頂管施工技術(shù)在穿河地涵工程中的應(yīng)用

劉春艷，郭 濤

（太原市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山西 太原 030002）

1 工程概況

灌河地涵工程位于江蘇省連云港境內(nèi)，為送水河道穿灌河建筑物。地涵設(shè)計(jì)流量50 m3/s，4孔，總長(zhǎng)約550 m，地涵主涵管采用4根內(nèi)徑3.5 m的鋼筋混凝土預(yù)制頂管，單根頂管頂進(jìn)長(zhǎng)度453 m，頂管中心距為9 m（凈間距4.8 m），管中心高程-15.55 m。頂管施工的工作井和接收井均為鋼筋混凝土沉井。工程實(shí)施難點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)在于：頂進(jìn)斷面大，頂進(jìn)距離較長(zhǎng)，且4根頂管并排布置，對(duì)于頂管動(dòng)力配備、頂進(jìn)過(guò)程的減阻要求高；頂管從工作井始發(fā)，最終頂進(jìn)接受井，頂進(jìn)軸線上下左右不能有較大偏移；頂管地質(zhì)條件復(fù)雜，地下水壓力高，土中含有30%~40%的砂礓，且有較大體積的砂礓盤，合理選擇頂進(jìn)工具管是工程施工的重點(diǎn)。

2 頂管方案確定

從工程工期、質(zhì)量、安全、經(jīng)濟(jì)方面綜合考慮，投入兩套NPD-3500型具有破碎功能的泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)。1號(hào)，3號(hào)頂管前后錯(cuò)開50 m距離交替頂進(jìn)，結(jié)束后轉(zhuǎn)至2號(hào)，4號(hào)頂管頂進(jìn)。頂管頂進(jìn)長(zhǎng)度較大，為減少頂進(jìn)阻力，提高頂進(jìn)質(zhì)量，減少地表變形，采用中繼間接力頂進(jìn)。根據(jù)頂力計(jì)算并結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)，單根頂管內(nèi)布置2道中繼間，在距工具管30 m處布置第一道，第二道與第一道間隔150 m布置，中繼環(huán)采用特殊管的結(jié)構(gòu)形式。施工過(guò)程中，借助膨潤(rùn)土減阻泥漿，減小推進(jìn)阻力。

3 頂管施工

3.1 現(xiàn)場(chǎng)布置

工具管安裝采用150 t履帶吊吊裝，工作井旁邊布置1臺(tái)50 t的行車，行車軌道延升至沉井中隔墻上，負(fù)責(zé)頂管上下以及頂鐵吊運(yùn)和井內(nèi)、地面的吊裝工作。現(xiàn)場(chǎng)布置工具間、修理間、試驗(yàn)室及制漿房等。頂進(jìn)油泵、頂進(jìn)控制室布置在沉井內(nèi)。頂管出泥排至工作井附近的泥漿池內(nèi)。

3.2 施工測(cè)量

按已知坐標(biāo)點(diǎn)連接進(jìn)洞和出洞口兩點(diǎn)坐標(biāo)及高程，以坐標(biāo)值的計(jì)算建立相應(yīng)坐標(biāo)系；按獨(dú)立坐標(biāo)系建立施工頂進(jìn)軸線的觀測(cè)臺(tái)，放樣后靠觀測(cè)臺(tái)（后臺(tái)），將其精確移至頂管軸線上，施工過(guò)程中定期復(fù)測(cè)后臺(tái)平面和高程位置；在后臺(tái)架設(shè)J2型經(jīng)偉儀一臺(tái)，后視出洞口紅三角（即頂進(jìn)軸線）測(cè)頂管機(jī)的前標(biāo)及后標(biāo)的水平角和豎直角測(cè)一全測(cè)回，采用fx4500p計(jì)算編排程序計(jì)算頂管的頭（切口）尾平面和高程偏差離值，頂管機(jī)內(nèi)設(shè)坡度板和光靶。頂進(jìn)過(guò)程中，每頂進(jìn)一節(jié)管節(jié)對(duì)頂進(jìn)軸線測(cè)量一次，以保證測(cè)量精度。頂進(jìn)過(guò)程會(huì)引起頂管后靠發(fā)生變化，應(yīng)始終保持后臺(tái)布置不動(dòng)，以確保頂管施工測(cè)量的正確性。

3.3 頂管出洞及頂進(jìn)

頂管下工作井前進(jìn)行安裝調(diào)試，檢查油管、電路系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)及機(jī)頭運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)作正常。做好出洞各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，安裝洞門密封裝置，與井內(nèi)預(yù)留洞口保持同心，并用螺栓與預(yù)留洞法蘭固定。在預(yù)留穿墻套管內(nèi)安裝頂進(jìn)導(dǎo)軌，機(jī)頭下井放置平穩(wěn)。割除外封門背后的支承鐵件，用液壓千斤頂將外封門的槽鋼頂升松動(dòng)，將頂管機(jī)頂入止水圈內(nèi)，然后依次拆除外封門工字鋼，在土體取樣工作完成后隨即頂機(jī)頭，使機(jī)頭刀盤貼住前方土體，在頂管機(jī)尾部燒焊限位塊，縮回主頂油缸，吊放過(guò)渡管，為防止機(jī)頭產(chǎn)生叩頭現(xiàn)象，將機(jī)頭與后面幾節(jié)混凝土管焊接連成剛性整體，然后割除限位塊，開始進(jìn)行頂進(jìn)作業(yè)。NPD機(jī)頭的土壓控制主要通過(guò)頂速來(lái)調(diào)節(jié)，每次初頂時(shí)先調(diào)節(jié)好送水壓力，然后打開機(jī)內(nèi)止水閥，轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，關(guān)閉機(jī)內(nèi)旁道，待流量達(dá)到額定值的80%時(shí)即可開始頂進(jìn)，送水壓力可通過(guò)機(jī)內(nèi)壓力調(diào)節(jié)即可完成。

在頂管頂進(jìn)時(shí)，通過(guò)頂管機(jī)鉸接處及管節(jié)上預(yù)留的注漿孔注入膨潤(rùn)土減阻泥漿，在管道外圍形成較為完整的泥漿套，管節(jié)外壁和土層間的摩阻力可減至小3~5 kN/m2。頂進(jìn)時(shí)要及時(shí)進(jìn)行跟蹤注漿、壓漿和補(bǔ)壓漿，確保泥漿套完整。泥漿要求性能穩(wěn)定，有一定的稠度和良好的流動(dòng)性，不失水、不沉淀、不固結(jié)。通過(guò)泥漿配合比試驗(yàn)，確定最佳泥漿配合比，膨潤(rùn)土加入后要充分?jǐn)嚢?，使其充分水化?/p>

3.4 頂管進(jìn)洞及后續(xù)工作

頂管頂進(jìn)至離終點(diǎn)（接受井）30 m左右時(shí)要加強(qiáng)對(duì)頂進(jìn)軸線的觀測(cè)，及時(shí)糾正偏差，確保軸線正確，工具頭準(zhǔn)確進(jìn)入接受井上的預(yù)留洞中。在接受井洞口外側(cè)采用雙排低標(biāo)號(hào)水泥攪拌樁加固土體作為洞口止水措施，攪拌樁強(qiáng)度低于0.4 MPa。頂管進(jìn)入接受井穿墻洞后，混凝土管超出洞口20 cm長(zhǎng)，鑿除多余混凝土露出鋼筋，與沉井內(nèi)斜管段鋼筋聯(lián)接。

頂進(jìn)結(jié)束后進(jìn)行減摩泥漿（觸變泥漿）的固化，使管節(jié)外壁與周圍土層的施工間隙盡快填充固結(jié)，減小地面沉降。采用水泥砂漿或粉煤灰水泥砂漿置換觸變泥漿；置換時(shí)利用原有的注漿設(shè)備從管節(jié)的注漿孔壓注。置換結(jié)束后，將全部注漿設(shè)備清洗干凈，拆除注漿管路，封閉管道上的注漿孔。

頂管與工作井和接受井的洞口間隙采用C30細(xì)石混凝土灌注填充，沉井制作時(shí)預(yù)埋灌注管道，細(xì)石混凝土填滿，保證不滲水。

3.5 其他相關(guān)措施

管道通風(fēng)效果直接影響管內(nèi)工作人員安全。長(zhǎng)鼓短抽組合式通風(fēng)系統(tǒng)安裝在距掘進(jìn)機(jī)12～15 m處，抽風(fēng)風(fēng)筒與鼓風(fēng)風(fēng)筒分別安裝在管內(nèi)左右兩側(cè)，抽風(fēng)機(jī)的吸入口在前，鼓風(fēng)機(jī)的排風(fēng)口在后，在管道中間配置若干外軸流風(fēng)扇，排出井內(nèi)渾濁空氣。

沉井沉降變形及位移觀測(cè)：頂管頂進(jìn)過(guò)程中，在沉井周圍不受頂管施工影響的區(qū)域設(shè)置后視點(diǎn)，在頂管工作井四角設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，采用水準(zhǔn)儀定時(shí)觀測(cè)記錄四點(diǎn)的高程。頂管頂進(jìn)時(shí)工作井后井壁（后背墻）水平位移觀測(cè)，觀測(cè)點(diǎn)設(shè)于頂管軸線正上方井壁頂部。位移觀測(cè)采用全站儀測(cè)量沉井井體的位移，如果發(fā)現(xiàn)沉井在頂管后座力作用下，沉降和位移出現(xiàn)異常情況時(shí)，應(yīng)增加觀測(cè)次數(shù)，以便采取措施。

頂管頂進(jìn)對(duì)已完頂管的影響變化觀測(cè)：在已完成的頂管內(nèi)架設(shè)經(jīng)緯儀，不斷觀測(cè)頂管的軸線變化情況，觀測(cè)點(diǎn)按間距50 m布設(shè)。一旦出現(xiàn)可疑現(xiàn)象，立即通知頂管作業(yè)隊(duì)調(diào)整頂進(jìn)參數(shù)，確保已完頂管不受后續(xù)頂管頂進(jìn)影響。

附近建筑物及地面沉降觀測(cè)：頂管前進(jìn)方向?qū)Ω浇ㄖ镌O(shè)置沉降和位移觀測(cè)點(diǎn)，做好觀測(cè)記錄，地面觀測(cè)點(diǎn)每天觀測(cè)1~2次沉降，觀測(cè)結(jié)果經(jīng)數(shù)據(jù)處理分析后作為調(diào)整掘進(jìn)機(jī)參數(shù)的依據(jù)，使地面沉降量控制在最小范圍內(nèi)。沉降觀測(cè)采用高精度的水準(zhǔn)儀，位移觀測(cè)采用全站儀。

灌河大堤沉降觀測(cè)：在灌河大堤上設(shè)置一定數(shù)量的沉降、位移觀測(cè)點(diǎn)，施工期間做好觀測(cè)記錄，建立大堤安全報(bào)警系統(tǒng)；頂管過(guò)大堤前開始收集數(shù)據(jù)，形成頂進(jìn)速度、頂管出土與沉降關(guān)系圖表；當(dāng)位移、沉降突變大于10 mm時(shí)，立即停止作業(yè)，檢查分析原因并采取措施后再繼續(xù)頂進(jìn)作業(yè)；頂進(jìn)過(guò)程中，將倉(cāng)內(nèi)壓力控制在1.8~2.0 kg/cm2；頂管穿越大堤時(shí)，嚴(yán)格控制頂進(jìn)速度，嚴(yán)禁大角度糾偏；事先在大堤部分管段適當(dāng)加密注漿孔，隨時(shí)準(zhǔn)備搶險(xiǎn)隊(duì)伍及相應(yīng)的注漿設(shè)備，一旦沉降大，即可多注泥漿來(lái)控制沉降。

頂管機(jī)出洞時(shí)由于沉井周圍土體被擾動(dòng)過(guò)，造成出洞時(shí)機(jī)頭因自重過(guò)大而下磕，出洞時(shí)將機(jī)頭略抬高5 mm，或調(diào)整主推千斤頂?shù)暮狭χ行?，延升?dǎo)軌至洞口，觀察機(jī)頭狀態(tài)，有下磕趨勢(shì)則立即用后座千斤頂糾偏；出洞口處事先注漿，并輔以井點(diǎn)降水，提高洞外土體整體強(qiáng)度；工具管出洞時(shí)，將工具管與后續(xù)管進(jìn)行剛性連結(jié)，提高其整體穩(wěn)定性；頂管機(jī)停頓施工前，將泥水倉(cāng)內(nèi)注滿水，以平衡機(jī)頭正面土壓力。

4 結(jié)語(yǔ)

頂管施工廣泛用于市政建設(shè)及水利建設(shè)中，是引水管道、排水管道穿越河道、公路、鐵路等工程設(shè)施普遍采用的施工工藝。頂管方向失控，頂力劇增，地面沉降大，管道滲漏是頂管施工的質(zhì)量通病。應(yīng)結(jié)合具體工程所在地的地質(zhì)特性、頂進(jìn)長(zhǎng)度、地下及地上建筑物等情況來(lái)確定頂管頂進(jìn)工法，并就質(zhì)量問(wèn)題產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，有針對(duì)性地采取有效的防治措施，以降低頂管施工風(fēng)險(xiǎn)和保證施工質(zhì)量。