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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)，而且占用場地小、作業(yè)噪聲小、周圍環(huán)境影響較小，具有開挖埋管無 法 比 擬的優(yōu)點，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、頂進導向等技術的廣泛應用，超過400 m的長距離頂管工程已經(jīng)普及，1 000 m以上的超 長距離也屢見不鮮，目前頂管最長距離已經(jīng)達到2 050 m。但是在長距離頂管工程中，經(jīng)常出現(xiàn)頂進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。在頂管施工驗收規(guī)范中，軸線偏差是衡量施工質量的主要項目之一，重力流管道對高程偏差的要求更加嚴格，而管底局部隆起會嚴重影響管道功能的質量，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。地下頂管類似于細長壓桿結構，長距離頂管長細比大多為200︰1～500︰1，最 大可達1 000︰1。由于受到管外土體的約束，頂管才不致失穩(wěn)。分布在管道同一側的頂推力稱為單邊荷載；分布在管道的不同側，并從一側傳遞到另一側的頂推力，稱為對角荷載。對角荷載主要出現(xiàn)在管線偏斜突然改變的地方。頂進管道失穩(wěn)是因為管道周圍土體提供的抵抗力矩小于偏心頂推力產(chǎn)生的扭轉力矩，而造成管節(jié)偏離設計軸線[1]。



直線頂管管道失穩(wěn)的條件為：管節(jié)受到對角荷載作用，頂進力達到一定值，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)受到對角荷載作用，且頂推力較大。管道進入曲線段后，管段之間的頂推力傳遞面靠向曲線內(nèi)側，管節(jié)受到單邊荷載作用，偏心受力。頂推力方向不一致，存在子項曲線外側的徑向分離，產(chǎn)生轉動力矩。隨著頂距增大，后續(xù)管節(jié)受到的頂推力和轉動力矩也不斷增大，當周圍土體反力提供的抵抗力矩小于轉動力矩時，土體遭破壞，管道產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。



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



在土體性質確定的情況下，土壓力主要和埋深相關。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，尤其是在淤泥質黏土等塑性土壤中，管道局部隆起是最常見的頂管失穩(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

通過對出現(xiàn)管道隆起失穩(wěn)的工程案例統(tǒng)計分析，可以發(fā)現(xiàn)頂管局部隆起失穩(wěn)通常呈現(xiàn)以下特點。


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


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


(5)在軟弱土層施工長距離頂管，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加速發(fā)展增大。

3.2 頂管局部隆起失穩(wěn)的預防措施

頂管局部隆起失穩(wěn)的直接原因是頂推力過大，降低頂推力是避免和減少局部隆起的關鍵。對于長距離頂管應該重視分析引起失穩(wěn)風險的因素，在施工前和施工過程中積極采取預防措施。主要預防措施如下：


(1)當頂管沿線存在河浜等淺覆土情況時，應根據(jù)現(xiàn)場條件優(yōu)化設計。如淺覆土處靠近工作井，應調整頂進方向將工作井變?yōu)榻邮站?，使淺覆土部位靠近終點；條件許可時對河浜采取臨時填土或堆載土袋的措施，以增加管頂荷載。


(2)在淤泥質軟土層中頂管時，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土體進行加固，以提高土體反力。


(3)調整管線線型設計，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)預先壓載。由于頂管處于不斷移動狀態(tài)，壓載也應方便移動?？稍陧敼芄艿卒佋O鋼軌，壓載可采用橡膠水囊、砂箱、鋼錠、鋼筋等材料。


(6)采用先進的注漿減摩工藝，盡力降低施工頂推力。


(7)調整管線豎向施工控制措施，當出現(xiàn)隆起失穩(wěn)趨勢時，主動降低管道高程。


在長距離頂管施工中，對管底高程進行持續(xù)監(jiān)測極其重要。需要注意的是由于頂管結構隨頂進施工動態(tài)變化，管內(nèi)監(jiān)測點也應隨頂進向前延伸及時后移。長距離管底高程監(jiān)測措施作業(yè)任務繁重工作量大，應盡量采取自動化手段縮短頂管停頓時間，避免因長時間停頓造成頂進阻力大幅上升。

3.3 頂管局部隆起失穩(wěn)的糾正措施

一旦監(jiān)測到管底有隆起的趨勢，須暫停頂進并仔細分析原因制定對策，果斷采取糾正措施，及時制止并消除管底隆起。常用的糾正措施如下：


(1)及時啟動全部中繼間以降低頂推力。


(2)加強注漿減摩操作的控制，通過改善注漿減摩效果降低頂推力。


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


(4)在隆起部位的管道底部開孔，采用高壓射流沖刷管底泥土。如果現(xiàn)場開孔不便，而且對管道結構有不利影響，可事先在管材上設置預埋孔。


(5)在隆起部位管頂開孔，向管外壓注黏土團以增加頂部土體反力。


(6)實踐經(jīng)驗表明，在大直徑頂管施工中，減摩泥漿會呈現(xiàn)從管頂匯流到管底的趨勢，并在管底形成壓力聚集區(qū)，產(chǎn)生對管道向上的側向力。因此應暫停隆起處管底減摩泥漿的壓注，安裝壓力表監(jiān)測管底外泥漿的壓力，必要時開孔放漿以釋放壓力。


4.結語

(1)單獨使用上述某一項防治措施難以達到理想效果，而且可能會對正常頂進作業(yè)造成嚴重干擾。實踐證明，只有根據(jù)實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)隨著時代的發(fā)展和進步，地下管道頂管工程在向長距離化快速發(fā)展。長距離頂管管道局部隆起失穩(wěn)，會對施工質量造成重大影響，因此絕不能忽視。施工前應優(yōu)化設計方案，施工中則改進工藝，采取預防措施，如對管底高程變化進行密切監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)管道隆起及時采取措施。這樣才能有效控制頂管隆起失穩(wěn)的發(fā)展趨勢，直至消除隆起失穩(wěn)現(xiàn)象。

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