非開(kāi)挖頂管施工技術(shù)在市政排水管網(wǎng)施工中的應(yīng)用

李克鵬

摘 要：經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，非開(kāi)挖施工技術(shù)在我國(guó)得到飛速的發(fā)展。非開(kāi)挖工程技術(shù)較好的解決了管道埋設(shè)施工中對(duì)城市道路的破壞和道路交通的堵塞等難題，在穩(wěn)定土層和環(huán)境保護(hù)方面優(yōu)勢(shì)明顯。這對(duì)交通繁忙、人口密集、地面建筑物眾多、地下管線復(fù)雜的城市是非常重要的，它將為城市創(chuàng)造一個(gè)潔凈、舒適和美好的環(huán)境。

關(guān)鍵詞：非開(kāi)挖；頂管；土壓平衡；管道

1 場(chǎng)地環(huán)境

本工程位于某城市快速路西側(cè)、秦淮河北岸，施工場(chǎng)地原地貌為混凝土路面，屬小區(qū)道路，為小區(qū)及沿線門(mén)面進(jìn)出服務(wù)，通過(guò)南側(cè)出口上河堤道路后通往雙龍大道，車(chē)流量較小。道路寬20米，占用南側(cè)半幅10米作為施工場(chǎng)地。

北側(cè)為小區(qū)樓房，框架結(jié)構(gòu)。距管道中心線約20.5米。南側(cè)為秦淮新河，管道距河堤堤頂約40米。在南側(cè)綠地上有一道高壓線，最近處水平距離約10.6米。西側(cè)是一小型泵站，為本工程管道出口。管道起點(diǎn)段地下為地鐵下行線區(qū)間盾構(gòu)隧道，埋深19米。

2 工程簡(jiǎn)介

管道全長(zhǎng)208米，內(nèi)徑1500mm，采用頂管施工。起點(diǎn)處管內(nèi)底標(biāo)高為6.75m，位于雙龍大道西側(cè)人行道上；終點(diǎn)管底標(biāo)高6.54m。全線管道埋深5.5m～5.8m（出水口處除外），坡度1‰。

全線設(shè)兩座工作井（YA2、YA4）、兩座接收井（YA1、YA3）。

工作井為鋼筋混凝土矩形井，頂管完成后作為雨水檢查井。井埋深約7米，采用支撐下開(kāi)挖法施工，工作井開(kāi)挖施工采用拉森鋼板樁支護(hù)。

接收井為鋼筋混凝土圓形井，頂管完成后作為雨水檢查井。井埋深約6.2米，采用人工挖孔逆作法護(hù)壁直至井底，再進(jìn)行井的結(jié)構(gòu)施工。

共投入兩套頂管設(shè)備，一套在YA2井內(nèi)實(shí)施Ⅰ、Ⅱ段的施工；另一套設(shè)備在YA4井內(nèi)實(shí)施Ⅲ、Ⅳ的施工。兩套設(shè)備同時(shí)進(jìn)行施工，先施工Ⅱ、Ⅲ段，實(shí)際頂距70m；再施工Ⅰ、Ⅳ段，實(shí)際頂距16m（34m）。

3 施工工藝

1、施工方法的選擇

因管道所在土層土質(zhì)情況較差，雜填土幾乎占到一半以上，且以建筑垃圾為主，土體結(jié)構(gòu)松散，密實(shí)度差。地下水位較高，雨季及雨天出水量大。

綜合各方面因素，采用土壓平衡的施工方法。

土壓平衡法施工的主要特征是在頂進(jìn)過(guò)程中，利用土倉(cāng)內(nèi)的壓力和螺旋輸送機(jī)排土來(lái)平衡地下水壓力和土壓力。與泥水式頂管施工相比，最大的特點(diǎn)是排出的土或泥漿不需要再進(jìn)行泥水分離等二次處理；與手掘式及其他形式的頂管施工相比較，又具有適應(yīng)土質(zhì)范圍廣和不需要任何其他輔助施工手段的優(yōu)點(diǎn)。

2、施工工藝流程

在坑內(nèi)的頂部軸線后方，布置一組行程較長(zhǎng)的導(dǎo)軌。將敷設(shè)的管道放在主油缸前面的導(dǎo)軌上，管道的最前端安裝工具管，主油缸頂進(jìn)時(shí)，以工具管開(kāi)始推著前面的管道擠過(guò)坑壁上的穿墻管，把管道壓入土中。與此同時(shí)，進(jìn)入工具管的泥土被不斷挖掘排出管外（取土的方法分機(jī)械取土、人工取土）。當(dāng)主油缸達(dá)到最大行程后縮回，放入頂鐵，主油缸繼續(xù)頂進(jìn)。如此不斷加入頂鐵，管道不斷向前延伸，當(dāng)坑內(nèi)上的管道幾乎全部頂入土中后，縮回主油缸，吊去全部頂鐵，將下一節(jié)管段吊下坑，安裝在管段的后面，接著繼續(xù)頂進(jìn)，如此循環(huán)施工，直至頂完全程。

3、頂管機(jī)頭

（1）頂管機(jī)的選擇

選用DK式單刀盤(pán)土壓平衡頂管機(jī)，也稱(chēng)大刀盤(pán)土壓平衡頂管機(jī)。

（2）工作原理

先由工作井中的主頂進(jìn)油缸推動(dòng)頂管機(jī)前進(jìn)，同時(shí)大刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)切削土體，切削下的土體進(jìn)入密封土倉(cāng)與螺旋輸送機(jī)中，并被擠壓形成具有一定土壓的壓縮土體；經(jīng)過(guò)螺旋輸送機(jī)的旋轉(zhuǎn)，輸送出切削的土體。

密封土倉(cāng)內(nèi)的土壓力值可通過(guò)螺旋輸送機(jī)的出土量或頂管機(jī)的前進(jìn)速度來(lái)控制，使此土壓力與切削面前方的靜止土壓力和地下水壓力保持平衡，從而保證開(kāi)挖面的穩(wěn)定，防止地面的沉降或隆起。

由于大刀盤(pán)無(wú)面板，其開(kāi)口率接近100%，所以設(shè)在隔倉(cāng)板上的土壓計(jì)所測(cè)得的土壓力值就近似于掘削面的土壓力。

根據(jù)頂管機(jī)開(kāi)挖面不同地層的特性，通過(guò)向刀盤(pán)正面和土倉(cāng)內(nèi)加入清水、粘土漿（或膨潤(rùn)土漿）、各種配比與濃度的泥漿或發(fā)泡劑等添加材料，使一般難以施工的硬粘土、砂土、含水砂土和砂礫土改變成具有塑性、流動(dòng)性和止水性的泥狀土，不僅能被螺旋輸送機(jī)順利排出，還能頂住開(kāi)挖面前的土壓力和地下水壓力，保持刀盤(pán)前面的土體穩(wěn)定。

若增加刀盤(pán)的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力和變換刀盤(pán)體，還能在泥巖、強(qiáng)風(fēng)化與中風(fēng)化砂巖中掘進(jìn)施工，也能用于易坍塌的含水砂層以及混有卵石的砂礫層等各種地層，這種頂管機(jī)對(duì)土層的適應(yīng)性較強(qiáng)。

（3）土壓控制范圍

該機(jī)型的施工原理是建立在土壓平衡理論基礎(chǔ)上的。即：掘進(jìn)機(jī)正面壓力與所處土層的地下水壓Pw和土壓力P處于平衡狀態(tài)；排土量與掘進(jìn)機(jī)頂進(jìn)體積的平衡。

該機(jī)面板上設(shè)有土壓力傳感器，可精確測(cè)量土倉(cāng)內(nèi)土壓力P， 在理論上我們將P控制在Pa～Pp之間，這樣就能達(dá)到了土壓平衡。

從實(shí)際施工來(lái)看，在復(fù)土層較深時(shí)，主動(dòng)土壓Pa～被動(dòng)土壓Pp的變化范圍較大，加上理論計(jì)算與實(shí)際間的誤差，一般將施工控制土壓設(shè)定在P0±20KPa范圍內(nèi)。

4、頂力計(jì)算

（1）計(jì)算內(nèi)容

管道頂進(jìn)時(shí)克服的各種阻力之總和為頂力。正確的確定頂進(jìn)時(shí)的頂力，對(duì)決定頂進(jìn)設(shè)備及后背墻的規(guī)模，使其既簡(jiǎn)易又合理，又有一定的安全儲(chǔ)備頗為重要。其阻力包含：

①管道頂部以上的垂直土壓力引起的管道與土的摩擦力；

②由水平壓力引起的管道與土的摩擦力；

③管道自重產(chǎn)生的管道與土的摩擦力；

④頂進(jìn)時(shí)管道前切土阻力（迎面阻力）。

（2）計(jì)算公式

（3）計(jì)算結(jié)果

通過(guò)代入數(shù)據(jù)計(jì)算得出P=2171.95kN。

4 頂進(jìn)設(shè)備的選擇

頂進(jìn)設(shè)備由液壓系統(tǒng)和傳力設(shè)備兩大部分構(gòu)成。液壓系統(tǒng)主要包括千斤頂、高壓油泵、閥門(mén)和其他液壓元件；傳力設(shè)備主要包括頂鐵、活動(dòng)橫梁、固定橫梁和頂柱等。

按照計(jì)算出的頂力，根據(jù)我公司現(xiàn)有設(shè)備，確定每個(gè)機(jī)位使用兩只DQ-200型千斤頂。

該型千斤頂頂力2000kN，活塞面積416.5cm2，工作壓力40MPa，頂程100cm。使用時(shí)頂力控制在1200kN以下，千斤頂總推力2400kN，能夠滿足施工需要。

頂進(jìn)施工時(shí)，高壓油泵和千斤頂配套使用。

千斤頂?shù)陌惭b和使用要求：

①千斤頂固定在組合千斤頂架上整體吊裝，安裝時(shí)保證與管道中心的垂線對(duì)稱(chēng)。兩只千斤頂?shù)暮狭ψ饔命c(diǎn)應(yīng)在管道中心的垂直線上；

②保證使用的千斤頂規(guī)格相同。使用時(shí)應(yīng)行程同步，每臺(tái)千斤頂?shù)氖褂脡毫Σ坏么笥谄漕~定工作壓力，千斤頂伸出的最大行程應(yīng)小于油缸行程10cm左右；

③千斤頂?shù)挠吐繁仨毑⒙?lián)。每臺(tái)千斤頂都要有進(jìn)油、退油的控制系統(tǒng)；

④頂進(jìn)開(kāi)始時(shí)應(yīng)緩慢進(jìn)行，待各接觸部位密合后，再按正常頂進(jìn)速度頂進(jìn)；

⑤油泵設(shè)置在千斤頂附近，油管應(yīng)順直、轉(zhuǎn)角少；

⑥油泵應(yīng)與千斤頂相匹配，并應(yīng)有備用油泵；油泵安裝完畢，應(yīng)進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)；

⑦頂進(jìn)中若發(fā)現(xiàn)油壓突然增高，應(yīng)立即停止頂進(jìn)，檢查原因并經(jīng)處理后方可繼續(xù)頂進(jìn)；

5 常見(jiàn)問(wèn)題及處理方法

1、地面隆起與塌陷

（1）現(xiàn)象

①地面隆起，且有放射狀裂紋。

②地面下陷，在沉降槽兩邊有平行的兩條裂紋。

（2）原因

①不論是地面隆起還是地面下陷，都是由于沒(méi)有控制好土倉(cāng)壓力的結(jié)果。

②如果當(dāng)土倉(cāng)內(nèi)的控制土壓力大于掘進(jìn)機(jī)所處土層的被動(dòng)土壓力Pp時(shí)，地面就會(huì)隆起。隆起的部位是位于頂管機(jī)機(jī)頭的前上方。這種隆起有兩個(gè)特征：第一、反映相當(dāng)迅速。即只要當(dāng)土倉(cāng)內(nèi)土壓力一超過(guò)Pp時(shí)，地面立即隆起。第二、隆起的中心有好幾條放射狀的裂縫向四周伸展開(kāi)去。

③如果當(dāng)土倉(cāng)內(nèi)的控制土壓力小于頂管機(jī)所處土層的主動(dòng)土壓力Pa時(shí)，地面就會(huì)下陷。下陷最深的地面是位于頂管軸線上方的地面上。下陷的反映沒(méi)有隆起反映那么快，而是有一個(gè)過(guò)程的。另外，地面下陷以后，在地面沉降槽的邊緣會(huì)有兩條平行的裂紋。

（3）防治措施

①?lài)?yán)格控制好土倉(cāng)內(nèi)的控制土壓力，不使它超出允許范圍之外。

②一旦發(fā)現(xiàn)有隆起，應(yīng)把控制土壓力調(diào)低些。反之，一旦發(fā)現(xiàn)有較大的下陷，則應(yīng)把控制土壓力調(diào)高一些。調(diào)整以后，還須對(duì)地面的變化情況加以跟蹤。

2、頂管機(jī)偏轉(zhuǎn)

（1）現(xiàn)象

頂管機(jī)順時(shí)針或逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，給操作、排土、測(cè)量等工作帶來(lái)諸多不便。

（2）原因

①在進(jìn)洞之前，由于機(jī)身與導(dǎo)軌之間的摩阻力不足以抵抗刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩的反力而使頂管機(jī)偏轉(zhuǎn)。刀盤(pán)如果是順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)，頂管機(jī)則往逆時(shí)針?lè)较蚱D(zhuǎn)，反之則相反。

②在土層中頂進(jìn)過(guò)程中發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這種偏轉(zhuǎn)往往不僅僅限于頂管機(jī)，而且涉及整條已頂進(jìn)的管道。大刀盤(pán)可用反力來(lái)解釋這種偏轉(zhuǎn)。但有一點(diǎn)是可以肯定的：即糾偏越頻繁，方向歪歪扭扭則這種偏轉(zhuǎn)越大；反之則小。

（3）防治措施

①可在頂管機(jī)或隨其后2～3節(jié)管子上，焊上防偏轉(zhuǎn)的定位板，讓它卡在導(dǎo)軌的兩邊。在頂管機(jī)進(jìn)洞時(shí)，可用兩只較大噸位的手拉葫蘆，一頭掛在前座墻的掛鉤上，另一頭鉤在頂管機(jī)或砼管的拉環(huán)上，當(dāng)管子徐徐推進(jìn)時(shí)，把手拉葫蘆慢慢地收緊，就可防止頂管機(jī)或砼管的拉環(huán)上，當(dāng)管子徐徐推進(jìn)時(shí)，把手拉葫蘆慢慢地收緊，就可防止頂管機(jī)在進(jìn)洞時(shí)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

②利用大刀盤(pán)的反力來(lái)校正這種偏轉(zhuǎn)。校正時(shí)必須注意：第一、頂管機(jī)向哪個(gè)方向偏轉(zhuǎn)，刀盤(pán)就向哪個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。第二、要適當(dāng)?shù)丶哟蟮侗P(pán)的吃土深度，以使其力矩增大，否則不易校正過(guò)來(lái)。

3、噴發(fā)

（1）現(xiàn)象

噴發(fā)是指土壓平衡頂管機(jī)的螺旋輸送機(jī)的排土口會(huì)噴出大量的泥水。

（2）原因

①是頂管機(jī)前方有較豐富的明水。如遇到了斷裂漏水的上、下水管道；與河床貫通；與水塘等積水、蓄水池貫通。

②頂管機(jī)遇到了承壓水或地下蓄水包。

（3）防治措施

①立刻將螺旋輸送機(jī)出土口關(guān)閉；

②調(diào)查屬于哪種類(lèi)型的水；

③如果與河道等貫通則必須用不排土的方法“悶頂”一段距離。這時(shí)應(yīng)觀察土壓力表，不能讓它太高，否則就須頂頂停停，直到不再?lài)姲l(fā)為止。

④如果是遇到承壓水或水包，噴發(fā)一段時(shí)間以后，水的壓力會(huì)慢慢降低，水流漸漸減小。這時(shí)，可把螺旋輸送機(jī)反轉(zhuǎn)，同時(shí)把頂管機(jī)慢慢地向前推進(jìn)，直到不排水時(shí)為止。

4、叩頭

（1）現(xiàn)象

頂管機(jī)在出洞時(shí)頭往下偏差較大。

（2）原因

頂管機(jī)在出洞時(shí)，或是由于洞口沒(méi)有延伸導(dǎo)軌，或是由于土質(zhì)軟而產(chǎn)生叩頭

（3）防治措施

①在洞口處應(yīng)設(shè)置延伸導(dǎo)軌或者用磚頭砌一個(gè)弧形的托，把頂管機(jī)下部托住，不讓它叩頭。

②如果土太軟則應(yīng)把糾偏油缸全部收緊，同時(shí)把頂管機(jī)與其后的三到四節(jié)管子聯(lián)成一體。