頂管施工工藝及質(zhì)量控制

何大鵬 陳 磊

頂管施工是繼盾構(gòu)施工之后而發(fā)展起來的一種地下管道施工方法。它不需要開挖面層,并且能夠穿越公路、鐵道、河川、地面建筑物、地下構(gòu)筑物以及各種地下管線等,在我國,特別是沿海發(fā)達(dá)地面逐步普及使用,頂管設(shè)備也越來越先進(jìn)。在各類市政建設(shè)項目中,頂管施工技術(shù)已被廣泛應(yīng)用。

1 頂管施工技術(shù)概述

1.1 定義

所謂頂管法施工,即是在工作坑內(nèi)借助于頂進(jìn)設(shè)備產(chǎn)生的頂力,克服管道與周圍土壤的摩擦力,將管道按設(shè)計的坡度頂入土中,并將土方運走。一節(jié)管子完成頂入土層之后,再下第二節(jié)管子繼續(xù)頂進(jìn)。其原理是借助于主頂油缸及管道間、中繼間等推力,把工具管或掘進(jìn)機從工作坑內(nèi)穿過土層一直推進(jìn)到接收坑內(nèi)吊起,與此同時,把緊隨工具管或掘進(jìn)機后的管道埋設(shè)在兩坑之間。

1.2 頂管技術(shù)的必要性

對于繁忙而脆弱的城市交通系統(tǒng),開挖敷設(shè)地下管道勢必會造成交通中斷,特別是敷設(shè)橫穿城市主干道下的管道,大開挖埋管必然帶來交通阻斷,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。在非開挖狀態(tài)下對這些管道進(jìn)行修復(fù)和敷設(shè),淺埋頂管技術(shù)有了用武之地。當(dāng)?shù)孛娼?構(gòu))筑物較多,無法采用槽工藝進(jìn)行地下管線施工,或開槽施工支護(hù)費用過大,易造成建筑物的破壞,以及碴土堆放、外運造成市區(qū)污染,給市民工作、生活帶來不便時,宜采用頂管施工工藝,進(jìn)行地下管網(wǎng)施工。

2 頂管施工關(guān)鍵質(zhì)量控制

2.1 在頂管施工前應(yīng)對場地進(jìn)行詳細(xì)的勘察

勘察內(nèi)容包括工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況,了解土層變化情況及地下水位情況;對地下管線的探查;穿越建筑物時對建筑物基礎(chǔ)的探查。頂管機械的選擇應(yīng)根據(jù)所經(jīng)過場地的地質(zhì)情況合理選用。泥水平衡、土壓平衡、氣壓平衡及人工掏土等形式的機頭各有其適用范圍,不同型號的機頭各自的特點也不一樣,在頂管機械設(shè)備的選擇上,應(yīng)事先做好充分的勘察探測工作,區(qū)分不同類土質(zhì)選用合適的機械設(shè)備。

2.2 選擇合理的施工工藝

施工工藝是否合理對頂管施工的成敗起關(guān)鍵性的作用。頂管施工工藝是指從機械設(shè)備開始進(jìn)入場地到頂進(jìn)全部結(jié)束的整個過程。其包括頂進(jìn)機械的選擇,頂進(jìn)線路的選型,機頭的進(jìn)出洞技術(shù)及注漿減摩技術(shù)等。要根據(jù)頂管直徑選用工具管,可采用頂部前伸式,網(wǎng)格加密式等。塌方的另一個原因是操作失誤。例如,盲目超前開挖,停頂后沒有防塌的措施等,諸如此類的操作、管理不當(dāng),造成地面沉降。

2.3 頂推動力控制技術(shù)

1)頂推后座設(shè)計:精心設(shè)計頂推的反力墻,確保頂推時后座安全。2)泥漿減阻、中繼站的采用:配制優(yōu)質(zhì)泥漿,壓力注入管體與巖土之間有效地降低兩者間的摩阻力,從而降低了頂推力,有利于頂進(jìn)系統(tǒng)安全、減小管體偏移、降低地面沉降。3)在管道頂進(jìn)過程中要處理好管道接頭的密封問題。密封不好會產(chǎn)生滲漏,增加地層損失,也給施工帶來不便。解決密封問題首先要選擇合適類型的管道。4)適速頂進(jìn),頂進(jìn)速度過快,其極易造成地面隆起。頂進(jìn)過后及時注漿,一方面填充了管體與巖土間的空隙,有效的減小了地面沉降,另一方面起到了注漿減阻的作用。

2.4 頂管施工線形控制技術(shù)

1)測量的方法。用坐標(biāo)法,根據(jù)設(shè)計給出的工作井坐標(biāo),以及接收井中心的坐標(biāo),直線頂管部分采用導(dǎo)線法,將控制點定在工作井上。頂管頂進(jìn)時,在機頭中心設(shè)置一個光靶,根據(jù)光靶反映的讀數(shù),即可知道目前機頭的方位;對于曲線頂管部分,根據(jù)工作井、接收井坐標(biāo)、圓心坐標(biāo)以及曲線半徑,使用全站儀測出機頭光耙坐標(biāo),即可知道機頭偏差情況。

2)測量設(shè)備。頂進(jìn)的測量與方向的控制,主要是采用全站儀,輔以激光經(jīng)緯儀和水準(zhǔn)儀測量。由于頂進(jìn)距離長,如觀察困難,可以采用自動跟蹤儀測量。然后通過油缸進(jìn)行糾編,遵循先糾上下后糾左右的原則。

3)測量與方向控制要點。a.制定嚴(yán)格的放樣復(fù)核制度,并做好原始記錄。頂進(jìn)前必須遵守嚴(yán)格的放樣復(fù)測制度,確保測量萬無一失。b.布設(shè)在工作井后方的儀座必須避免頂進(jìn)時移位和變形,必須定時復(fù)測并及時調(diào)整。c.頂進(jìn)糾偏必須勤測量、多微調(diào),糾偏角度應(yīng)保持在 10′～20′,不得大于 1°,并設(shè)置偏差警戒線。d.初始推進(jìn)階段,方向主要是主頂油缸控制,因此,一方面要減慢主頂推進(jìn)速度,另一方面要不斷調(diào)整油缸編組和機頭糾偏。e.開始頂進(jìn)前必須制定坡度計劃,對每米、每節(jié)管的位置、標(biāo)高需事先計算,確保頂進(jìn)時正確,以最終符合設(shè)計坡度要求和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為原則。

4)曲線頂管的測量。頂管工程的測量工作是整個頂管工程質(zhì)量的關(guān)鍵,它的實施好壞將直接影響到管線線形的平順,甚至影響到頂管的順利貫通,因此需精心實施,確保無誤。頂管施工測量包括高程測量和左右偏差測量兩部分。高程測量較簡單,在地面上把永久性水準(zhǔn)引測至井邊,通過垂直吊鋼尺引測至井下,設(shè)臨時水準(zhǔn)點,再在管道內(nèi)架設(shè)水準(zhǔn)儀測至機關(guān)內(nèi)標(biāo)靶,即可知道機頭高程偏差。此水準(zhǔn)還可從機頭測出來,閉合差按二級水準(zhǔn)控制。左右偏差測量較復(fù)雜,在直線頂管中,我們可以在后座設(shè)一激光經(jīng)緯儀,在滿足通視的條件下,直接看機頭內(nèi)標(biāo)靶就可知道左右偏差,而曲線頂管卻做不到,因為管線線形是弧形的,后座內(nèi)激光經(jīng)緯儀不能一下看到底。因此需在管道內(nèi)布置移動測站。在通過管道內(nèi)的移動測站測量出機頭內(nèi)光靶的實際坐標(biāo)后,計算出光靶中心與該段曲線的圓心距離(實際半徑),與曲線設(shè)計半徑相比較,若大于設(shè)計曲線半徑的,說明機頭向外側(cè)偏出,若小于設(shè)計曲線半徑的,說明機頭向內(nèi)側(cè)偏出。在曲線段變?yōu)橹本€段后,根據(jù)實際測量出的光靶坐標(biāo),使用點到直線的距離計算公式,算出實際偏差距離。

5)曲線頂管管縫控制。曲線頂管的管縫控制尤其重要,因為如果管縫張不開,就形不成曲線;張開過大,將造成頂管偏差或超標(biāo),特別是軟土中頂管,在管縫形成后,如果糾偏控制得不好,其趨勢會越來越大,雖然可以通過糾偏千斤頂糾偏,但這種偏差并不是一下子能糾回來的,這樣頂管的線形往往會形成蛇形,而且最大偏差點超過規(guī)范允許范圍,并且管縫張開過大,在地下水豐富的地方,會給工程帶來危險。應(yīng)當(dāng)把管外最大開口間隙控制在20 mm以內(nèi),避免管接口張縫過大造成滲漏。在頂管時,由專人負(fù)責(zé)量機頭與第一節(jié)混凝土管左右兩邊的管縫,并做好記錄,每次糾偏前后均需實測,發(fā)現(xiàn)超出規(guī)定時停止頂管,研究對策后才能繼續(xù)頂進(jìn)。

2.5 頂進(jìn)糾偏應(yīng)急與預(yù)防措施

1)利用頂管機傾斜儀和測量數(shù)據(jù)提供的機頭折角、傾斜儀基數(shù)和走動趨勢、前后尺讀數(shù)比較、機尾處地面沉降量等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。對0.5°以上的大動作糾偏須盡量避免并慎重討論,不得已時也應(yīng)爭取在非重要地段進(jìn)行并加強觀測。糾偏動作后如無折角變動應(yīng)立即停頂,會同電工、機修工檢查電路和液壓管路,盡早排除故障,嚴(yán)防軸線超差。糾偏應(yīng)在下管后盡早進(jìn)行,注意觀察傾斜儀讀數(shù)的糾后趨勢及光點滯后變化,同時通知地面和地下壓漿人員加大同步壓漿量。2)頂進(jìn)過程中的糾偏可采取調(diào)整糾偏千斤頂?shù)姆椒?進(jìn)行糾組操作,若管道左則千斤頂采用左伸右縮方法,反之亦然,如同時有高程和方向偏差,則應(yīng)先糾正偏差大的一面。3)發(fā)生較大偏差應(yīng)分析發(fā)展趨勢,采用分次逐步糾正,勤調(diào)微糾,若偏差超過質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)通知停止頂進(jìn),研究有效措施,方可繼續(xù)頂進(jìn)。4)對頂進(jìn)中經(jīng)常發(fā)生頂管機頭的旋轉(zhuǎn),影響出土、測量等,必須采取措施。防止偏轉(zhuǎn)擴大,其方法有:改變切削刀盤的轉(zhuǎn)動方向;在管內(nèi)的相反方面增加壓重塊,直到正常。

2.6 關(guān)于穿越密集建筑群的頂管施工控制

頂管埋深要達(dá)到足夠的要求,這樣才能在開挖時形成拱效應(yīng),使開挖面上部的土體不至于在地面較大的荷載下發(fā)生坍塌。對于某些情況當(dāng)?shù)乇斫ㄖ锘虻叵鹿芫€基礎(chǔ)與頂管距離較近時,為保證建筑物和構(gòu)筑物的安全,就需要對建筑物和管線下面的土體進(jìn)行加固。一般采取壓密注漿的方式,將漿液注入土中,改善結(jié)構(gòu)物周圍的土體力學(xué)性質(zhì),以減小施工對結(jié)構(gòu)物的影響。

3 頂管施工時主要安全技術(shù)措施

1)在開通預(yù)留孔磚墻時,要注意腳手架穩(wěn)定牢固,同時要注意鑿除順序,操作人員站立位置等,以防磚墻突然倒塌,要有專人監(jiān)護(hù)觀察。2)剛頂進(jìn)時管子要防止反彈,因剛頂進(jìn)管子還沒有一定距離和摩阻力,很容易被洞外泥土壓力擠出。因此在頂進(jìn)到位收泵時,要注意觀察反彈現(xiàn)象,如有反彈停止收泵,采取止回措施,方可收泵。3)由于頂進(jìn)距離長,管道內(nèi)的防火措施也相當(dāng)重要。主要作好以下幾點:a.管道內(nèi),未經(jīng)許可不得動用明火;b.管道內(nèi)任何人都不準(zhǔn)吸煙;c.用于管道內(nèi)的所有材料,都應(yīng)是非燃材料或具有延遲起火的性能;d.管道內(nèi)的氣體含量需經(jīng)常檢測,發(fā)現(xiàn)可燃?xì)怏w超標(biāo),應(yīng)立即停機,加強通風(fēng)。4)用電安全必須注意。5)管道內(nèi)設(shè)置走道板供工人及有關(guān)人員安全進(jìn)出。6)電纜、鋼管、通風(fēng)管、高壓油管等在中繼間處應(yīng)安裝一截軟管,防止使用中繼間時,拉斷有關(guān)管子造成不必要的損失。7)管子吊裝安全措施:吊管必須有人指揮,并持有有效證件;吊機停放要平穩(wěn),基實牢固的位置;吊機駕駛必須持有有效證件(特殊工種操作證);吊管鋼絲繩要選擇標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的材質(zhì),吊管時管內(nèi)與鋼絲繩接觸點要墊好木塊,以免擦傷鋼絲繩和管口鋼套環(huán);在吊裝管子時,沉井下垂直點不準(zhǔn)站人,與管體平衡點不準(zhǔn)站人,防止懸空慣性而碰撞傷人。

4 結(jié)語

頂管技術(shù)是一門綜合性的技術(shù),頂管施工隨著管道建設(shè)的發(fā)展已越來越普及,應(yīng)用領(lǐng)域也越來越寬,相信隨著頂管施工的普及和專業(yè)化,頂管施工會在不斷實踐中成熟。

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[2] 韓選江.大型地下頂管施工技術(shù)原理及應(yīng)用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

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