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1.頂管施工工藝

在地下管道施工中，采用頂管施工工藝能夠深入地下作業(yè)，而且占用場(chǎng)地小、作業(yè)噪聲小、周圍環(huán)境影響較小，具有開(kāi)挖埋管無(wú) 法 比 擬的優(yōu)點(diǎn)，因此逐漸成為地下管道施工的重要手段。隨著注漿減摩、中繼頂進(jìn)、頂進(jìn)導(dǎo)向等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，超過(guò)400 m的長(zhǎng)距離頂管工程已經(jīng)普及，1 000 m以上的超 長(zhǎng)距離也屢見(jiàn)不鮮，目前頂管最長(zhǎng)距離已經(jīng)達(dá)到2 050 m。但是在長(zhǎng)距離頂管工程中，經(jīng)常出現(xiàn)頂進(jìn)管道局部隆起的異常情況，管底隆起從十幾厘米至數(shù)十厘米，并已發(fā)生管底最 大隆起>2 m的案例。在頂管施工驗(yàn)收規(guī)范中，軸線偏差是衡量施工質(zhì)量的主要項(xiàng)目之一，重力流管道對(duì)高程偏差的要求更加嚴(yán)格，而管底局部隆起會(huì)嚴(yán)重影響管道功能的質(zhì)量，必須引起足夠的重視。

2.頂管失穩(wěn)分析

地下頂管受力情況復(fù)雜，主要包括迎面阻力、后端頂推力、沿管外壁分布的摩阻力等軸向力。地下頂管類似于細(xì)長(zhǎng)壓桿結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)距離頂管長(zhǎng)細(xì)比大多為200︰1～500︰1，最 大可達(dá)1 000︰1。由于受到管外土體的約束，頂管才不致失穩(wěn)。分布在管道同一側(cè)的頂推力稱為單邊荷載；分布在管道的不同側(cè)，并從一側(cè)傳遞到另一側(cè)的頂推力，稱為對(duì)角荷載。對(duì)角荷載主要出現(xiàn)在管線偏斜突然改變的地方。頂進(jìn)管道失穩(wěn)是因?yàn)楣艿乐車馏w提供的抵抗力矩小于偏心頂推力產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩，而造成管節(jié)偏離設(shè)計(jì)軸線[1]。



直線頂管管道失穩(wěn)的條件為：管節(jié)受到對(duì)角荷載作用，頂進(jìn)力達(dá)到一定值，管節(jié)的頂推偏心距較大，土體的承載力較差。失穩(wěn)通常會(huì)出現(xiàn)在離中繼間較近、管線偏斜方向突然改變的管節(jié)處，此處管節(jié)受到對(duì)角荷載作用，且頂推力較大。管道進(jìn)入曲線段后，管段之間的頂推力傳遞面靠向曲線內(nèi)側(cè)，管節(jié)受到單邊荷載作用，偏心受力。頂推力方向不一致，存在子項(xiàng)曲線外側(cè)的徑向分離，產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。隨著頂距增大，后續(xù)管節(jié)受到的頂推力和轉(zhuǎn)動(dòng)力矩也不斷增大，當(dāng)周圍土體反力提供的抵抗力矩小于轉(zhuǎn)動(dòng)力矩時(shí)，土體遭破壞，管道產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。



頂管局部隆起現(xiàn)象的本質(zhì)也是壓桿穩(wěn)定失效。當(dāng)土體約束力不足以抵抗管道變形時(shí)，管道穩(wěn)定開(kāi)始失效。土體約束力主要為被動(dòng)土壓力。



在土體性質(zhì)確定的情況下，土壓力主要和埋深相關(guān)。其分布呈現(xiàn)上部約束較小于下部約束力，上部土體易被破壞，尤其是在淤泥質(zhì)黏土等塑性土壤中，管道局部隆起是最常見(jiàn)的頂管失穩(wěn)現(xiàn)象。

3.頂管局部隆起失穩(wěn)的防治措施

3.1 頂管局部隆起失穩(wěn)的特點(diǎn)

通過(guò)對(duì)出現(xiàn)管道隆起失穩(wěn)的工程案例統(tǒng)計(jì)分析，可以發(fā)現(xiàn)頂管局部隆起失穩(wěn)通常呈現(xiàn)以下特點(diǎn)。


(1)隆起部位常位于河浜等淺覆土處。


(2)由于管節(jié)傳遞的頂推力從前往后逐步增大，隆起部位通常位于頂管后端，靠近始發(fā)井處。


(3)曲線頂管直線轉(zhuǎn)換至曲線處，因管節(jié)受到對(duì)角荷載，管道易發(fā)生局部隆起失穩(wěn)。


(4)當(dāng)注漿減摩效果不佳，頂推力急劇增大時(shí)，管道易發(fā)生局部隆起失穩(wěn)。


(5)在軟弱土層施工長(zhǎng)距離頂管，管道易發(fā)生局部隆起失穩(wěn)。


(6)頂管局部出現(xiàn)隆起失穩(wěn)后，其管底隆起變形將會(huì)加速發(fā)展增大。

3.2 頂管局部隆起失穩(wěn)的預(yù)防措施

頂管局部隆起失穩(wěn)的直接原因是頂推力過(guò)大，降低頂推力是避免和減少局部隆起的關(guān)鍵。對(duì)于長(zhǎng)距離頂管應(yīng)該重視分析引起失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的因素，在施工前和施工過(guò)程中積極采取預(yù)防措施。主要預(yù)防措施如下：


(1)當(dāng)頂管沿線存在河浜等淺覆土情況時(shí)，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件優(yōu)化設(shè)計(jì)。如淺覆土處靠近工作井，應(yīng)調(diào)整頂進(jìn)方向?qū)⒐ぷ骶優(yōu)榻邮站?，使淺覆土部位靠近終點(diǎn)；條件許可時(shí)對(duì)河浜采取臨時(shí)填土或堆載土袋的措施，以增加管頂荷載。


(2)在淤泥質(zhì)軟土層中頂管時(shí)，在曲線變化等易隆起失穩(wěn)部位，可采用高壓旋噴等方法事先對(duì)土體進(jìn)行加固，以提高土體反力。


(3)調(diào)整管線線型設(shè)計(jì)，避免在軟弱土層區(qū)域或在河浜等淺覆土處出現(xiàn)管線彎曲。


(4)縮小中繼間間隔，增加中繼間數(shù)量，降低最 大控制頂推力數(shù)值。


(5)在管道內(nèi)預(yù)先壓載。由于頂管處于不斷移動(dòng)狀態(tài)，壓載也應(yīng)方便移動(dòng)?？稍陧敼芄艿卒佋O(shè)鋼軌，壓載可采用橡膠水囊、砂箱、鋼錠、鋼筋等材料。


(6)采用先進(jìn)的注漿減摩工藝，盡力降低施工頂推力。


(7)調(diào)整管線豎向施工控制措施，當(dāng)出現(xiàn)隆起失穩(wěn)趨勢(shì)時(shí)，主動(dòng)降低管道高程。


在長(zhǎng)距離頂管施工中，對(duì)管底高程進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)極其重要。需要注意的是由于頂管結(jié)構(gòu)隨頂進(jìn)施工動(dòng)態(tài)變化，管內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)也應(yīng)隨頂進(jìn)向前延伸及時(shí)后移。長(zhǎng)距離管底高程監(jiān)測(cè)措施作業(yè)任務(wù)繁重工作量大，應(yīng)盡量采取自動(dòng)化手段縮短頂管停頓時(shí)間，避免因長(zhǎng)時(shí)間停頓造成頂進(jìn)阻力大幅上升。

3.3 頂管局部隆起失穩(wěn)的糾正措施

一旦監(jiān)測(cè)到管底有隆起的趨勢(shì)，須暫停頂進(jìn)并仔細(xì)分析原因制定對(duì)策，果斷采取糾正措施，及時(shí)制止并消除管底隆起。常用的糾正措施如下：


(1)及時(shí)啟動(dòng)全部中繼間以降低頂推力。


(2)加強(qiáng)注漿減摩操作的控制，通過(guò)改善注漿減摩效果降低頂推力。


(3)在隆起處管內(nèi)設(shè)置重物壓載，如已有壓載措施則應(yīng)增加荷載，如改換鉛塊等重物。


(4)在隆起部位的管道底部開(kāi)孔，采用高壓射流沖刷管底泥土。如果現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)孔不便，而且對(duì)管道結(jié)構(gòu)有不利影響，可事先在管材上設(shè)置預(yù)埋孔。


(5)在隆起部位管頂開(kāi)孔，向管外壓注黏土團(tuán)以增加頂部土體反力。


(6)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，在大直徑頂管施工中，減摩泥漿會(huì)呈現(xiàn)從管頂匯流到管底的趨勢(shì)，并在管底形成壓力聚集區(qū)，產(chǎn)生對(duì)管道向上的側(cè)向力。因此應(yīng)暫停隆起處管底減摩泥漿的壓注，安裝壓力表監(jiān)測(cè)管底外泥漿的壓力，必要時(shí)開(kāi)孔放漿以釋放壓力。


4.結(jié)語(yǔ)

(1)單獨(dú)使用上述某一項(xiàng)防治措施難以達(dá)到理想效果，而且可能會(huì)對(duì)正常頂進(jìn)作業(yè)造成嚴(yán)重干擾。實(shí)踐證明，只有根據(jù)實(shí)際情況組合使用上述措施，并且常抓不懈，才能取得理想的效果。


(2)隨著時(shí)代的發(fā)展和進(jìn)步，地下管道頂管工程在向長(zhǎng)距離化快速發(fā)展。長(zhǎng)距離頂管管道局部隆起失穩(wěn)，會(huì)對(duì)施工質(zhì)量造成重大影響，因此絕不能忽視。施工前應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，施工中則改進(jìn)工藝，采取預(yù)防措施，如對(duì)管底高程變化進(jìn)行密切監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)管道隆起及時(shí)采取措施。這樣才能有效控制頂管隆起失穩(wěn)的發(fā)展趨勢(shì)，直至消除隆起失穩(wěn)現(xiàn)象。

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