長(zhǎng)距離頂管施工主要技術(shù)措施

摘

要：嘉興污水處理排海頂管工程一次頂進(jìn)2060m，由于合理選擇了工具管形式，成功地解決了軸線控制和減阻泥漿等技術(shù)難題，只用了144天就完成了全部頂進(jìn)施工，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。

關(guān)鍵詞：排海工程

頂管

減阻泥漿

軸線控制

中繼間

一、工程概況

φ2000mm排海管道工程是嘉興市污水處理工程的一個(gè)重要組成部分。正常排放管總長(zhǎng)2060m，管道內(nèi)徑2000mm，從高位井向大堤外頂進(jìn)，埋深9.30～21.81m，出洞口管內(nèi)底標(biāo)高為-20.23m，前1747.5m為下坡(-2.5‰)頂進(jìn)，最后302.5m為平坡頂進(jìn)，終點(diǎn)管內(nèi)底標(biāo)高為-24.60m。頂進(jìn)施工采用F-B型鋼承口式鋼筋混凝土管、楔形橡膠圈接口、多層膠合板襯墊。

二、地質(zhì)資料

頂進(jìn)軸線上方覆土為粉土層；淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，局部夾少量薄層粉土；粉質(zhì)粘土。地質(zhì)剖面見圖1。

三、工具管選型

正常排放管在出洞后的150～200m范圍內(nèi)是④層砂質(zhì)粉土夾粉砂，然后穿過④a層粉質(zhì)粘土、⑤層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土～淤泥質(zhì)粘土。經(jīng)多方論證，最終決定采用大刀盤泥水平衡式工具管。

四、主要技術(shù)措施

1.減阻泥漿

頂進(jìn)施工中，減阻泥漿的應(yīng)用是減小頂進(jìn)阻力的重要措施。頂進(jìn)時(shí)，通過工具管及混凝土管節(jié)上預(yù)留的注漿孔，向管道外壁壓入一定量的減阻泥漿，在管道外圍形成一個(gè)泥漿套，減小管節(jié)外壁和土層間的摩阻力，從而減小頂進(jìn)時(shí)的頂力。泥漿套形成的好壞，直接關(guān)系到減阻的效果。

為了保證壓漿的效果，在工具管尾部環(huán)向均勻地布置了4只壓漿孔，頂進(jìn)時(shí)及時(shí)進(jìn)行壓漿。工具管后面的3節(jié)混凝土管節(jié)上都有壓漿孔，以后每隔2節(jié)設(shè)置1節(jié)有壓漿孔的管節(jié)?；炷凉芄?jié)上的壓漿孔有4只，呈90°環(huán)向交叉布置。壓漿總管用φ50mm白鐵管，除工具管及隨后的3節(jié)混凝土管節(jié)外，壓漿總管上每隔6m裝1只三通，再用壓漿軟管接至壓漿孔處。

頂進(jìn)時(shí)，工具管尾部的壓漿要及時(shí)，確保形成完整、有效的泥漿套?；炷凉芄?jié)上的壓漿孔供補(bǔ)壓漿用，補(bǔ)壓漿的次數(shù)及壓漿量需根據(jù)施工時(shí)的具體情況而確定。

由于頂進(jìn)距離長(zhǎng)，一次壓漿無法到位，需要接力輸送，因此在管道內(nèi)共設(shè)置5只壓漿接力站，平均每隔300m左右設(shè)1站。壓漿接力站的作用有兩個(gè)，一是運(yùn)輸作用；二是承擔(dān)至前面壓漿接力站管道部分的補(bǔ)壓漿。

減阻泥漿的性能要穩(wěn)定，施工期間要求泥漿不失水、不沉淀、不固結(jié)，既要有良好的流動(dòng)性，又要有一定的稠度。頂進(jìn)施工前要做泥漿配合比試驗(yàn)，找出適合于施工的最佳泥漿配合比。表1是本工程所采用的減阻泥漿控制參數(shù)，表2是減阻泥漿的配合比。

表1

減阻泥漿的控制參數(shù)

頂進(jìn)時(shí)

穿越大堤時(shí)

視粘度MPa.s

16

54

失水量mL

8

8.5

泥并mm

2

2

pH值

8.5

8.5

重度N/cm3

10.9

11.1

動(dòng)切力Pa

11.7

30.6

靜切力Pa

19

53.1

膠體率%

100

100

狀態(tài)

略稠

厚稠

表2

減阻泥漿配合比(kg/m3)

頂進(jìn)時(shí)

穿越大堤時(shí)

膨潤土

130

150

水

870

850

純堿

4.5

6

CMC

4

5.4

拌制減阻泥漿要嚴(yán)格按操作規(guī)程進(jìn)行，催化劑、化學(xué)添加劑等要攪拌均勻，使之均勻地化開，膨潤土加入后要充分?jǐn)嚢?，使其充分水化。泥漿拌好后，應(yīng)放置一定的時(shí)間才能使用。通過儲(chǔ)漿池處的壓漿泵將泥漿壓至管道內(nèi)的總管，然后經(jīng)壓漿孔壓至管壁外。施工中，在壓漿泵、工具管尾部等處均裝有壓力表，便于觀察，從而控制和調(diào)整壓漿的壓力。

頂進(jìn)施工中，減阻泥漿的用量主要取決于管道周圍空隙的大小及周圍土層的特性，由于泥漿的流失及地下水等的作用，泥漿的實(shí)際用量要比理論用量大得多，一般可達(dá)到理論值的4～5倍，但施工中還需根據(jù)土質(zhì)情況、頂進(jìn)狀況及地面沉降的要求等做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

本工程的減阻泥漿運(yùn)用十分成功，全長(zhǎng)2060m的頂進(jìn)最大頂力不超過8500kN。把頂進(jìn)過程中的頂力曲線和泥漿用量(實(shí)際用量與理論用量之比，用百分比表示)曲線通過處理后可以得到頂力、泥漿用量與距離之間的關(guān)系圖(圖2)

圖2

頂力和泥漿用量與距離的關(guān)系圖

由圖2可以看到，除出洞階段外，頂力曲線很平滑，頂力增加十分緩慢，最大值為8500kN。由于在出洞階段無法建立完整的泥漿套，因而泥漿用量較少，但當(dāng)泥漿套建立好以后，泥漿的用量就隨著頂進(jìn)距離的延長(zhǎng)而增加，頂進(jìn)結(jié)束時(shí)，泥漿的用量達(dá)到理論值的8倍。泥漿的用量之所以隨著頂進(jìn)距離的延長(zhǎng)而有較大增加，主要是補(bǔ)壓漿造成的，因?yàn)殡S著線路的增加，補(bǔ)壓漿的量要大大超過工具管尾部的壓漿量。

管道外壁和土體間的摩阻力的大小是衡量泥漿減阻效果的標(biāo)準(zhǔn)，圖3是本工程頂進(jìn)過程中管道外壁和土體間的摩阻力曲線圖。

圖3

摩阻力曲線圖

圖3真實(shí)反映了頂進(jìn)過程中側(cè)向摩阻力的變化情況。在出洞階段，由于泥漿套無法建立，因而側(cè)向摩阻力比較大，隨著泥漿套的建立，摩阻力急劇減小。頂至200m時(shí)，側(cè)向摩阻力為2.1kN/m2；頂至600m時(shí)，側(cè)向摩阻力為1.1kN/m2；頂至1500m時(shí)，側(cè)向摩阻力為0.5kN/m2；頂至2000m時(shí)，側(cè)向摩阻力為0.3kN/m2。上述值均遠(yuǎn)小于規(guī)范中的取值及利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的值，也遠(yuǎn)小于以往同類工程中的實(shí)際值。顯然，側(cè)向摩阻力隨著頂進(jìn)距離的增加而逐漸減小，是和泥漿的用量隨著頂進(jìn)距離的延長(zhǎng)而增加有直接關(guān)系的。

2.中繼間應(yīng)用

正常排放管總長(zhǎng)2060m，在出洞后的150～200m范圍內(nèi)，頂進(jìn)斷面主要為④層砂質(zhì)粉土夾粉砂，隨后的頂進(jìn)主要在⑤層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和淤泥質(zhì)粘土中進(jìn)行。因土層變化較大，頂進(jìn)阻力在各土層中不同，考慮到長(zhǎng)距離頂管的特殊性并結(jié)合以往同類工程的施工經(jīng)驗(yàn)，原施工組織設(shè)計(jì)中擬布置14只中繼間進(jìn)行接力頂進(jìn)。

中繼間采用二段一鉸可伸縮的套筒承插式結(jié)構(gòu)，偏轉(zhuǎn)角α=±2°，端部結(jié)構(gòu)形式與所選用的管節(jié)形式相同，外形幾何尺寸與管節(jié)基本相同。在鉸接處設(shè)置2道可徑向調(diào)節(jié)密封間隙的密封裝置，確保頂進(jìn)時(shí)不漏漿，并在承插處設(shè)置可以壓注潤滑脂的油嘴，以減少頂進(jìn)時(shí)密封圈的磨損。中繼間的鉸接處設(shè)置4只注漿孔，頂進(jìn)時(shí)可以進(jìn)行注漿，減小頂進(jìn)阻力。

頂進(jìn)至194.1m時(shí)，根據(jù)頂進(jìn)施工所獲得的數(shù)據(jù)計(jì)算，管節(jié)外壁和周圍土體的摩阻力介于2～3kN/m2，是比較小的，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合以往的施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)中繼間的位置作了適當(dāng)調(diào)整，以減少中繼間的投入，并能確保頂進(jìn)的順利進(jìn)行。

由于第1、第2號(hào)中繼間已經(jīng)放置，第3號(hào)中繼間位置也已確定(因電纜等的長(zhǎng)度已定)，因而中繼間布置從第4只開始調(diào)整。

調(diào)整后，正常排放管共設(shè)置9只中繼間，具體布置位置見表3。

表3

中繼間位置

中繼間

位置（管節(jié)后）

間距（m）

累計(jì)距離（m）

1

10

30

30

2

42

96

126

3

85

129

255

4

165

240

495

5

250

255

750

6

330

240

990

7

415

255

1245

8

495

240

1485

9

580

255

1740

主頂

310

2050

注：表中間距及累計(jì)距離中未計(jì)中繼間長(zhǎng)度，其長(zhǎng)度在第9號(hào)中繼間后計(jì)入調(diào)整。

頂進(jìn)至1102.3m時(shí)(中繼間布置了5只)，管節(jié)外壁和周圍土體的摩阻力為0.5kN/m2左右，波動(dòng)基本不超過0.1kN/m2。經(jīng)計(jì)算并結(jié)合頂進(jìn)施工的工藝要求，又對(duì)中繼間的位置作出了調(diào)整(因第1至第5號(hào)中繼間已經(jīng)放置，因而中繼間布置從第6只開始調(diào)整)。

調(diào)整后，正常排放管共設(shè)置8只中繼間，具體布置位置見表4。

中繼間

位置（管節(jié)后）

間距（m）

累計(jì)距離（m）

1

10

30

30

2

42

96

126

3

85

129

255

4

165

240

495

5

250

255

750

6

372

366

1116

7

472

300

1416

8

557

255

1671

主頂

379

2050

注：表中間距及累計(jì)中未計(jì)中繼間長(zhǎng)度，其長(zhǎng)度在第8號(hào)中繼間后計(jì)入調(diào)整。

由于先后兩次根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整了原來的中繼間布置，最終只設(shè)置了8只中繼間，節(jié)約了大量的資金，也減少了后期處理工作。

3.測(cè)量及軸線控制

在頂進(jìn)過程中，經(jīng)常對(duì)頂進(jìn)軸線進(jìn)行測(cè)量，檢查頂進(jìn)軸線是否和設(shè)計(jì)軸線相吻合。在正常情況下，每頂進(jìn)1節(jié)混凝土管節(jié)測(cè)量1次，在出洞、糾偏、到達(dá)終點(diǎn)前，適當(dāng)增加測(cè)量次數(shù)。施工時(shí)還要經(jīng)常對(duì)測(cè)量控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測(cè)，以保證測(cè)量的精度。

隨著頂進(jìn)距離的不斷增長(zhǎng)，軸線偏差測(cè)量需接站觀測(cè)，從而產(chǎn)生接站誤差。因此頂進(jìn)前按不同的頂進(jìn)里程，制定了相應(yīng)的軸線平面偏差測(cè)量方法；高程偏差測(cè)量采用水準(zhǔn)接站測(cè)量，先測(cè)得工具管中心標(biāo)高，再與設(shè)計(jì)高程相比較就可得高程偏差。

另外，指示軸線在頂進(jìn)工程中，必須利用聯(lián)系三角形法定期進(jìn)行復(fù)測(cè)，以保證整個(gè)頂進(jìn)軸線的一致性。

為了較好地解決測(cè)量用時(shí)問題，要盡可能減少測(cè)量接站數(shù)，在轉(zhuǎn)站處利用特殊發(fā)光源作為目標(biāo)，再利用放大倍率較大的瑞士T2經(jīng)緯儀觀測(cè)；測(cè)定工具管前進(jìn)的趨勢(shì)，同樣能達(dá)到減少測(cè)量時(shí)間的目的。

在實(shí)際頂進(jìn)中，頂進(jìn)軸線和設(shè)計(jì)軸線經(jīng)常發(fā)生偏差，因此要采取糾偏措施，減小頂進(jìn)軸線和設(shè)計(jì)軸線間的偏差值，使之盡量趨于一致。頂進(jìn)軸線發(fā)生偏差時(shí)，通過調(diào)節(jié)糾偏千斤頂?shù)纳炜s量，使偏差值逐漸減小并回至設(shè)計(jì)軸線位置。

施工過程中，及時(shí)了解工具管的趨勢(shì)對(duì)糾偏十分有利。如果軸線偏差較小，且趨勢(shì)較好(沿設(shè)計(jì)方位)，就可省去不必要的測(cè)量和糾偏，提供更多的頂進(jìn)時(shí)間；如軸線偏差較小，但工具管前進(jìn)趨勢(shì)背離設(shè)計(jì)軸線方向，則要及時(shí)進(jìn)行有效的糾偏，使工具管不致偏離較大。

測(cè)量采用高精度的全站儀，激光經(jīng)緯儀和水準(zhǔn)儀。工具管內(nèi)設(shè)有坡度板和光靶，坡度板用于讀取工具管的坡度和轉(zhuǎn)角，光靶用于激光經(jīng)緯儀進(jìn)行軸線的跟蹤測(cè)量。

圖4-1、圖4-3是根據(jù)施工過程的軸線偏差繪制的曲線，圖4-2、圖4-4是竣工后的軸線偏差曲線。

圖4-1

施工過程軸線水平偏差曲線

圖4-2

竣工后軸線水平偏差曲線

圖4-3

施工過程軸線高程偏差曲線

圖4-4

竣工后軸線高程偏差曲線

從圖4可以看出，竣工后的測(cè)量結(jié)果與頂進(jìn)過程中的測(cè)量數(shù)據(jù)基本上是吻合的，說明所采用的測(cè)量方法是合適的，測(cè)量精度能夠滿足施工的要求。

4.糾旋轉(zhuǎn)的技術(shù)措施

正常排放管前300m(100節(jié)管書)的平直線段內(nèi)，共布置了16只垂直頂升口，垂直頂升口對(duì)旋轉(zhuǎn)有很高的要求，轉(zhuǎn)角不得超過1°，否則就會(huì)影響垂直頂升的施工，因此，控制好前300m管道的旋轉(zhuǎn)十分重要。

為了減小管節(jié)之間的相互轉(zhuǎn)動(dòng)，在前300m范圍內(nèi)的管節(jié)的兩端設(shè)置了止轉(zhuǎn)裝置。通過止轉(zhuǎn)裝置將前300m管道連接成一個(gè)整體，從而減小整段管道在頂進(jìn)過程中的旋轉(zhuǎn)。

雖然安裝了止轉(zhuǎn)裝置，但由于施工過程中管道受力不均衡，管道還是產(chǎn)生了比較大的轉(zhuǎn)角，為此，施工時(shí)根據(jù)各垂直頂升口的轉(zhuǎn)角大小，輔以一定數(shù)量的壓重塊糾正轉(zhuǎn)角，這種方法效果很明顯。頂進(jìn)結(jié)束時(shí)，16只垂直頂升口的轉(zhuǎn)角均控制在允許的范圍內(nèi)。

5.水力機(jī)械化施工

正常排放管的頂進(jìn)距離為2060m，因此泥水