共60d。圖3為頂管豎向偏差與水平向偏差隨著累計頂進行程的變化曲線，從圖3中可以看出，當頂進行程小于150m時，頂管豎向偏差和水平向偏差均呈現(xiàn)劇烈波動，并表現(xiàn)累積效應，頂管豎向偏差范圍為0.11cm～4.94cm，水平向偏差范圍為-2.04cm～3.79cm，與頂管頂進速度、迎面壓力和頂力曲線的變化相比，頂管豎向偏差和水平向偏差的波動延長了50m的頂進行程，表現(xiàn)一定的滯后性；當頂進行程為150m～265m時，頂管水平向偏差呈現(xiàn)穩(wěn)定的變化趨勢，實測偏差收斂值為4.86cm，當頂進行程為265m～300m時，頂管進入接收工作井階段，水平向偏差呈現(xiàn)不同程度的波動，當頂進行程為150m～300m時頂管豎向偏差具有一定的波動，但頂進行程大于250m后波動幅度相對較小，平均值約1.50cm。

圖中豎向偏差正值表示向上變形，負值表示向下變形，水平偏差正值表示向頂進方向的左側變形，負值表示向頂進方向的右側變形。

圖4為距離機頭120m處頂管不同位置應力隨著時間變化情況，圖中應力正值表示壓應力，應力負值表示拉應力。從圖4可以看出，頂管不同位置的縱向應力明顯不同，頂部縱向應力和左側縱向應力均在頂進時間為10d內較小，右側縱向應力在頂進時間為30d內較小，頂部縱向應力最大值為56.4MPa，左側縱向應力最大值為-42.22MPa，右側縱向應力最大值為-19.83MPa。

5 結論

以武漢市經(jīng)濟開發(fā)區(qū)某管線遷改項目為研究對象，運用現(xiàn)場監(jiān)測的手段，對頂管頂進過程中的施工參數(shù)、頂管應力和變形進行監(jiān)測，研究各參數(shù)的變化規(guī)律，得到以下3個結論：1）當頂進行程小于100m時，頂管頂進速度呈現(xiàn)較大波動，其變化范圍為1.5cm/min～3.7cm/min；當頂進行程大于100m時，進入正常頂進階段，頂管頂進速度控制平穩(wěn)，約為2.7cm/min。2）當頂進行程小于100m時，頂管頂進迎面頂進力和主頂油缸頂力迅速增加，波動劇烈，且主頂油缸頂力顯著大于迎面頂力；當頂進行程大于100m時，為了避免主頂油缸超出工作量程，同時穩(wěn)定頂管迎面頂進力，啟動中繼間頂進，頂管迎面頂進力逐步趨于穩(wěn)定，收斂值約2370kN，而中繼間的收斂值約4049kN，同時主頂油缸頂力也趨于穩(wěn)定，控制收斂約8034kN。3）當頂進行程小于150m時，頂管豎向偏差和水平向偏差均呈現(xiàn)劇烈的波動，波動延長了50m的頂進行程，表現(xiàn)出一定的滯后性；當頂進行程為150m～265m時，頂管水平向偏差呈現(xiàn)穩(wěn)定的變化趨勢，實測偏差收斂值為4.86cm，當頂進行程為265m～300m時，呈現(xiàn)不同程度的波動，頂管豎向偏差則在頂進行程為150m～300m時均具有一定的波動。4）頂管不同位置的縱向應力呈現(xiàn)明顯的不同，頂部縱向應力和左側縱向應力均在頂進時間為10d內較小，而右側縱向應力在頂進時間為30d內較小，頂部縱向應力最大值為56.4MPa，左側縱向應力最大值為-42.22MPa，右側縱向應力最大值為-19.83MPa。

參考文獻

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