摘要： 随着城市化建设步伐的加快,市政基础设施建设迅速向城市外围扩张,在砂层地质条件下的管道施工日益增加，采用非开挖顶管施工工艺的工程相继增多。本文以西安市地铁一号线大庆路段电力管道工程为依据，对砂层地质条件下人工顶管施工过程中出现的常见问题进行分析研究,探索砂层人工顶管施工工艺的控制要点及改进方法。
关键词：砂层地质条件 人工顶管控制要点
中图分类号：F470.1 文献标识码：A
随着西安市城市化建设进程的加快，市政基础建设发展迅速，城市管网建设日益增加。西安市地铁一号线供电系统采用非开挖人工顶管施工工艺，其中大庆路段电力管道处于砂层地质条件下，对于探索、研究在砂层地质条件下人工顶管施工工艺的控制要点及改进方法具有很强的代表性。
一、工程概况
西安市地铁一号线外部电源大庆路（枣园路―汉城南路）电力管沟工程，东起枣园路，终点接入汉城路现状电力管道，电力管沟全程783米。采用管径为2000mm钢承口Ⅲ级管，管道中线位于大庆路道路中线北侧22米处，为了减少施工对沿线交通的影响，采用人工顶管施工。
依据西安工程地质勘测公司提供的地勘报告：
1、拟建场地地形平坦，地面高程介于395.80~398.18米之间，沿线所经过地貌单元属皂河一级阶地和二级阶地。
2、场地稳定水深度介于11.50～12.50m之间，场地下水高程为383.50～383.60m，勘察期间处于高水位期。地下水位变化幅度为1.0～2.0m，属潜水型。参考类似工程降水经验，渗透系数K可采用8m/d。
3、据钻探报告提供，所见地层自上而下依次为人工填土，第四系全新统冲洪积(Q4al+pl)黄土状土、中粗砂和粉质粘土，上更新统风积(Q32eol)黄土、残积(Q31eol)古土壤，砂层处于4.5～6.5m、8.70~14.00m处，呈带状分布。
二、工作坑支护的选用
依据地勘报告，以及现场勘测数据，在砂土中开挖工作坑，由于砂土的不稳定性容易出现坍塌，一般需要采用注浆砂层加固或者采用插打钢模板等施工方法来进行支护。这样投入的附加成本较大，在经济方面不适合砂层人工顶管施工。考虑安全、质量、进度、经济等多方面因素决定采用采用井坑一体施工方案，工作井（接收井）采用钢筋混凝土逆作法支护。具体施工方法：
1、根据设计检查井大小、考虑顶管工作面，同时工作坑又作为检查井，作为永久性实体，依据管径大小合理确定工作坑的尺寸。该项目由于管道为2000mm钢承口Ⅲ级管，结合井坑一体，尺寸过大不经济，在达到工作需求的情况下确定为（4×5m）。
2、开挖深度依据设计深度，采用分段开挖，合理控制开挖深度，随挖随支护，确保安全。该项目工作坑分三段开挖，每段控制在（2.5-3m之间），人机配合开挖。
3、考虑到井坑一体，采用双层钢筋网片作为受力结构（一般采用HPB335>d16mm螺纹钢，具体根据井的深度定），考虑到施工过程中的砂层稳定性，按照梅花型布置钢筋锚杆。采用C30砼进行分段浇筑，厚度一般按照30cm控制。本项目采用双层双向网片采用φ22@200mm受力筋，锚杆采用1mφ22钢筋锚固，采用C30砼进行分段浇筑，厚度控制为30cm/40cm/50cm。
支护浇筑完成后就可以按照正常进行封底、安装导轨、千斤顶、在支护后背垫于钢板作为后背顶进。
三、先顶进后开挖的方法防止塌方
常规人工顶管施工情况下，采取先掘进出土再顶进的方式。这种工艺在砂层中容易出现坍塌，甚至冒顶。为了防止坍塌，大庆路砂层人工顶管采取先顶进后掘进的方式，在第一节管前设置工具管（钢管卷制支护45°切入管程），使其再顶力的条件下切入砂层，并其到顶部支护作用。由于掘进面的砂层稳定性差，坍塌后容易下滑，所以切入管的前段制成45°以便切入，前段采用角钢或槽钢加肋焊制，同时该段工具管可以设置格栅（主要应对不稳定地段，防止流沙层）。在施工时每次顶进50cm 左右，然后进行掘进出土，每次开挖，仅挖掘下半部分砂土，上面部分由于破坏稳定性，会自然滑落。当即将要坍塌致钢管端头时，立即停止挖掘出砂、继续顶进。如此不断循环，每次严格控制掘进尺寸，不使切入段外露，坚持“深顶进、短开挖、勤循环”的原则，能够合理控制坍塌。
四、触变泥浆减阻
在砂层条件下施工，如果由于条件限制，顶距过长、阻力过大情况下，为了保证管道顺利接通，可以采用触变泥浆减阻。触变泥浆的主要成分是膨润土，掺入碱（碳酸钠）和水配制而成。膨润土分散在水中，其片状颗粒表面带负电荷，端头带正电荷。如膨润土的含量足够多，则颗粒之间的电键使分散系形成一种机械结构，膨润土水溶液呈固体状态，一经触动（摇晃、搅拌、振动或通过超声波、电流）、颗粒之间的电键即遭到破坏，膨润土水溶液就随之变为流体状态。如果外界因素停止作用，水溶液又变作固体状态。顶管施工中就利用膨润土的这种触变性进行减阻施工。
大庆路管道施工中采用触变泥浆减阻工艺。
1、管道采用带有注浆孔洞的砼管，其次依据膨润土运到现场后分批测式膨润土的胶质价，然后按比例配制泥浆（重量比）。
2、前封闭管（前端刃脚工具管设封闭环）及后封闭圈，主要作用是防止泥浆从管端流出。
3、管道顶进20m后在管壁与土壁的缝隙间注入触变泥浆，形成泥浆套减阻。触变泥浆从前向后依次加入，顶进一段距离后及时进行补浆。为了使膨润土充分分散，泥浆拌合后停滞时间在12h以上。管道顶进时向管外压注触变泥浆，降低管道磨阻力。
4、加浆设备及加浆压力：加浆设备采用1-1B泥浆泵，加浆前先通过注水检查注浆设备，确认设备正常后方可灌注，压力控制在0.2Mpa左右，在灌注过程中按实际情况调整注浆压力，防止泥浆短路外溢，随着顶进不断进行注浆，并观察后背顶镐的顶力变化。
5 水泥、粉煤灰浆补浆：管道顶进施工完成后，使用高压注浆泵向管外注入水泥、粉煤灰浆液填灌顶管超挖空隙，最大限度减少地面沉降。补浆时由后向前交错压入水泥、粉煤灰浆液。
五、中继间技术使用
在砂层顶管施工过程，常用的另一种减阻技术―中继间技术。大庆路电力管道工程在施工过程中也采用了该技术。中继间技术技术主要是解决，当顶进阻力即顶管掘进迎面阻力和管壁周围摩擦阻力之和超过主顶千斤顶的容许总顶力或管节容许的极限压力或工作井后靠土体极限反推力，无法一次达到顶进距离要求时，采用该技术。实质是实行分段使实施每段管道的顶力降低到允许顶力范围内。
1、中继间的设置数量及安装位置
中继间安装的数量及位置应通过顶力计算，中继间的数量及其在顶进管段轴线上的位置应根据管道与土层的摩擦力计算来决定，设备的顶力使用应按设备顶力设计值的70%-80%考虑储备力。
F =F0 +RSL
式中：F――总推力（KN）F0――――初始推力（KN）
R――综合摩擦阻力（KPA）S――管外周长（M）L――推进长度（m）
2、中继间的构造：中继间主要有壳体（钢板制）与千斤顶组成，千斤顶分布固定在壳体上，安装独立的电、油路系统，壳体（机身）结构强度应符合实际顶力的要求。周边千斤顶分布应该下半部间距小，上半部间距大，中继间与前后管的连接缝不得于1.0cm，中继间设备拆装要方便。
3、中继间的工作顺序是：第一中继间顶完后卸油压开始第二中继间顶进，最后开始工作坑千斤顶的顶进，完毕，开始第一轮的循环顶进。中继间采用自动控制时须有专人巡视，发现故障立即断电。
4、中继间的使用与注意事项
在顶进过程中，中继间先把管子推进一小段距离以后，在由主顶的油镐推进最后一个区间的管子，每次顶进长度为20-30cm。中继间的供油方式：因中继间后区间的距离长，供油管长压力损失大，且易伤人，应采用在中继间附近安装一台油泵为中继间供油的方式，但因管径小安装设备安毕后，中继间顶进过程中所挖土方暂放在前几节管中，在中继间顶进过程中，中继间油缸推到行程以后，自己不能缩回，因为它是单作用油缸，待主顶镐推动后，方可拆除中继间的油泵，并将油泵移至管外，即可将管内存放的土运至管外，测量完毕，再将中继间油泵移至到中继间，安装完毕后方可挖土顶进如此循环作业。待管子顶通以后，将中继间分布，分段的拆除，边拆除一段边顶进后区间的管子，预防拆除空间太大造成塌方伤人事故。
通过对西安市大庆路电力管沟砂层地质条件下，人工顶管施工几种施工方法、施工工艺的分析，泥浆触变技术、中继间技术以及先顶后挖法在非开挖人工顶管施工中具有很强的操作性，同时对于砂层条件下安全性能具有良好的保障。
参考资料
1.古小辉普通顶管施工技术《河南水利与南水北调》 2011.12期
2.陈铁胜在松散砂层中顶管施工设想《中国土木工程学会市政工程分会2000年学术论文集》
