市政排水管道施工穿越流砂层的施工方法

      近年来，随着城市建设的规模和密度不断加大，文明意识和环保意识的不断加强，地下管线开挖施工导致的一系列社会问题、交通问题、环境问题越来越受人们的关注。特别是遇到穿越地质条件为流沙情况，如果施工方法不当不但会影响工程的质量，而且会延误施工进度，增加工程费用，甚至无法实现设计意图。下面以西干渠截污工程为例对排水管道施工穿越流沙层的施工方法选择进行分析。

01 工程和地质概况

      由于西干渠流经太原市区及城乡交错区域时，沿线污水排放严重，使得每次补充水均受到污染，污水随补充水进入晋阳湖，使得湖水受到污染，水质恶化。根据钻孔揭露地层、地下水位情况，拟建场地的流沙层介于2. 30～3.80m之间，地下水位标高介于786.42～ 787.45m之间，地下水类型为孔隙潜水，地下水主要补给来自西干渠渠水，由于施工场地就在西干渠旁边，故地下水位随季节性变幅不明显。设计污水预埋支管根据现状排污口的位置并结合城市规划路网等因素布置，起点分别位于西干渠东侧排污口附近或规划路口处，管道由东向西下穿西干渠接入新晋祠路路东侧现状污水管（井），管径D=1000mm，每段污水穿渠支管长约30m，坡度i=0. 002，埋深约5米左右。

02 施工方法选择

      根据西干渠截污工程的地下水位、管道埋深以及土质条件，经过施工现场环境调查，考虑了以下几种施工方法：

     （1）降水大开挖施工

    在地下水埋深浅且存在流沙的地质条件下进行沟槽深开挖的难度比较大，由于施工场地的限制加上布设井点费用高且需提前抽水，降水加大了地下水的流动速度 ，开挖后支护难度很大，此方法极易造成地面下沉还会影响周边建筑，存在较大安全隐患。

     （2）打拉森桩开挖

    此方法可以防止地面下沉和减小对周边建筑物的影响，但西干渠水供下游农田灌溉的水流量较大，现场狭窄致使改水无法实施。

     （3）用泥水平衡顶管施工

    此方法的作业范围仅限于工作井内及周边很小范围，对现状土体扰动很小，沉井由钢筋混凝土浇筑成型，对坑内作业人员起到很好的安全维护作用，基本不存在塌方隐患；但设计管道由东向西下穿西干渠接入新晋祠路路东侧现状污水管（井），采用泥水平衡顶管施工机头取出时必须破新晋祠路，由此引发的社会问题、交通问题、环境问题和成本增加问题很难解决。

     （4）用传统手掘式顶管施工

    遇到穿越地质条件为流沙情况，按传统的顶管措施进行施工，将会造成后背墙倒塌、挖掘面坍塌、渠底及路基下陷、套管顶裂缺陷、顶进方向偏离以及塌方隐患导致的操作人员的安全等问题，但采取有效的措施后可以解决上述问题。结合工程实际情况，西干渠截污工程穿渠管道施工采用此方法成功达到设计意图。 

03 采取措施

     用传统手掘式顶管施工遇到穿越地质条件为流沙情况，针对可能出现的问题采取以下措施：

    第一，为提高顶管操作的安全性，采用钢筋混凝土沉井方法修建工作坑，工作坑底部为混凝土浇筑，并在工作坑底部低点位置设一集水坑，用于收集和排除基坑四周和顶管过程的渗水。

    第二，在实际顶进中，顶力变化大，除土质、管径、管长等因素外，还与地下水位变化、顶进中断、附近震动影响及顶进质量等多方面因素有关。由于流砂含水量高，流砂中的水容易通过套管顶进端流入套管，使混凝土套管外壁与周围的流砂形成负压，增加了顶进的阻力，致使套管顶裂。为克服该困难，在套管的顶管端安装带有注浆孔的密封圈，和顶管机具相接的套管前端安装密封圈，使套管外壁和砂土之间形成一个密封空间，在顶管间歇，通过注浆孔将膨润土注入套管外壁和流砂之间。

    第三，为防止渠底及路基下陷，可以采取加长套管前端帽檐的办法，即保证在挖空套管前端的沙子，减少阻力的同时，又要保证帽檐上部的沙子不下流。由于流沙自然边坡比为 1： 0.8～1，所用套管外径为 96Omm，所以帽檐伸出套管最小长度为 96Omm，加上与套管固定长度 2OOmm，总长度为 960+200=1160mm，帽檐沿周向加筋板增加刚度，防止变形。也可以按以下要求挖沙子：

    A、第一次开挖采取多顶少挖的原则，以后则边顶边挖，严禁超挖。

    B、根据流砂的特征，工作面向前挖至0.2～0.4m时，顶进一次，挖出的土要及时外运。

    C、开挖后要及时顶进，及时测量，可使顶力限制在较小的范围内。

    D、挖砂时尽量开挖中心以下部分，避免在水泥套管外侧形成空洞。

    第四，挖掘面坍塌。 顶管过程中，由于工具管前挖掘面的土体坍塌、流砂，很难形成工具管头部正常需要的挖土空间，一方面造成顶力加大，另一方面造成头部的流砂堆积，并且由于土体缺乏顶管所必需的导向力，导致顶管过程中的关键环节纠偏工作难以进行，并且出土量大，引起地面沉陷，造成顶管无法正常进行工作，缺乏安全性、可靠性。 为防止出现流砂坍塌可采用压力注浆，即利用压力注浆技术在一定宽度范围内对流砂层进行固结注浆，通过浆液的胶结、填充等作用，提高流砂层的内聚力，并封堵地下水，达到顶进管前开挖和工作坑开挖不再出现流砂坍塌目的。为了使加固体尽快发挥作用，加快施工进度，并有效控制加固范围，可采用水泥―水玻璃双液低压注浆加固方案。水泥―水玻璃双液浆材具有两种浆材的优点：浆液粘度较低，可灌性较好，在水中可以迅速凝固，凝胶时间可在几秒到几十分钟内准确控制，结石率可高达98%以上，结石强度较高，且浆液本身无毒，对下游居民用水无污染。

    第五，顶管顶进方向偏离的控制。砂土层中顶管一般比较容易出现管头上下波动现象，主要是因为一方面由于砂土属于软弱土，砂土地基反力小，如果工具管设计重量过大，便很容易出现低头现象，另一方面如果没有很好的解决挖掘面的坍塌问题，便会出现工具管头部由于流砂堆积而出现仰头现象。砂土层顶管一旦出现偏差后纠偏难度很大。 因此采取一定的预防措施可减少偏差出现的机会和偏差量，预防措施主要有以下方面: 

      A、导轨是顶进中的导向设备，安装导轨时要反复检测，使中线、高程、坡度必须符合要求，顶进中应勤检查，防止偏差过大，确保顶进设备的安装精度。 

      B、顶进过程中应随时绘制顶进曲线，以利指导纠偏工作。

      C、工具管管帽切入砂土的长度，不可太长，防止砂土坍塌，导致工具管低头下沉。

      D、管道产生大量坍塌后，砂土在挖掘面上形成一个斜坡，上部的土坍空了，土压力减少了，切不可盲目猛顶，防止工具管迅速爬高。 

      E、及时了解管道各接头上实际顶推合力与管道轴线的偏心度。随时监测顶进中管节接缝上的不均匀压缩情况，从而推算接头端面上应力分布情况及推合力的偏心度，并以此调整纠偏幅度，防止因偏心度过大而使管节接头压损或管节中部出项环向裂缝。