老城区复杂环境条件下大口径排水顶管施工技术.pdf

202310Building Construction2088老城区复杂环境条件下大口径排水顶管施工技术高 阔上海建工五建集团有限公司 上海 200063摘要：结合我国北方某老城区排水防涝管线建设工程，介绍了城市更新背景下老城区复杂环境下大口径排水顶管施工关键技术。针对复杂施工环境，通过建立力学模型分析计算安全距离，优化交通组织方案；施工中采用触变泥浆和智能化纠偏等技术，减少了顶管施工对周边环境和地层的影响，提高了施工精度。施工前、中、后对地面和建筑物进行监测，监测结果符合设计要求，验证了采取的关键技术的可靠性。关键词：复杂环境；大口径；排水顶管；关键技术中图分类号：TU992 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2023)10-2088-04 DOI：10.14144/ki.jzsg.2023.10.042Construction Technology of Large-diameter Drainage Pipe Jacking Under Complex Environmental Conditions in Old Urban AreasGAO KuoShanghai Construction No.5(Group)Co.,Ltd.,Shanghai 200063,ChinaAbstract:Based on the construction project of a drainage and waterlogging prevention pipeline in an old urban area in northern China,the key technology of large-diameter drainage pipe jacking construction in the complex environment of the old urban area under the background of urban renewal is introduced.For complex construction environments,the mechanical analysis models are established to calculate safety distances and optimize traffic organization plans;the use of thixotropic slurry and intelligent deviation correction techniques during construction can reduce the impact of pipe jacking construction on the surrounding environment and strata,and improve construction accuracy.The ground and buildings are monitored before,during,and after construction,and the monitoring results are analyzed to meet the design requirement which verifies the reliability of the key technologies adopted.The summarized experience can be used as a reference for similar projects in the future.Keywords:complex environment;large diameter;drainage pipe jacking;key technology38个单体工程，即36个管渠工程和2个泵站工程。新建排水管北起精勤泵站出口，南至浑河，采用顶管施工工艺，管材为DN2 800 级钢筋混凝土，全长904.84 m，其中5号始发井和4号接收井穿越二环快速路，区段长度94 m，设计地面标高为40.8948.99 m，管内底埋深为4.4010.44 m。目前，管道壅水严重，排水不畅，造成周围路面积水严重。1.2 场地工程地质及水文条件勘察报告表明，本项目地貌单元为河流冲洪积平原地貌，地形平缓，地面标高介于42.4046.85 m，最大地面高差4.45 m。场地地基土勘察范围内土层划分为6个工程地质层，自上而下分别为：杂填土、中砂、粗砂、砾砂、圆砾、砾砂。勘察期间场地见有一层地下水，为孔隙潜水，主要赋存于砾砂、圆砾层及砾砂层。现场测得初见水位埋深为9.0013.0 m，高程为32.4033.35 m。现场测得稳定水位埋深为9.5013.30 m，高程为32.9033.75 m。地下水主要受大气降水、地下水径流补给影响，根据地区以往的建筑勘察经验，估计年水位变化幅度为1.0 2.0 m。近年来，城市内涝严重影响了城市形象和居民生活幸福感，越来越受到社会关注。在我国城市更新政策背景下，各地方重点对老城区实施了积水点改造、泵站提升、运河水系综合治理、截污、海绵城市建设等工程，取得了良好的效果1-6。但在建设过程中，由于老城区施工环境复杂，对施工周边环境调研不充分，施工措施针对性不强，实施过程中发生较多质量和安全事故，产生了不良的社会影响。某城市排水管线工程为典型的老城区城市更新建设项目，施工区域地上及地下环境复杂，排水管径大，工期紧。在研究以往工程事故案例的基础上，以该项目为例，采取多项关键施工技术，保证了项目顺利推进。1 工程概况1.1 项目概述某北方老城区大口径排水防涝工程为EPC项目，共包含作者简介：高 阔（1985），男，本科，高级工程师。通信地址：上海市普陀区大渡河路858号（200333）。电子邮箱：收稿日期：2023-05-29市政工程MUNICIPAL ENGINEERING建筑施工第45卷第10期20892 工程难点、特点2.1 周边环境复杂，交通组织难度大项目位于城市中心老城区，施工区域沿线密布商业和住宅，交通和人流量大，高峰时段交通拥堵。施工期间，工作井开挖需占用机动车道，交通组织方案不合理，极易出现大规模交通拥堵，导致交通安全事故。2.2 管线沿快速路下方布置，地层变形控制极为严格顶管5号始发井和4号接收井区段穿越二环快速路，5号井至6号井区段沿二环快速路下方布置。顶管采用泥水平衡工艺，若遇突变地层容易导致地面下沉，为此，设计要求顶管期间地面沉降的变形值控制在15 mm以内，变形控制极为严格。2.3 顶管管径大，顶进长度长排水管设计采用DN2 800混凝土管，管径大，最长顶进长度为550 m，需要的顶进力大，顶进过程中易产生偏差，若纠偏不及时或控制失误，易引起地面沉降或突起、管线偏位等问题，影响地面交通和行人安全。2.4 老城区地下管线复杂，管线排迁保护难度大项目所在区域排水防涝设施历史久远，历经多次修建，部分路段存在运营的给水、排水、燃气等管线，以及勘察情况不明的废弃管道和地下构筑物，管线排迁保护涉及管理单位众多，协调难度大。3 关键技术实施3.1 交通组织措施施工期间占用丰乐二街机动封闭施工，原导行方案需双向占用4条机动车道，单向各保留1条机动车道，人行道保持原状，如图1所示。图1 丰乐二街原交通导行示意为减少施工期间交通压力下，提出了双向各增加1条机动车道方案的优化导行方案，如图2所示。通过建立地面车辆荷载对顶管影响的力学模型，采用有限元法进行求解分析，为现场科学决策提供支撑。图2 丰乐二街优化交通导行示意计算选取最不利施工段和最不利荷载组合，采用顶管道路断面和地层参数，取模型宽度30 m，深度8 m，两侧路面荷载取均布荷载30 kN/m2，车道宽度取5.6 m，围挡基础与顶管中心水平距离取值5.0 m。运用Abaqus进行了有限元分析，优化交通导行方案下车辆荷载对地下顶管施工时地层应力和变形的影响如图3、图4所示。可以看出，该距离范围内车辆荷载对一定深度范围内的暗挖作业影响极小，说明优化导行方案具有可行性。施工过程中地面未出现超设计的沉降值，验证了模型分析的准确性，且在施工期间未出现大范围交通拥堵。图3 地层应力云图 图4 地层变形云图3.2 采用触变泥浆减阻技术在顶进过程中，随着距离增加，管道的摩阻力也随之增大。为了提高顶进效率，降低管道外侧的阻力，采用触变泥浆减阻措施，向管外侧喷泄泥浆，管道外围形成泥浆套，降低顶进的阻力，减轻对地层扰动，进而减少路面的沉降或隆起变形。1）触变泥浆系统设置。注浆孔的形状及布置：在每节管的前端布置1道触变泥浆注浆孔，数量为4个，孔的位置呈90布置。泥浆管设置在顶管机后面4节管，在管节外壁形成完整的泥浆套，以后的管节间隔3节管设置1道（图5、图6）。泥浆套注浆孔注浆管顶管 图5 注浆孔布置示意 图6 注浆示意2）浆液配制。减阻泥浆采用膨润土配制而成，膨润土泥浆拌和时间一般为2030 min。泥浆制备后，须静置24 h方可使用，使其充分吸水，膨润成胶体。使用比重计测其相对密度，控制在1.15为宜。注浆使用挤压式注浆泵，注浆口压力控制在0.150.25 MPa。视储浆池内触变泥浆下降的速度及顶镐压力表读数调节注浆压力；膨润土进场后，先测定其胶质价，根据胶质价确定配合比，本工程采用膨高阔:老城区复杂环境条件下大口径排水顶管施工技术202310Building Construction2090润土胶质价在8090 mL/15 g之间取值，如表1所示。表1 膨润土泥浆质量配合比每15g膨润土胶质价/mL膨润土/kg水/kg碱/kg60701005242.03.070801005241.52.080901006142.03.03）顶进贯通后，通过触变泥浆管和注浆孔向管外壁注固结泥浆，置换掉原减阻泥浆，一方面起到稳固管线位置的作用，同时固结泥浆填充管线外壁与土体之间的间隙，减少受扰动土层后期变形。3.3 顶进过程智能化控制技术大口径顶管顶进过程中需不断纠偏。目前工程上顶管纠偏智能化程度较低，针对某公司生产的NSPD2800泥水平衡顶管机，研究了其自动纠偏系统流程和关键技术，并结合本项目需求，将现场测量数据接入顶管机自动纠偏系统，实现了地面监测系统、顶管姿态测量系统、纠偏动作系统的实时联动。自动纠偏系统如图7所示。地下控制箱PLC地面控制箱自动报警顶管姿态自动测量系统电源系统自动控制软件系统纠偏机械系统参数设置 指令地面监测数据控制（计算）中心图7 自动纠偏控制系统以5号始发井至4号接收井区间5-015-03管节间自动纠偏控制试验记录，对系统的有效性进行验证，见表2。表2 自动纠偏系统验证试验节段设定偏差值系统纠偏动作纠偏角度纠偏后偏差5-01右偏2.0，上偏2.0油缸保持5-02左偏3.0，下偏2.5左下、右下油缸伸出20mm，检测后左上、左下油缸伸出20mm右偏2.2，下偏2.0左偏0.8，下偏0.55-03右偏5，下偏1.5右上、右下油缸伸出30mm后保持左偏4.5右偏0.5，下偏1.0注：系统设定偏差阈值2。5-01节段，设定偏差为右偏2.0、上偏2.0时，偏差值未超出阈值，纠偏系统保持油缸同步，未启动纠偏；5-02节段，设定偏差为左偏3.0、下偏2.5时，双向偏差均超过阈值，先启动右上纠偏油缸，后启动左上纠偏油缸，纠偏过后左偏0.8、下偏0.5；5-03节段，设定偏差为右偏5、下偏1.5时，下偏差未超过阈值，右偏差超出阈值，启动左上纠偏油缸，纠偏过后右偏0.5、下偏1.0。以上试验段纠偏后偏差均在允许偏差值范围内，验证了系统智能化纠偏控制的精确性和可靠性。3.4 变形监测技术1）变形监测方案。顶管施工过程中对施工沿线道路地表沉降、房屋沉降、倾斜、重点管线沉降等进行观测。高程基准点在变形影响范围以外选用3个点，点位稳固。水平位移基准点设置在施工影响范围以外，以稳定安全明显的标记作为埋设观测墩。2）监测频率。施工期间计划每天测1次；监测部位紧密结合施工进度、工况进行分区、分段监测。实际监测频率根据施工工况、变化速率大小、场地地质条件等因素综合考虑，适时调整监测频率，做到科学合理，满足监测目的。当基坑周边土体变形增大或施工现场有异常情况发生时，及时增加监测频率。对基坑监测成果及时进行分析、判断。3）监测警戒值。路面沉降警戒值为15 mm或连续3 d变形速率超过5 mm/d；房屋的沉降警戒值为15 mm或连续3 d变形速率超过3 mm/d；倾斜度为2/1 000，连续3 d变形速率超过0.000 1H mm/d（H指建筑结构高度）；管线不发生明显位移。4 实施效果4.1 二环快速路沉降量控制分析根据修正剑桥模型计算，对二环快速路路基试验段进行沉降监测，试验段25个测点；顶管施工完成后，对二环快速路连续进行沉降量观测。原位观测沉降量与本次中心点法可靠性计算结果的频率直方图对比分析结果如图8所示，概率分布如图9所示。沉降量/mm频率密度/（103）观测值观测值计算值计算值43.532.521.510.5060070080090010001100沉降量/mm频率观测值观测值计算值计算值0.9950.990.950.90.750.50.250.050.10.005600700800900100011000.01 图8 路基沉降量频率直方图 图9 路基沉降量概率分布由图8可知，沉降观测结果与中心点法的计算值符合概率同分布的正态分布，其中沉降观测的标准值为0.875 m，方差为0.32 m。观测标准值略大于计算标准值，而方差小于计算值；由图9可知，地基沉降量观测值与计算值概率分布曲线接近，当沉降量为700 mm时，2条曲线相交，说明如果按照总沉降量1 000 mm预估地基沉降量，可以有100%高阔:老城区复杂环境条件下大口径排水顶管施工技术建筑施工第45卷第10期2091的保证率。而一级快速路基的工后沉降量仅允许15 mm，说明采用上述确定性分析方法的设计保证率在100%以上。在顶管施工过程中，通过沉降量控制研究及地表沉降观测，路面无裂缝、无沉降，保证了正常通车行驶。4.2 顶进全过程偏差分析顶管贯通后，对照设计轴线和高度对管道的实际定位进行测量，参照工程验收标准分别对顶管中心轴线和顶内底标高数据进行分析，绘制分布曲线，如图10、图11 所示。60504030201003-1#3-2#3-3#3-4#3-5#3-6#3-7#3-8#3-9#水平轴线偏差/mm管段顺次编号实测偏差值允许偏差值 3-1#3-2#3-3#3-4#3-5#3-6#3-7#3-8#3-9#50403020100102030405060管内底标高偏差/mm管段顺次编号实测偏差值允许偏差正值允许偏差负值 图10 水平轴线偏差拟合曲线 图11 管内底标高偏差拟合曲线由图10可知，管线水平轴线实测偏差值均小于允许偏差值，符合验收规范要求，且偏差值的发展趋势在逐渐减小；由图11可知，管线管内底标高偏差值在5040 mm之间，满足规范要求，从拟合曲线斜率来看，偏差趋于稳定，说明标高控制较好。综合以上实测数据分析，进一步验证了采取智能化纠偏技术措施的可靠性。5 结语在老城区进行大口径排水的顶管作业，施工难度大、影响范围广，在保证工程质量、安全的前提下，社会更加关注施工对居民日常生活和环境的影响。本项目实施过程中采用交通组织优化措施，应用触变泥浆技术和顶进智能化纠偏系统，实现了优质、安全、高效的项目管理目标，创造了较好的社会和经济效益，可为类似工程的实施提供借鉴。1 梁志坚,杨瀛.分仓注浆减阻方式在长距离顶管中的应用J.建筑施 工,2023,45(1):121-124.2 吕克金.城市复杂环境条件下的顶管施工工艺J.建筑施工,2017,39(7):1087-1089.3 姚峰.大直径排水管顶管施工技术研究J.建筑施工,2019,41(7):1322-1324.4 金顺清.大口径离心浇筑玻璃钢夹砂管在复杂环境条件下的顶管 施工技术J.建筑施工,2022,44(8):1907-1909.5 陈达,秦辉辉,赵京.地面施工荷载对地铁暗挖车站影响分析J.铁 道标准设计,2016,60(2):105-109.6 万文松.泥水平衡顶管机自动纠偏系统的关键技术研究D.合肥:合肥工业大学,2018.高阔:老城区复杂环境条件下大口径排水顶管施工技术（上接第2076页）验段成功的经验之后，本工程剩余浜塘采用就地固化技术可进一步压缩成本。4 结语本文以上海市浦东新区某新建市政工程为例，研究沟浜就地固化施工技术。由于项目工期紧张，且工程范围内明暗浜较多，开挖清淤工作量大，因此采用就地固化方案，可免去开挖、淤泥外运等工序，直接对土体进行原位处理，不需要大量购置二灰及其他回填材料，而是把原位的废土处理转化为好土，直接达到使用要求；对于整个工程来说，安排得当可实现工程废弃土及泥浆的零外运。通过对本工程施工及检测结果可知，就地固化强度符合设计要求且节约工程造价。该项技术可大大提高施工效率，能够实现减少污染并循环利用资源，节能环保，符合绿色施工标准，可为市政工程项目中的沟浜处理提供借鉴。1 王一凡,郭云汉.浅层土体固化技术在公路项目中的应用J.建筑施 工,2022,44(8):1927-1928,1933.2 吴连盛.就地浅层固化技术稳定性与可靠性研究J.城市道桥与防 洪,2022(2):186-188,192.3 李浩泉.基于环境保护的浜塘就地固化处理施工研究J.建筑技术 开发,2019,46(16):62-63.4 唐天华,石斌.六奉公路浜塘淤泥就地固化处理试验研究J.市政设 施管理,2018(4):4-5.5 王颖,陈永辉,程潇,等.就地固化技术处理道路浅层软基的试验研 究J.上海建设科技,2016(6):29-32.6 郑重.就地固化技术处理道路软基的施工研究J.区域治理,2019(10):215-216.7 楼秋红,罗杰.浅谈淤泥质土就地固化技术在湖杭高速公路建设中 的应用J.浙江交通职业技术学院学报,2021(4):13-16.8 胡佐平.道路工程软基处理的环保技术践行J.上海建设科技,2022(3):71-73.9 蔺媛媛.公路软土路基就地固化设计方案与处理效果分析J.交通 世界(下旬刊),2022(27):133-135.10 卢占伟,王爱君,石万山.就地固化加复合地基施工技术浅析J.公 路交通科技(应用技术版),2018(4):40-42.11 贺新良.就地固化技术在软基处理工程中的应用J.中国公路,2020(17):114-115.12 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