淺析大口徑鋼管頂進施工技術(shù)

摘要：結(jié)合黃浦江水源地連通管道頂進施工，對工作井施工工藝、頂管施工及施工質(zhì)量保證措施等方面的闡述，實踐證明，采用頂管施工減少了對環(huán)境的污染、確保了既有道路正常運行等諸多方面的優(yōu)點，方案優(yōu)化，效果顯著。

關(guān)鍵詞：大口徑；工作井；頂管；掘進；

一、前言

鋼管頂進是為滿足大口徑管道穿越江河通向水域的需要，從70年代開始發(fā)展起來的一項新技術(shù)。采用這一工法敷設(shè)管道，即不需要挖槽或水下挖泥，也不需要降低地下水位，可以直接在地下水位以下的土層中長距離頂進，穿越江河和地面建（構(gòu)）筑物，也可直接通向水域。因而避免了施工對航運、鐵道或公路交通的影響。

二、工程概況

該工程為黃浦江上游水源地連通管工程，工作井5座，接收井3座，頂管長度4485.37m，采用DN3000單管，壁厚30mm，單管長6.6m。本文僅闡述該工程一個工作沉井和一段管道頂進施工。

工作井（沉井）為圓形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，外徑Φ15.0m，高度16.82m，刃腳厚120cm，井壁厚100cm（80cm）。沉井采用不排水下沉，刃腳底采用高壓旋噴樁加固；沉井結(jié)構(gòu)三節(jié)制作、兩次下沉。

該段頂進長度853.63m，均為直線頂進，頂進區(qū)域穿越淤泥質(zhì)粘土，管頂覆土厚度約11.13m。

三、主要施工工藝

（一）工作井施工工藝

1、砂墊層厚度計算

P≥+rshs

式中：G—沉井下沉前單位長度動力（KN）；L—砂墊層寬度（m）

hs—砂墊層厚度（m）； α—砂墊層壓力擴散角（取22.5°）

rs——砂的容重（取18KN/m3）；p—砂墊層底部土層承載力設(shè)計值（KN/m2）

經(jīng)計算可得hs=0.9m，施工時砂墊層厚度采取1.2m。

2、沉井接高穩(wěn)定性分析

Kc=<1

式中：G—沉井自重（KN，計算所得18254）；

B—施工階段最高水位的計算浮力（按設(shè)計圖紙取4226）；

Tf—井壁摩阻力（kN，計算所得5595）；

R—沉井刃腳踏面、隔墻及底梁下地基土的反力（KN，三者相加取4191）。

經(jīng)計算Kc=1.43>1，因此，在沉井第三節(jié)接高前，在井內(nèi)回填砂土防止突沉。

3、沉井施工工藝

（1）地基處理

1）測量放樣

施工前，根據(jù)設(shè)計圖紙坐標及基準點測量定位，同時在不影響施工的周圍布置坐標控制點和臨時水準點，并應(yīng)填寫測量復(fù)核單。

2）基坑開挖

基坑開挖采用機械挖土和人工修整相結(jié)合，機械采用WY-100型液壓反鏟挖土機，開挖至距坑底標高30cm左右時采用人工修坡、平底?；娱_挖過程中，利用排水溝結(jié)合集水坑進行排水。

3）鋪筑砂墊層、砼墊層

基坑開挖經(jīng)驗收合格后及時鋪筑砂墊層。墊層采用中粗砂，按30cm厚分層鋪筑，并按15%的含水量邊灑水邊用平板振動振實，使其達到中密。

為了擴大刃腳的支承面積，減輕對砂墊層的壓力，在砂墊層上，底梁及刃腳下鋪一層15cm厚的C15素砼墊層，寬度為井壁外20cm。

（2）沉井結(jié)構(gòu)制作

1）起重設(shè)備及支架體系

沉井制作及下沉施工選用1輛50t履帶吊作為起重設(shè)備。

沉井制作時，內(nèi)、外支架搭設(shè)于砂墊層之上，支架與井壁脫離，距離約30cm。在沉井下沉期間，內(nèi)、外支架均需拆除。支架采用扣件式鋼管腳手架，外支架沿井壁四周組成整體框架結(jié)構(gòu)，每4m設(shè)斜撐一道，并采用安全網(wǎng)封閉，內(nèi)外支架的作業(yè)層鋪木板。

2）模板工程

①刃腳磚胎模砌筑

墊層達到一定強度后，在其上精確測放沉井平面位置，進行磚胎模施工。砌磚時采用水泥砂漿確保刃腳斜面平整，并預(yù)留井壁模板對拉桿孔位。

②井壁模板

模板采用組合式定型鋼模，由螺栓連接。在預(yù)留孔、井壁底板等特殊部位采用木模，在插筋部位用2cm木板間隔拼裝，所有模板表面平整后符合規(guī)范要求。圍檁立筋采用φ48鋼管，對拉桿采用φ14圓鋼，其水平間距75cm，垂直間距60cm。

3）鋼筋工程

對進場鋼筋進行驗收，按規(guī)格分批掛牌堆放并下墊上蓋；對進場鋼筋按批按規(guī)格抽樣試驗。

對上崗人員進行培訓(xùn)，培訓(xùn)合格后上崗操作，確保焊接質(zhì)量。

制作成型鋼筋，按其規(guī)格，施工順序，分別掛牌堆放，其成型的尺寸、規(guī)格由質(zhì)檢員抽樣檢驗，鋼筋接頭位置要互相錯開，同一截面的鋼筋接頭要求嚴格按施工操作規(guī)程要求執(zhí)行。

4）砼工程

本工程采用商品砼，泵送到位的方法。沉井混凝土接高的軸線與中軸線重合或平行，并在沉井分節(jié)處設(shè)凹槽作為施工縫，且加設(shè)鋼板止水片，上節(jié)混凝土須待下節(jié)混凝土強度達到75%后方可澆筑，在下一節(jié)澆注之前，施工縫處須鑿毛、清洗干凈、排除積水，水平縫鋪設(shè)一層厚1cm同標號水泥砂漿。

5）成品養(yǎng)護及拆模

砼澆注完畢后，養(yǎng)護采用掛草袋，外覆塑料布養(yǎng)護，養(yǎng)護時間不少于14d。

按設(shè)計要求待混凝土強度達到70%即可拆除模板，并在四周互成90°畫好水平標高尺，以便觀察標高和控制下沉速度。為防止對拉桿孔漏水，在螺栓孔內(nèi)外端部，均把止水墊挖除，在凹進部位用1：2水泥砂漿抹平，外端用防水砂漿嵌實，再涂刷兩層防水膠。

6）沉井下沉

沉井下沉主要是通過從井孔內(nèi)除土，消除刃腳下面的阻力及井壁摩阻力后，依靠沉井自重下沉。

下沉?xí)r沉井第一節(jié)強度應(yīng)達到設(shè)計強度100%，其余各節(jié)達到設(shè)計強度75%鑿除混凝土墊層。當(dāng)素砼墊層敲拆后，沉井重心偏高，井壁四周無摩擦力，沉井的下沉系數(shù)較大，掏挖刃腳下的磚土若不均勻，將會使沉井產(chǎn)生很大的傾斜，因此在沉井挖土前，沉井的刃腳先采用人工全面同時分層掏挖使其逐漸下沉，并使刃腳埋在土層中，降低沉井重心。在沉井下沉至穿墻洞標高時，在穿墻洞內(nèi)分層回填黃泥，并夯實。

7）沉井封底、底板施工

1）封底施工

沉井在下沉距設(shè)計標高2m時，結(jié)合封底要求控制基底土層高度，繪制土面高程圖，進行針對性清基。沉井下沉到位后進行8h連測，如下沉量小于10mm方可封底。封底采用水封底，分格對稱進行封底。

2）底板施工

在施工鋼筋砼底板前，將底板和井壁接觸處鑿毛部位清洗。底板鋼筋與井壁預(yù)留鋼筋采用電焊接頭?；炷潦┕ぷ裱胶?、對稱的原則。井內(nèi)設(shè)集水井，在沉井清基及塊石、碎石找平后，水下砼封底前布置，下部連接六寸泄水孔進入素砼封底層下的塊石中。砼澆筑完畢后，降水井派專人抽水。

（二）頂進施工

1、頂管施工設(shè)備配置

1）工具管選型

根據(jù)工程特點及地質(zhì)情況，選用φ3020mm土壓平衡大刀盤工具管，并進行保養(yǎng)改進，其設(shè)備性能質(zhì)量滿足施工需要。

2）頂管現(xiàn)場施工設(shè)備及井內(nèi)布設(shè)

施工現(xiàn)場采用50t履帶吊負責(zé)鋼管的吊運工作。

井內(nèi)沿管軸線方向安裝剛性后座以及千斤頂、導(dǎo)軌、頂鐵等頂進設(shè)備。管內(nèi)供電及井內(nèi)電力箱位于井內(nèi)。沿井壁安裝2根2寸壓漿管、1根2寸供水管。井內(nèi)兩側(cè)平臺布置配電箱、電焊機等裝置。

3）頂進系統(tǒng)

導(dǎo)軌：選用型鋼材料制作，通過底板上的預(yù)埋件焊接在鋼筋砼底板上；另外，井壁上預(yù)設(shè)預(yù)埋件，在導(dǎo)軌安裝到位后，須用型鋼在平面方向支撐在井壁上。

后靠背：后靠背須承受和傳遞全部頂力，且具有足夠的強度和剛度。為確保后靠背安全，在砼后靠背前布置一塊6cm厚度剛性后靠背。

后座主頂設(shè)備：頂管后座主頂裝置使用西德制油泵車，共六只千斤頂，分兩列布置。主頂千斤頂為雙沖程千斤頂，總行程為3.70m，主頂千斤頂每只最大頂力為3000kN。

頂鐵：頂鐵采用鋼板及高強度鋼管焊接成型，有足夠的剛度，頂鐵相鄰面互相垂直，規(guī)格相同，安裝后的軸線與管道軸線平行、對稱。

4）出土系統(tǒng)

采用對止水有利的有軸螺旋機。螺旋機的作用是出渣和調(diào)節(jié)土倉土壓力，螺旋葉片從土倉下部伸入土倉中取土，并將渣土輸送到螺旋機的尾部，通過出土閘門卸在攪拌土箱內(nèi)，在推進速度一定時，通過調(diào)節(jié)出土閘門的開啟度和螺旋機轉(zhuǎn)速的變化來實現(xiàn)對土倉內(nèi)土壓力的調(diào)節(jié)。

5）泥漿系統(tǒng)

頂進時貫徹同步壓漿與補漿相結(jié)合的原則，工具管尾部的壓漿孔及時有效進行跟蹤注漿，確保形成完整有效的泥漿環(huán)套，管道內(nèi)的壓漿孔進行一定量的補漿，補壓漿的次數(shù)及壓漿量根據(jù)施工情況而定。

6）中繼間布置計算

中繼環(huán)采用可伸縮的套筒承插式密封結(jié)構(gòu)，長約1600mm。每道中繼間安裝30只350kN油缸并安裝行程傳感器及壓力傳感器。

L=（P-N）×t/F（公式一）

式中：P—中繼環(huán)設(shè)計頂力（kN）； N—機頭迎面阻力（kN）

F—每米管壁摩阻力（kN/m）； t —留余頂力，取0.6

N=×D12×Pt（公式二）

式中：Pt=r（H+2/3D1）tg2（45°+λ/2）；H—管頂覆土厚度（m），取11m；

D1—頂管機外徑（m）； λ—土的內(nèi)摩擦角，取14°；

Pt—機頭底部以上1/3D1處的被動土壓力（kN/m2）；

r—土的天然重度（kN/m3），取16.7；

F=（公式三）

式中：D—管壁外徑（m）取3.02m； f—管壁單位摩阻力，取4kN/m2；

經(jīng)以上公式計算：L= 120m，考慮首環(huán)中繼環(huán)糾扭及糾偏作用，取13.2m。第二節(jié)設(shè)置距工具頭距離79.2m。

后繼中繼間距離經(jīng)計算：L=165.8m，單管長6.6m，取165m設(shè)置一中繼間，共6個中繼間。

2、鋼管制作、吊裝及現(xiàn)場焊接

鋼管的卷材、外防腐、焊接均在專業(yè)廠家加工運輸至施工現(xiàn)場。管節(jié)的拼接在專用胎架上進行，以保證管段的平直度，焊接采用直縫埋弧自動焊工藝。

鋼管吊運時，用寬帆布吊帶纏繞后吊裝；管材吊運頂管井之前，在半空清理一遍并檢查是否有裂縫和傷痕，連接時用木撐或木鍥臨時卡緊。

根據(jù)本工程的焊接工藝，焊接材料選定碳鋼CO2氣保護實芯焊絲，焊接設(shè)備采用YD-500KR的焊機。

3、管道內(nèi)、外防腐方案

管外防腐采用熔融結(jié)合環(huán)氧粉末涂層，涂膜干膜總厚度≮400μm，管端預(yù)留15cm。涂裝工藝和質(zhì)量按《熔融結(jié)合環(huán)氧粉末涂料的防腐涂裝》（GB/T18593-2010）和《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》（GB/T50268-2008）執(zhí)行。

管內(nèi)防腐采用水泥砂漿，在管道安裝、試壓合格后進行。內(nèi)防腐除管道附件、現(xiàn)場接攏段采用人工外，其余采用專門設(shè)備噴涂并抹光。

四、主要工序質(zhì)量保證措施

（一）掘進機出洞防磕頭措施

頂管機進出洞口需具備最基本的巖土工程條件是洞門穩(wěn)定，地下水控制情況良好（無涌水、涌砂等現(xiàn)象），需采取針對性措施對地基加固。

外圍深層攪拌樁加固要求均勻，不留死角。頂管機進、出洞前對井外地基加固進行驗收，加固強度達到施工要求后，才能進行進出洞施工。

（二）初始頂進防止管道后退措施

由于在初始頂進階段正面土壓力遠大于管周圍的摩擦阻力。拼接管子時主推千斤頂在縮回前必須對已頂進的部分與井壁進行固定，否則管道發(fā)生后退會導(dǎo)致洞口止水裝置受損及發(fā)生人員的生命危險，因此在初始頂進的鋼管外側(cè)埋設(shè)預(yù)埋鋼板，在主推千斤頂退回前將鋼管與井壁相連，直至鋼管外壁摩阻力大于掘進機正面土壓力為止。

（三）管道抗扭轉(zhuǎn)措施

由于周圍土質(zhì)的變化、糾偏的影響會造成掘進時管道發(fā)生不同程度的扭轉(zhuǎn)，直接影響到施工質(zhì)量，其防止措施為：①在管內(nèi)設(shè)備及管道安裝時，根據(jù)重量平衡原理，在安裝設(shè)備及管材的另一側(cè)配以相同重量的配重，使管道頂進時左右重量保持平衡。消除人為造成管道扭轉(zhuǎn)的因素。②頂進時在掘進機及每個中繼環(huán)處設(shè)有管道扭轉(zhuǎn)指示針。一旦發(fā)現(xiàn)微小的扭轉(zhuǎn)即用單側(cè)加壓配重的方法進行糾扭。配備了300t壓鐵，單塊重量為25kg。

掘進機若發(fā)生扭轉(zhuǎn)，則將左右兩只抗扭轉(zhuǎn)翼板向外推出。推出越長，抗扭力矩就越大，當(dāng)掘進機平衡時則縮回翼板即可。

（四）減阻泥漿管理及控制

頂進時貫徹同步壓漿與補漿相結(jié)合的原則，掘進機尾部的壓漿孔要及時有效地進行跟蹤注漿，確保能形成完整有效的泥漿環(huán)套，管道內(nèi)的壓漿孔進行一定量的補漿孔，具體補漿孔位位置設(shè)置于中繼環(huán)后面一節(jié)管節(jié)及二道中繼環(huán)中間管道位置上，補壓漿的次數(shù)及壓漿量根據(jù)施工情況而定。壓漿時必須堅持“先壓后頂、隨壓隨頂、及時補漿”的原則，為保證潤滑泥漿的穩(wěn)定，確保泥漿滿足施工要求。

（五）鋼管管節(jié)防腐保護措施

現(xiàn)場管節(jié)不得滾動吊裝，在行車軌道上滿鋪輪胎橡膠皮，管節(jié)吊放采用兩點吊，吊鉤及鋼管接觸位置鋪輪胎橡膠皮，保護鋼管的防腐油漆不被損壞。若因特殊原因造成防腐油漆受損，比較輕微的破損，經(jīng)過現(xiàn)場監(jiān)理查看批準后，現(xiàn)場補漆，厚度同原防腐油漆設(shè)計要求，破損比較嚴重，管節(jié)返回加工制作場地返工。

五、結(jié)束語

通過合理施工、有效監(jiān)督、科學(xué)監(jiān)測、及時糾偏，采用頂管施工減少了對環(huán)境的污染、確保了既有交通正常運行等諸多方面的優(yōu)點，方案優(yōu)化，效果顯著。

參考文獻：

[1]《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》（GB50268-2008）；

[2]《路橋施工計算手冊》人民交通出版社；

[3]《熔融結(jié)合環(huán)氧粉末涂料的防腐涂裝》（GB/T18593-2010）