頂管施工技術(shù)在排水工程中的應(yīng)用

李林靚,華 嘉,郝百晉

(浙江中技建設(shè)工程檢測有限公司,浙江 杭州 311112)

在目前的城市市政管網(wǎng)工程中,仍有相當一部分是采用路面反復(fù)開挖的形式進行施工,這既嚴重擾亂了市區(qū)的交通秩序和市民的生活環(huán)境,又縮短了道路的使用壽命。非開挖技術(shù)的應(yīng)用使得地下管線的鋪設(shè)和更新能在路面少開挖甚至不開挖的情況下完成，并提供安全經(jīng)濟的施工方法,避免了對地面交通的影響,同時對路面破壞小且環(huán)保,解決了城市施工中的難題。

頂管技術(shù)是非開挖技術(shù)的重要組成部分,適用范圍較廣,隨著頂管工程的不斷增多,其技術(shù)和工藝也不斷得到改進和完善。由于各地的工作環(huán)境及條件不同,施工方法也有多種,如普通頂管、機械化頂管、擠壓頂管等方法,本文就普通頂管在工程施工中存在的問題進行探討。

1 施工工藝及設(shè)備選擇

1.1 施工工藝

頂管施工的常用工藝包括手掘式、土壓平衡式、泥水平衡式、氣壓平衡式等四種,其中手掘式屬于非壓力平衡式,施工時機頭內(nèi)不含機械掘進機,只有一個工具管,通過人工將土體挖除,其掘進斷面是開放式的。頂管施工的出土方式對應(yīng)于泥水平衡式、土壓平衡式和手掘式這三種頂管工藝,分別有泥水循環(huán)式、螺旋式和人工式等[1]。

1.2 頂進設(shè)備

頂管工程使用的頂進設(shè)備主要包括千斤頂、高壓油泵、頂鐵、工具管及運出土設(shè)備。

1)千斤頂：液壓千斤頂可兩臺并列布置在工作井內(nèi),頂力全力作用點與管壁反作用力作用點應(yīng)在同一軸線,防止產(chǎn)生頂時力偶，造成頂進偏差。

2)高壓油泵：由電動機帶動油泵工作,經(jīng)分配器、控制閥進入千斤頂,各千斤頂?shù)倪M油并聯(lián)在一起,以保證各千斤頂活塞的出力和行程一致。

3)頂鐵：頂鐵是頂管過程中傳遞頂力的工具,它可延長千斤頂?shù)男谐?并且擴大管節(jié)端部的承壓面積,要求頂鐵能承受壓力而不變形且便于移動。

4)輔助設(shè)備：工作井頂面設(shè)活動式工作臺,平臺可用工字鋼梁,上鋪鋼筋網(wǎng)片,工作井處安裝滑動平臺作為下管及出土之用。工作井上搭設(shè)輕質(zhì)蓋棚,以遮擋雨水和陽光,便于人員在不同氣候條件下正常操作。

1.3 頂進施工

校測工具頭的水平和垂直高度,符合要求后即可頂進工具頭,安裝第1節(jié)混凝土管,再次測量標高并核對無誤后,開動油泵進行試頂,待調(diào)整好各項參數(shù)后即可正常頂進施工。頂進施工主要利用工具頭在管前端取土,千斤頂在背后不動的情況下將污水管向前推進,其操作過程如下：

1)準備階段：下管前應(yīng)先對管子進行外觀檢查,在施工人員進管前必須先用氣體檢測儀器進行有毒氣體檢測,無異常方可進入管內(nèi)施工。

2)安裝操作：將第1節(jié)管子放至導(dǎo)軌上,測量管子中心及前端的管底高程并確認安裝合格,安裝好頂鐵并擠牢管子,在其前端進入一定長度后,啟動油泵,千斤頂進油,活塞伸出1個工作行程,將管子推進一定距離。第1節(jié)管作為工具管,頂進方向與高程的準確是保證整段頂管質(zhì)量的關(guān)鍵。

3)停泵,打開控制閥使千斤頂回油,活塞回縮。

4)添加頂鐵,重復(fù)上述操作,直至需要安裝下一節(jié)管子為止。

5)卸下頂鐵,下管并用鋼套環(huán)連接混凝土上管,在混凝土上管接口處放一止水膠圈,以保證接口縫隙和受力均勻。

1.4 施工注意事項

1)頂進施工前應(yīng)對所有機械設(shè)備檢查,機械工需要進行交接班手續(xù),將記錄的設(shè)備運轉(zhuǎn)情況表交給下一個班組的機械工,并進行口頭的設(shè)備運轉(zhuǎn)狀況交班,剛上班的機械工需要對控制臺、各個泥漿泵、管道、測量系統(tǒng)、工具頭等進行例行檢查。交班和例行檢查完畢后,接通電源,將工具頭的刀盤轉(zhuǎn)動,當設(shè)備的參數(shù)穩(wěn)定后,開進出渣漿泵,開始泥漿循環(huán)。

2)調(diào)整進出渣漿泵流量達到平衡。操作全部采用在管道外(工作井上)控制臺控制,只需1個機手操作,可實現(xiàn)對工具頭刀具的轉(zhuǎn)動、糾偏控制、壓力顯示、實時監(jiān)控(工具頭安裝了攝像頭、控制臺上安裝了電視機)。頂進千斤頂,觀察工作倉的土壓力表,調(diào)節(jié)渣漿泵的流量達到工作倉的泥水平衡。其平衡的原理是,當進泥和吸泥泵穩(wěn)定工作時,調(diào)節(jié)進泥和吸泥的泵量,使工作倉內(nèi)保持一定壓力,倉內(nèi)泥水壓力應(yīng)與地下水壓力相平衡,泥水壓力過大,地面隆起；泥水壓力過小,地面沉陷,所以控制頂進與出泥的速度相當關(guān)鍵。

3)泥水處理系統(tǒng)處理好砂土、裝車、外運,采用泥水平衡式工具頭出土,需要在工具頭中注入含有一定泥量的泥漿,通過大刀盤切削工具頭前方的原狀土,與注入的泥水攪拌,泥水通過吸泥泵排到地表泥水處理系統(tǒng)處理,泥漿可以反復(fù)循環(huán)使用,處理好的泥沙用泥漿車外運。

4)測量工具頭的偏位、作好記錄，在工作井后座位置設(shè)置測量基座,測量基座由地面引入地下,避免工作井的變形引起的誤差,將全站儀放置在其上調(diào)平后,使全站儀發(fā)射的激光沿著頂進方向水平射出,打在工具頭的測量靶位上,通過望遠鏡讀出工具頭的偏差。每隔0.5 m記錄一次。

5)每個行程頂完后,整體式頂進構(gòu)架調(diào)節(jié)頂塊。當頂完1個行程后,停止頂進,調(diào)節(jié)整體式頂進構(gòu)架頂塊,可繼續(xù)頂進下一個行程。

6)觸變泥漿系統(tǒng)的頂進過程中,需要經(jīng)常進行壓觸變泥漿工作,以減少頂進的阻力,觸變泥漿系統(tǒng)由拌漿、注漿和管道三部分組成。拌漿是把注漿材料兌水以后再攪拌成所需的漿液(造漿后應(yīng)靜置24 h后方可使用)。注漿是通過注漿泵進行的,根據(jù)壓力表和流量表,它可以控制注漿的壓力(壓力控制在水深的1.1～1.2倍)和注漿量(計量桶控制)。管道分總管和支管,總管安裝在管道內(nèi)一側(cè),支管則把總管內(nèi)壓送過來的漿液輸送到每個注漿孔上去。注漿孔布置為：工具頭后3節(jié)管各設(shè)一道，之后每間距5 m設(shè)一道補漿孔(間隔2節(jié)混凝土管)。

注漿流程：造漿靜置→注漿→頂管推進(注漿) →頂管停頂→停止注漿。

7)頂完一節(jié)管后,拆開所有管線(電力電纜、信號線、油管、進出泥漿管、觸變泥漿管),進行鋼管吊裝焊接后,安裝好所有管線,繼續(xù)頂進。

2 測量與校正

1)頂管測量一般采用經(jīng)緯儀和激光水準儀進行,第1節(jié)管施工時每頂進300 mm測1次,以保證管道入土的位置準確,正常頂進時每項頂進800 mm測1次。全段頂完后,應(yīng)在每個管節(jié)接口處測量其中心位置和高程,有錯口時應(yīng)測出錯口的高差。

2)頂管誤差校正的常用方法有以下3種：①超挖糾偏法：適用于偏差僅10～20 mm的情況,在管子偏向的反側(cè)適當超挖,而在偏向側(cè)不超挖甚至留坎而形成阻力,使管在頂進中向阻力小的超挖側(cè)偏向,逐漸回復(fù)到設(shè)計位置；②頂木糾偏：適用于偏差>20 mm且超挖糾偏失效的情況,用圓木或方木的一端頂在管子偏向的另一側(cè)內(nèi)管壁上,另一端斜撐在鋼板或木板的管前土壤上,支頂牢固后即可頂進,在頂進中配合超挖糾偏法,邊頂邊支,利用頂進時斜支撐分力產(chǎn)生的阻力,使頂管向阻力小的一側(cè)校正；③千斤頂糾偏法：與頂木糾偏法基本相同,只是在頂木上用小千斤頂強行將管緩慢移位校正。

3)本工程頂進中的管道糾偏采用上述方法中①、③,當施工中發(fā)現(xiàn)管道下沉或管位偏離軸線約10 mm時即進行校正。當軸線出現(xiàn)偏差時,將管道兩邊挖空20 mm且一邊墊以木板,用手動千斤頂逐漸將管子糾正。當發(fā)現(xiàn)管道下沉?xí)r則在出土后將前端管頂上方的土多挖,而管底少挖,邊頂進邊用千斤頂在管內(nèi)端將管頂起,使其回復(fù)到水平方向。如下沉量太大,則將第1節(jié)管前端的管底泥挖空500 mm,挖深400 mm,然后澆筑混凝土并待其達到一定強度后再頂進。

4)頂管誤差校正應(yīng)緩慢進行,一旦形成誤差不可快速地將已頂好的管子校正到位,更不得用力過度,以防產(chǎn)生相反的結(jié)果。

3 注意事項

3.1 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件

沿線的土層可能變化頻繁,所以在頂管施工前必須了解土層的變化情況,此外當經(jīng)過回填土地段時需提前處理,以防頂管施工后地面出現(xiàn)過大的下沉。

3.2 有毒氣體的檢測與防護

頂管施工頂進時一般會穿過淤泥層,由于腐爛的動物、植物會在地下形成有毒氣體的聚集,危害施工人員的健康,因此在操作時,需要定時監(jiān)測管內(nèi)有毒氣體的含量,并使用通風(fēng)裝置予以解決。

3.3 頂進計算

首先要準確計算頂進推力,并根據(jù)計算結(jié)果選定相應(yīng)的千斤頂,頂力最主要是要克服頂管頂壁與土的摩擦力而把管道頂入土中,一般頂進距離較短,管壁外周不采取注入觸變泥漿措施,而手掘式工具管的正面基本上是敞開的,其側(cè)切入阻力一般可以忽略不計,只需考慮管道壁外周的土壓力引起的摩擦阻力；其次是工作井設(shè)計,應(yīng)根據(jù)計算得到的最大頂力提出工作井的加固方案,并驗算沉井后依靠土體來承受頂管頂力是否會產(chǎn)生滑動現(xiàn)象。

3.4 淤泥流砂的處理

在地質(zhì)資料反映的淤泥及流砂地段,采用鐵格柵工具,利用千斤頂向前頂進,對頂進過程中流入管內(nèi)的流砂和淤泥以人工裝車外運,該段頂完后在接收井拆除鐵格柵再換上手掘式工具繼續(xù)施工。

3.5 管道滲漏處理

對管道中的滲漏點,用雙快水泥封閉管周,待水泥具有一定強度后用手動泵壓入水泥水玻璃漿液封堵。

4 結(jié) 語

采用頂管法施工技術(shù)可不開挖地面,被鋪設(shè)管道的上部土層未被擾動,管道的管節(jié)端不易產(chǎn)生段變形,管道壽命大于開挖法埋管,同時具有較大的社會經(jīng)濟效益,是保護環(huán)境的一種安全有效的施工方法。

頂管過程是一個復(fù)雜的力學(xué)過程,它涉及材料力學(xué)、巖土力學(xué)、流體力學(xué)、彈塑性力學(xué)等諸多學(xué)科。但頂管施工必須嚴格控制好頂管推力,而對頂管計算復(fù)核能夠準確估計頂管的推力。頂管的推力就是頂管過程管道受的阻力,包括工具頭正面泥水壓力、管壁摩擦阻力。泥水平衡壓力：在封閉的工作倉內(nèi)加泥水壓力平衡地下水壓力,是防止泥砂涌入的重要方法。泥水壓力一定要合理。壓力較小,大量的泥砂涌入,會造成路面破壞,地表設(shè)施受損；壓力過大,會增大主千斤頂負荷,嚴重的可能產(chǎn)生冒頂現(xiàn)象。應(yīng)通過嚴密的頂管計算,完善施工方案,采用先進的頂管設(shè)備,成功高效地完成頂管施工的工作,同時注意在頂進施工中嚴格按技術(shù)規(guī)程操作,確保施工質(zhì)量。

[1] 項曉東.中空間節(jié)約型污水處理工程施工探析[J].廣東土木與建筑,2015(2):1112.