非开挖顶管施工技术在城市管网中的应用研究

廖 芳 (深圳市市政工程总公司 广东 深圳 518109)

地下管道网络系统,是城市建设的重要组成部分。随着经济的快速发展和城市人口的不断增长,现存的市政设施与日益增长的人口之间的矛盾日渐突出,诸多城市现存设施不能满足城市发展与人口增长的需要,如中水、自来水、煤气、电力和通讯管道的铺设、维修都是在需要的时候再对街道路面“开腊剖肚”,从而导致交通堵塞、破坏既有基础设施、环境污染等一系列问题,对市民的生活和城市形象造成很大的影响。因此。地下管网建设的非开挖施工成为大势所趋,无论是在管道的铺设中还是管道的置换与修复中,都对推动城市建设发挥着积极意义。

一、非开挖顶管施工技术概述

所谓非开挖施工技术,是在不挖开路面的前提下,实施地下铺设管线,如刚性管道、光纤电缆、高压电线等等,也可以在河底、建筑物地下,铺设管线。

现今社会几乎所有的人类活动都离不开地下管线,大量的新管线需要铺设,现有的管线需要及时的检修、维护和修复。而传统的开挖技术具有很大的局限性,已经不能适应新时代的需要,如造成交通不便、影响环境、施工周期长、成本高等。此外,如古迹保护区、闹市区、农作物和植物保护区、穿越铁路、高速公路、建筑物、河流等地施工十分困难,甚至根本无法进行施工。因此,非开挖技术运用而生。

非开挖技术源于20世纪70年代,并于90年代传入我国,目前被广泛应用于给水、排水、电力、通信、燃气等领域的新管道建设和旧管道修复,也可以应用于文物、古建筑的保护等方面。

非开挖铺设地下管线技术是指利用岩土钻掘定向、测控等技术手段,在地表不挖槽和地层结构破坏极小的情况下,对诸如供水、煤气、天然气、污水、电信电缆等公用管线进行铺设的施工技术。它的技术核心是导向钻进、定向钻进、微型隧道掘进、冲击矛、夯管法和顶管等技术。非开挖铺管技术可用来铺设直径40mm 至2500mm 的各种地下管线,距离可达十几米至上千米。

非开挖技术包括三方面内容:新管线铺设,现有管线的检查和维护以及陈旧管线的修复和替换,在动力电缆、通讯电缆和光缆、上下水道、输油输气管道、环境治理工程和基础工程等领域有着广泛的应用。

非开挖技术的特点和应用潜力,主要表现在四个方面:一是不阻碍交通、不污染环境、不破坏植被、不影响周边建筑物、不影响居民的一切生活和工作秩序。二是可以按最短的合理途径穿越河流、湖泊、公路、铁路、城市建筑物等施工效率高,节约材料消耗,降低施工费用,而传统的施工方法是无法做到的。三是由于使用了高精度的跟踪定位技术或MWD技术,可以控制铺管的方向和路径,从而避开地下原有的公共设施和施工复杂区。四是有较好的经济效益和社会效益。在可比性相同的条件下,非开挖管线铺设、更换修复的综合经济效益和社会效益均高于开挖施工,管径越大埋深越大时越明显。

二、非开挖顶管施工技术的基本理论依据

(一)气压平衡技术理论

在非开挖顶管施工技术的具体使用过程中,其在顶级管道技术组件之上,以及在挖掘作业面技术结构之上应当存在和分布一定数量的压力空气物质形态。借由对压力空气物质形态的运用,能够具体针对土层技术结构或者是地下水施加一定强度的推动力,且借由开展全气压平衡处理技术环节,以及局部气压平衡处理技术环节,具体助推顶管技术组件能够顺利到达预先设定的接收技术空间位置。

(二)土压平衡技术理论

为扎实且充分地平衡处置顶管掘进机技术设备所处土层技术空间位置的地下水压力因素和土层压力因素,通常应当考虑在基于非开挖顶管施工技术的施工作业技术活动过程中,针对顶管掘进机技术设备的土舱结构组成部分施加适当强度的压力作用。

(三)泥水平衡技术理论

所谓泥水平衡,就是要在非开挖顶管施工技术具体运用过程中,始终控制确保实际引入运用的泥水施工材料,能够在密度水平层面具备稳定性,同时还要具备相对充分的粘性。在实际运用的泥水施工材料充实顶管掘进机技术设备泥水舱组成结构之后,通常可以考虑基于外部对其施加一定表现强度的压力负荷作用,继而实现对地下水压力强度与土层压力强度的恰当控制。

三、非开挖顶管施工技术的应用优势

(一)对非开挖顶管施工技术的引入运用,能够有效提升施工活动的总体进度,缩短施工活动过程的总体持续时间,避免具体推进的施工作业活动过程给周边环境造成不良影响。

(二)对非开挖顶管施工技术的引入运用,通常能够控制规避针对周边建筑物或者是构筑物的不良影响作用,实现对原有管道线路技术组件网络系统的有效保护,避免对原有民用建筑物的地基结构组成部分施加影响破坏作用,保证民众的正常生活秩序,确保具体化施工时间进度和各项施工环节的顺利推进。

(三)对非开挖顶管施工技术的引入运用,有助于改善提升施工活动环节的文明程度。源于顶管施工活动环节开展过程中的开挖量,以及土方弃用量都相对较少,客观上不会引致发生各种形式的不文明行为,还能控制降低施工活动推进过程对施工现场周边环境施加的污染破坏程度。

(四)对非开挖顶管施工技术的引入运用,有助于获取良好工程施工质量。顶管施工活动环节通常不会针对道路交通设施的路面结构组成部分施加较大程度的影响,客观上能够有效控制维持总体施工质量水平,并且支持具体推进的施工任务环节顺利获取良好效果。

四、非开挖顶管施工技术的具体运用

(一)大磡河流域水环境综合治理工程的基本情况概述

大磡河流域水环境综合治理工程(初雨处理设施除外)项目位于深圳市南山区西丽街道大磡村,地处西丽水库上游,为西丽水库的主要入库支流。大磡河治理范围包括全流域面积为3.70km,包括建成区面积为1.10km,生态区面积为2.60km,也即是全流域治理,具体内容包含河道整治、山洪解放、雨污分流、初雨收集处理,以及生态绿化和服务设施建设。本项目顶管均采用带破岩功能的泥水平衡施工工艺,利用分洪沟中下游段经建成区,布置DN2000混凝土顶管及DN3000混凝土顶管连接至大磡河,顶管埋深介于5.5～12.0m,坡度介于3‰～5‰。DN2000顶管694m,DN3000顶管843m,共计1537m,顶管工作井采用圆形井,内尺寸为Ф8500mm,共3座;顶管接收井采用Ф6000mm,共3座;顶管接收井采用Ф6500mm,共2座;顶管接收井5500mm*5000mm,共1座;顶管工作井施工采用沉井工艺,接收井施工采用逆作法工艺。

(二)施工过程的技术质量控制要点及措施

施工前,全面认真查阅分析设计图纸及有关资料,走访有关部门,摸清管线位置及埋深并予以标明,提前办理占道施工许可手续并与管线产权单位签订安全保护协议,及时办理动土作业确认表。对个别情况不明管线,采取人工探挖方式,确定对工程无干扰时再组织施工,必须摸清楚地下情况,做到施工前心中有数,必要时建议建设单位委托勘察单位对沿线管线进行勘探。

1.顶管施工遇孤石、顶管机顶进过程中无法顶进时的处理措施

在沿线顶管穿越的花岗岩层中可能存在差异风化和球状风化现象,会对施工造成不利影响。遇球状风化体时,建议采取如下措施

(1)在地面具备条件时从地面钻孔预裂爆破、冲孔清除。

(2)遇孤石群,则向土仓加气压稳定工作面,采用低转速、低扭矩、低推力谨慎掘进。

(3)施工中遇到地勘未探明孤石时采取地面钻孔静爆预裂处理。预裂处理的施工方法为:

①分段引孔、分段爆破。引孔在顶管左右线结构轮廓线外1m 范围内布置,填石层和孤石引孔深度穿透填石层,基岩突起处引孔深度进入顶管底0.5m,宽度为顶管两侧各1m;引孔采用点阵式布置,间距300×300mm,静态爆破引孔直径为42mm。

②静态爆破。静态爆破施工方法由具体实施的相关单位完成;管线、重要建(构)筑物爆破安全震动速度1.5cm/s。

③爆破效果检测。设置检测孔,采用地质钻孔,对预裂爆破岩石进行检测,以确保顶管顺利通过。

④引孔封堵。静态爆破后需要对所有的爆破孔和检测孔实施封堵,并确保密实。

⑤爆破监测。爆破实施期间,对周边重要建(构)筑物、管线、高压线塔进行振动频率监测。

⑥要求施工单位在设备采购时,结合地质条件,选用硬岩破碎能力较强的顶管机。

2.顶管下穿越软硬不均及硬岩地层处理措施

(1)顶管下穿越软硬不均及硬岩地层的具体里程详见顶管平面及纵断面图。

(2)顶管穿越软硬不均及硬岩地层时需控制顶管自身各项掘进参数,控制好顶管推进速度及姿态,保持推进速度的恒定和稳定,加强同步注浆和二次注浆,采取信息化施工,加强建构筑物的监控量测,信息及时反馈,严格控制沉降和位移,确保顶管顺利掘进通过。

(3)其它辅助措施

顶管施工应加强超前地质预报,并做好相应的措施。场坪平整、围挡、管线临时保护、苗木迁移等现场措施,苗木、沟壑、高边坡等施工措施,按经批准的施工组织方案实施,以实际发生进行确认。

3.粉质黏土层顶进措施

采用清水顶进携渣,泥水平衡模式顶进能有效排出刀盘渣土、减小刀盘油压和防止刀盘泥饼的形成。控制顶进速度和刀具贯入度,降低泥水比重。泥水含土量与粘度超过要求时及时更换清水循环顶进,泥水中超细颗粒采取压滤处理。

粉质黏土顶管顶进参数

4.杂填土土层顶进措施

(1)杂填土条件下长距离顶管防止失稳、保证工程质量措施

①针对杂填土的特点,采用设备改造等手段设计合理的注浆减摩方案减小摩阻力。

②缩短中继间之间的距离减小摩阻力。

③减小管道偏斜,在顶进施工时做好监测方案,做到边施工边监测,基于杂填土的不均匀性特点,一定要提高监测频率。

④采取合理的纠偏措施,基于杂填土的不均匀性特点,一定要提高随时纠偏频率,同时提高纠偏精度,降低需要纠偏的误差值标准。

⑤减小中继间的偏斜,保证管道的偏斜在合理范围内。

⑥采用钢承口管橡胶圈接口,它的最大张角可达30左右,也不会产生接口渗漏,可靠性较好。

(2)杂填土条件下大管径泥水平衡顶管质量保证措施

①针对杂填土及管径的特点,采用设备改造等手段在合理范围内适当提高注浆量,减小顶进滑行阻力。

②提高了中继间布置的可靠性,缩短了中继间间距,减小顶力,当总推力达到设计推力的50%,安装第一个中继间,以后当总推力达到设计推力的70%时放置第二个中继间。

③杂填土具有空隙大、材质分布不均匀,存在跑浆(浆流入杂填土内部)的现象,常规的注浆量不能满足该工程的注浆需要,因此,应提高注浆量。

④增加注浆孔密度。杂填土土体材质不均匀性、空隙大,增加了注浆孔的数量,常规土体进行施工时,注浆孔的数量为每三节相邻管材设一节有注浆孔的管子,每根管材长2.5米,因此常规土体注浆时注浆密度为每7.5米设一组注浆孔,由于杂填土的特点需要提高注浆量,本项目注浆孔数量为每两个相邻管材设置一节有注浆孔的管子,即注浆密度为每5米设一组注浆孔。

⑤增大注浆机注浆能力。由于注浆量的增大,为了保证注浆压力的均衡,必须增大注浆机的注浆能力,本项目注浆机由原来的扬程为100m 的UBH 型螺杆泵注浆机更换为扬程为300m 的1-1B型螺杆泵注浆机。

⑥测量控制管理技术。基于杂填土的不均匀特点,根据前文提出的杂填土条件下长距离大管径泥水平衡顶管成套技术方案。提高高程与轴线偏差的测量频率,对于管道轴线控采用红外线经纬仪测量,为纠偏提供依据,管道高程则采用,水准仪,每节管道测量2个点。

结束语

综合分析现有研究成果可以知道,在基于非开挖顶管施工技术在城市地下管道网络技术系统的施工过程中,要严格遵照执行施工技术操作规程,控制各项施工技术参数。参与施工人员必须全面系统地学习和掌握非开挖顶管施工技术的基本理论和技术,全面考量各类影响因素,积极开展基于施工技术细节层面和技术参数层面的调整优化,提升总体施工效率和施工质量。