頂管技術(shù)在大伙房輸水工程管線施工中的應(yīng)用

王立明

（遼寧省大伙房水庫輸水工程建設(shè)局，遼寧 沈陽 110166）

1 概況

大伙房水庫輸水（二期）工程盤錦支線主副管線采用鋼頂管施工技術(shù)，頂進(jìn)總長度為588 m，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長度為8.5 m，頂管起點管中心高程為-16.91 m，頂管終點管中心高程為-15.15 m。

該工程施工區(qū)域位于遼河沖積平原遼河岸邊，為近代退海之地。右岸地勢較平坦，左岸地勢起伏變化較大，穿越段高程為2.39～5.20 m（土堤、魚塘），屬中等復(fù)雜場地。施工區(qū)域土質(zhì)情況自上而下依次為：耕植土、粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土夾粉土、粉細(xì)砂。

2 工作井接收井的結(jié)構(gòu)形式及尺寸

由于區(qū)域土層中粉細(xì)砂層，具有良好的觸變性及透水性，在具有一定水頭的動水壓力作用下易產(chǎn)生流砂，因此為了確保施工的安全性及可行性，將該段頂管工作井、接收井為沉井。工作井平面內(nèi)凈尺寸為7.95 m×15 m、接收井平面內(nèi)凈尺寸為φ5.0 m。

3 頂管施工的相關(guān)計算

3.1 工作井承壓壁后靠土體穩(wěn)定驗算

頂管施工前工作井的承壓壁后面的土體強(qiáng)度有必要加以驗算，計算依據(jù)DBJ08-220-96《市政排水管道施工及驗收規(guī)程》中的頂管后背土體穩(wěn)定驗算公式：

式中：P——頂管最大計算頂力，kN；Ep——工作井后靠井壁總被動土壓力，kN；Ea——工作井頂向井壁總主動土壓力，kN；γ——粉細(xì)砂的重度，15 kN／m3；H——工作井深度，m；θ——內(nèi)摩擦角°，取20°；C——內(nèi)聚力，kPa（取0）；B——工作井寬度，m。

一般工作井后靠土體的穩(wěn)定驗算按下式計算：

其中，S為穩(wěn)定系數(shù)，一般取S=1.0～1.2，土質(zhì)越差，S值越大。由于工作井周圍土體已經(jīng)發(fā)生了較大變化，因此為安全起見，該工程穩(wěn)定系數(shù)取1.2。

該工程頂管工作井的限制頂力為10 000 kN。

穿越大遼河段頂管工作井后靠土體穩(wěn)定驗算：

通過驗算可知，工作井承壓壁后靠土體穩(wěn)定。

3.2 頂力計算

其中：F——總推力；F1——迎面阻力；F2——頂進(jìn)阻力。

式中：D——管外徑1.82 m；P——控制土壓力；K0——靜止土壓力系數(shù)。

總推力F=58.16+1 680.15=1 738.31 t。工作井所能承受的最大頂力預(yù)計為1 000 t，因此選取800 t作為設(shè)計依據(jù)，并按規(guī)定取其80%作為油缸總推力，即 800×80%=640 t。

3.3 鋼頂管的浮力穩(wěn)定驗算

其中：F——浮力；ρ——密度；V——每節(jié)鋼管體積，取 0.912×3.14×8.5=22.1 m3。

P為正，則鋼管所受浮力不會對鋼管造成影響。

經(jīng)計算 F=324.9 kN；G土體=2 570 kN。

P=89.1+2 570-324.9＞0，因此，可確定鋼管所受浮力對頂管施工不會產(chǎn)生鋼管上浮的影響。

4 頂管頂進(jìn)前的準(zhǔn)備工作

1）對水準(zhǔn)點和導(dǎo)線點進(jìn)行復(fù)測，建立好測量控制網(wǎng)。

2）在頂管頂進(jìn)施工前，按照施工要求進(jìn)行施工用電、用水、排水及照明等設(shè)備安裝。

3）工作井現(xiàn)場平面布置主要是管材堆放位置、吊車停放位置、發(fā)電機(jī)位置、泥漿排放池、清水池等。

4）頂管基座位置按管道設(shè)計軸線進(jìn)行放樣、就位、安裝、固定。基座上的導(dǎo)軌按照設(shè)計軸線，并按實測洞口中心居中放置，并設(shè)置好支撐進(jìn)行加固，保證基座穩(wěn)定不變形。井內(nèi)布置主要是后靠背、前方洞止水圈、主頂油缸、油泵車、鋼扶梯等。工作井洞口止水圈安裝兩道止水，確保其中一道止水失效后，另一道能繼續(xù)起到止水作用。

5 頂管施工方法和技術(shù)措施

5.1 頂管工具

采用DN1800泥水平衡頂管機(jī)，泥水平衡式頂管掘進(jìn)機(jī)還裝有主頂速度檢測儀、傾斜儀等，可對頂進(jìn)速度、機(jī)頭旋轉(zhuǎn)、水平傾角進(jìn)行測量。主頂進(jìn)系統(tǒng)設(shè)置4只250 t單沖程等推力油缸，行程1 500 mm，總推力1 000 t，4只主頂油缸組裝在油缸架內(nèi)，安裝后的4只油缸中心位置必須與設(shè)計圖一致，以使頂進(jìn)受力點和后座受力都保持良好狀態(tài)。

5.2 頂管頂進(jìn)中的測量工作

鋼頂管頂進(jìn)過程中，需要定期對軸線進(jìn)行復(fù)測，并對頂管機(jī)頭進(jìn)行跟蹤測量工作，而且在頂進(jìn)的過程中，也需要對整條管線進(jìn)行高程測量，及時發(fā)現(xiàn)并避免因浮力較大而引起的鋼管上浮情況。

5.3 工具管進(jìn)、出洞技術(shù)措施

為確保工具管安全進(jìn)、出洞，防止洞外土體坍塌及接收井洞口處土體流失、管子沉降等現(xiàn)象發(fā)生，對洞口位置土體進(jìn)行兩排旋噴加固。旋噴樁為φ800@600，旋噴設(shè)計強(qiáng)度為1.2 MPa。旋噴加固范圍平面位置以2根頂管中心線為基準(zhǔn)，向北、向南各延伸3.0 m。剖面位置以兩根頂管中心線為基準(zhǔn)，各向洞口上下延伸3.0 m。

為確保工具管的安全出洞，在洞口位置對土體進(jìn)行3排旋噴樁加固。旋噴樁為φ800@600，旋噴設(shè)計強(qiáng)度為1.2 MPa。旋噴加固范圍平面位置以兩根頂管中心線為基準(zhǔn)，向北、向南各延伸3.7 m。剖面位置以兩根頂管中心線為基準(zhǔn)，各向洞口上下延伸3.7 m。

1）工具管進(jìn)洞。當(dāng)工具管距接收井還有100 m左右時，應(yīng)加強(qiáng)軸線復(fù)測力度，及時調(diào)整機(jī)頭姿態(tài)，從而確保正確進(jìn)洞；機(jī)頭進(jìn)洞前，在接收井洞口的封堵磚墻上先打一檢查孔，檢查土質(zhì)情況及確定機(jī)頭位置；接收井澆筑時已在洞口封門距沉井外井壁5 cm處砌筑一道50 cm的磚墻。當(dāng)機(jī)頭至接收井離井壁50 cm時，放出機(jī)頭正確位置，再按機(jī)頭位置將接收井洞口處磚墻拆除（磚墻敲碎后形成圓洞的直徑應(yīng)比機(jī)頭直徑大2 cm左右）；機(jī)頭進(jìn)洞后，一直推進(jìn)到第一節(jié)管子到達(dá)設(shè)計位置后停止頂進(jìn)，并立即將預(yù)留孔和管壁之間的空隙用快硬抗?jié)B水泥砂漿填充密實封堵洞口。

2）工具管出洞。出洞前先將洞口止水裝置裝在機(jī)頭上，并做好推進(jìn)準(zhǔn)備。

機(jī)頭出洞前首先需要在洞口磚墻上均勻地開4個小觀察孔，以檢查洞外土體能否自立，是否有流沙、漏水現(xiàn)象。若流沙、漏水現(xiàn)象嚴(yán)重，則不能開門洞，需要對洞口外土體重新加固，才可出洞。如果流沙、漏水現(xiàn)象不嚴(yán)重，則將洞口磚墻快速拆除，同時推進(jìn)機(jī)頭使止水裝置靠到前墻，再將止水裝置固定好。

為了減小機(jī)頭及管子出洞時的阻力，在進(jìn)行洞口封門施工時設(shè)置注漿管，以供正常頂管施工時注入觸變泥漿，從而減小管子與土體之間的摩阻力。

5.4 頂進(jìn)技術(shù)措施

1）加固土體段的頂進(jìn)。機(jī)頭出洞后，在加固土體段頂進(jìn)時要嚴(yán)格控制頂速，保持1 cm/min的速度頂進(jìn)，一邊推進(jìn)一邊向機(jī)頭前的土體加水，以減小切土阻力，減小刀盤扭矩。

2）泥水平衡頂管施工中泥水的選擇。在泥水平衡頂管施工過程中，應(yīng)針對各種不同土質(zhì)條件，來控制不同的泥水。地質(zhì)報告顯示，大遼河主、副管線主要從粉細(xì)砂及粉質(zhì)粘土層中穿過。根據(jù)經(jīng)驗，在粉質(zhì)粘土中頂進(jìn)時，泥漿比重可采用1.0～1.07；在粉細(xì)沙中，泥漿比重可采用1.07～1.13。

3）中繼間。經(jīng)計算得知頂管的總推力大于設(shè)計主頂油缸的總推力，故需設(shè)置中繼間進(jìn)行中間接力頂進(jìn)。頂進(jìn)時，為確保安全，當(dāng)頂力達(dá)到中繼間設(shè)計推力的60%時，需設(shè)置中繼間，當(dāng)頂力達(dá)到中繼間設(shè)計推力的80%時需啟動中繼間，中繼間設(shè)計總推力F′=800 t，由16只50 t小千斤頂組成。此段頂管長度為588 m，因此需要設(shè)置3個中繼間。中繼間主要由前方筒、后方筒和短行程千斤頂組（16個，每個50 t，沖程為30 cm）、均壓環(huán)等組成，并配置液壓、電器、操縱系統(tǒng)。中繼間密封用一個特殊形狀的密封圈，可有效地起到止水及防止翻轉(zhuǎn)的作用。中繼間油缸被夾，固定在內(nèi)殼體上，油缸均勻布置在殼體內(nèi)，油缸頭尾部均與鋼環(huán)連接。

在實際施工中，中繼間安裝、啟動時機(jī)相當(dāng)重要，主要視頂力的上升速度而定。由于頂管頂進(jìn)時，會發(fā)生一些不可預(yù)見的因素，如遇見硬土層等，造成頂力的急劇上升，此時，就必須啟動待用的中繼間。因此，頂進(jìn)過程中的不間斷監(jiān)測非常重要，以免貽誤中繼間啟動時機(jī)，造成頂管失敗。當(dāng)主頂頂力超過640 t時，就要馬上啟動機(jī)頭后的第一個中繼間，以后在頂進(jìn)過程中，一旦主頂頂力達(dá)到640 t，就要依次啟動中繼間。管子推進(jìn)完成以后，逐個把中繼間油缸拆卸下來，并通過后面中繼間和主頂逐個將其拼攏。

5.5 注漿減阻措施

在頂進(jìn)過程中，通過頂管機(jī)尾部的同步注漿孔與管道上的預(yù)留孔向管節(jié)外壁壓注一定數(shù)量的減摩泥漿，采用多點對稱壓注,使泥漿均勻地填充在管節(jié)外壁和周圍土體間的空隙，來減小管節(jié)外壁和土體間摩阻力，起到降低頂進(jìn)阻力的效果。施工過程中，泥漿應(yīng)保證不失水、不沉淀、不結(jié)塊。

5.6 鋼管焊接、探傷等工藝、焊接質(zhì)量保證措施及各工序之間的銜接

鋼管內(nèi)外環(huán)向縱縫采用手工陶瓷襯墊焊，焊接時管體固定，焊接坡口處必須清除鐵銹、油污、水份，表面須經(jīng)打磨光，無凹凸不平。

由于大遼河鋼頂管工序較多，包括鋼管的頂進(jìn)、焊接、探傷、防腐等工序，因此各工序間的銜接將非常重要，為了確保各工序的順利銜接，減少時間的浪費，必須做到以下幾點：

1）頂管施工隊頂進(jìn)一節(jié)鋼管，并在后續(xù)吊管前通知鋼管焊接人員到現(xiàn)場進(jìn)行準(zhǔn)備工作，以便后續(xù)鋼管安裝完成后，及時進(jìn)行鋼管焊接。

2）鋼管焊接完成后，自然冷卻一段時間，并及時通知探傷人員進(jìn)行焊縫的探傷工作。

3）焊縫探傷的同時，通知防腐人員進(jìn)行準(zhǔn)備工作，待探傷結(jié)果合格后，立即進(jìn)行管壁外側(cè)（焊縫處）的防腐工作。

4）防腐工作完成后，及時通知頂管施工人員就位，待防腐材料晾干后，立即進(jìn)行鋼管頂進(jìn)工作。

6 頂管管道通風(fēng)措施

工程管道埋設(shè)較深，頂距長，管道內(nèi)會明顯缺氧，在管道施工過程中，應(yīng)加強(qiáng)通風(fēng)，保證管道內(nèi)有足夠的新鮮空氣。在頂管頂進(jìn)過程中，將采取空壓機(jī)通風(fēng)措施，安裝通風(fēng)管道至機(jī)頭后部5 m處，通風(fēng)管道采用PVC管（φ108），保證管道內(nèi)的通風(fēng)，確保頂管頂進(jìn)過程中的安全。

7 頂管貫通后的置換注漿措施

在頂管進(jìn)洞后應(yīng)及時進(jìn)行后期鋼管外側(cè)的置換注漿，在原先的注漿孔內(nèi)用水泥攪拌的漿液進(jìn)行有效填充，使土體密實，有效的減少鋼管的沉降。

頂管貫通后，中繼間的背部構(gòu)件需要全部拆除掉，拆除時采用火焰切割，切口距離中繼間內(nèi)壁10 mm，而且在切割過程中要進(jìn)行仔細(xì)的連續(xù)濕潤降溫，切割后遺留于管內(nèi)壁上的頂進(jìn)環(huán)及其加強(qiáng)筋板殘端采用電動砂輪磨除至管壁表面。

中繼間的注漿孔需要首先進(jìn)行防滲處理，根據(jù)設(shè)計要求采用環(huán)氧樹脂或者彈性聚氨酯填充，之后采用封堵悶頭封堵，最后對封堵悶頭采取封焊。

標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)的注漿孔在置換注漿完成后采用封堵悶頭封堵，之后對封堵悶頭采取封焊。

8 結(jié)語

此次施工采用非開挖式頂管施工方法，大大加快了施工進(jìn)度，對施工沿線河道、河堤、公路起到了很好的保護(hù)作用，基本沒有影響施工沿線河道安全，沒有影響正常交通，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。