泥水平衡式掘進(jìn)頂管施工技術(shù)在市政公路施工中的應(yīng)用

張 友 坤， 何 靜

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司,四川 成都 610072)

1 概 述

樂(lè)山市青江新區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)BT項(xiàng)目中的樂(lè)山市新一中片區(qū)道路、黑橋至王河園竹公溪道路工程——竹公溪污水干管工程是樂(lè)山市重點(diǎn)城區(qū)市政建設(shè)項(xiàng)目之一，該項(xiàng)目位于樂(lè)山市王河村與盤(pán)龍村之間城市的主要徑流——竹公溪的西側(cè)，全長(zhǎng)1 662.442 m。該污水干線(xiàn)全線(xiàn)采用管徑為DN1000的二級(jí)鋼筋混凝土管，管道埋深5.5～10 m，坡度為0.08%，自北向南順坡排入柏楊西路污水主干管。

鑒于該工程周邊環(huán)境復(fù)雜，經(jīng)綜合考慮工期、成本、安全文明施工等因素，竹公溪污水干管工程(WS1～WS9段)及(WS35～WS38段)采用泥水平衡式掘進(jìn)頂管施工以盡可能地減少對(duì)周邊居民、商鋪、淺埋管線(xiàn)的影響。已有的地勘報(bào)告顯示，頂管施工段WS1～WS9段地層以中等風(fēng)化的泥質(zhì)粉砂巖為主，(WS35～WS38段地層以細(xì)沙層為主，滿(mǎn)足頂管施工的適用條件。

2 泥水平衡式掘進(jìn)頂管與常規(guī)施工方法的對(duì)比分析

泥水平衡式掘進(jìn)頂管避免了常規(guī)明挖施工的場(chǎng)地具有開(kāi)挖量大、影響范圍廣、溝槽開(kāi)挖深等缺陷，克服了傳統(tǒng)明挖依賴(lài)天氣狀況、拆除掛線(xiàn)、構(gòu)筑物較多等不足，其施工具有快速低耗、高效節(jié)能、低碳環(huán)保和安全優(yōu)質(zhì)的效果，應(yīng)用了一系列創(chuàng)新施工技術(shù)，具有如表1所示的特點(diǎn)。

2.1 泥水平衡式掘進(jìn)頂管具有的功能特點(diǎn)

(1)頂管機(jī)頂進(jìn)、破碎處理一體化，無(wú)需任何輔助工藝。

(2)機(jī)內(nèi)旁通裝置標(biāo)準(zhǔn)化，大大縮短了安裝時(shí)間并能防止泥水管道的阻塞。

(3)激光反射型方向誘導(dǎo)裝置能使操作簡(jiǎn)單而精確。

(4)適用土層范圍廣，頂管距離長(zhǎng)。

2.2 泥水平衡式掘進(jìn)頂管具有的施工特點(diǎn)

(1)地質(zhì)方面：適用于各種黏土和N值描述的土質(zhì)范圍；一般適用于土質(zhì)較均勻的地質(zhì)情況。

(2)水文方面：適用于管道附近存在江河、湖泊及地下水位較高、波動(dòng)大的地層。

(3)覆土方面：一般情況下，頂管覆小于50的砂土；適用于礫徑小于20 mm、礫石含量不大于30%的覆土；具有破碎功能的頂管機(jī)土的深度不小于3 m或1.5倍管材外徑，否則應(yīng)采取相應(yīng)的技術(shù)措施。

表1 泥水平衡式掘進(jìn)頂管與人工頂管施工的優(yōu)、缺點(diǎn)表

(4)管材方面：足以抵抗管道的內(nèi)、外侵蝕；能夠承受一定的靜、動(dòng)荷載；能夠承受管道的內(nèi)外部壓力；具有良好的過(guò)流能力；具有較高的軸向承載、傳遞能力且在發(fā)生一定角度偏轉(zhuǎn)的情況下仍能保證較好的防水能力；具有緊密的配合尺寸；端部平整、垂直；在管道長(zhǎng)度方向能保證平直度；防水接頭應(yīng)設(shè)置在管材內(nèi)壁，不能設(shè)置在管材外壁。

根據(jù)以上對(duì)比分析后最終決定該工程采用泥水平衡式掘進(jìn)頂管的方式進(jìn)行施工。

3 工藝流程及操作要點(diǎn)

3.1 施工工藝流程

施工工藝流程見(jiàn)圖1。

3.2 工作井的施工

(1)準(zhǔn)備工作。將工作井及接收井現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地進(jìn)行平整、測(cè)量、放線(xiàn)，確定井區(qū)范圍的障礙物。

(2)基坑的開(kāi)挖。開(kāi)挖方法為：測(cè)量、定位后，根據(jù)頂部圈梁的標(biāo)高、井身的分層開(kāi)挖、分層進(jìn)行鋼筋混凝土護(hù)壁施工，待上部井身強(qiáng)度達(dá)到70%后進(jìn)行下節(jié)井身的開(kāi)挖。如果土質(zhì)較差，需每3m設(shè)置一道鋼筋混凝土圈梁。倒掛井施工至井底深度后，鋪設(shè)10 cm厚C35、防滲等級(jí)為W6級(jí)的素混凝土墊層，墊層施工結(jié)束后，再澆筑50 cm厚C35、防滲等級(jí)為W6級(jí)的鋼筋混凝土。井壁澆筑50 cm厚的C35、防滲等級(jí)為W6級(jí)的鋼筋混凝土。將單層開(kāi)挖深度控制在2 m范圍內(nèi)。

圖1 施工工藝流程圖

(3)工作井施工。該工程受場(chǎng)地限制，工作井施工采用沉井工藝。

沉井制作順序：場(chǎng)地平整——放線(xiàn)——挖土2～3 m——夯實(shí)基底、抄平放線(xiàn)驗(yàn)線(xiàn)——鋪混凝土墊層——綁扎鋼筋——支刃腳、井身模板——混凝土澆筑——養(yǎng)護(hù)、拆模。

①施工坑的開(kāi)挖。沉井在基坑中制作以減少下沉深度，降低施工作業(yè)面。考慮到拆除模板和支模的需要，將基坑設(shè)計(jì)的比沉井寬1～2 m，采用周?chē)邓?，配合人工修坡和平整坑底，挖出的土方用自卸?chē)運(yùn)至棄土場(chǎng)堆放。

②刃腳的支設(shè)。對(duì)于高度較高、重量較大、地基強(qiáng)度較低的沉井，可以采用墊架法支撐。將刃腳鋪設(shè)在混凝土墊層，采用鋼?；蚰灸＿M(jìn)行刃腳模板的安裝。

③模板的支設(shè)和鋼筋的綁扎。沉井模板的支設(shè)、鋼筋綁扎同其他結(jié)構(gòu)施工相比，一定要充分考慮到地基的承載力，因此，一定要均勻?qū)ΨQ(chēng)施工，以防止產(chǎn)生不均勻沉降。

沉井壁應(yīng)留有預(yù)留管道連接孔洞，應(yīng)提前采用M5.0磚砌封閉洞口，待沉井到位后，拆除磚砌封堵。

④混凝土澆筑?；炷烈话悴捎蒙唐坊炷粒盟腿雮}(cāng)。采用分層平鋪法沿井壁均勻澆筑，每次的澆筑厚度為30 cm，將沉井沿周邊分為若干段進(jìn)行澆筑，保持兩側(cè)均勻下料，2 h內(nèi)完成一層的澆筑。

⑤沉井下沉及速度的控制。根據(jù)土質(zhì)情況，采用臺(tái)階開(kāi)挖、自重下沉的方式，從中間向四周開(kāi)挖，均勻?qū)ΨQ(chēng)進(jìn)行，將每層的開(kāi)挖深度控制在40～50 cm，刃腳處留1.2～1.5 m寬的土垅，之后采用人工逐層全面、均勻、對(duì)稱(chēng)地對(duì)土層進(jìn)行削薄，直至土垅因井壁自重而擠壓破壞，從而實(shí)現(xiàn)沉井下沉。

⑥沉井封底。當(dāng)沉井到達(dá)設(shè)計(jì)標(biāo)高后，經(jīng)2～3 d觀測(cè)不再發(fā)生沉降后，即可進(jìn)行沉井封底。封底時(shí)一般先鋪設(shè)50 cm左右的碎石或卵石層，之后澆筑混凝土進(jìn)行封底。為保證工作井內(nèi)無(wú)滲漏、積水等情況，需要對(duì)井底采取抽排水措施。在井內(nèi)設(shè)置排水溝及集水坑，時(shí)刻觀測(cè)井內(nèi)的滲、排水情況以保證頂管施工正常進(jìn)行。

3.3 進(jìn)洞措施

進(jìn)洞前，先在洞口處安裝止水帶，其作用是防止頂管機(jī)進(jìn)洞時(shí)正面的水土涌入工作井內(nèi)，另一個(gè)作用則是防止頂進(jìn)施工時(shí)壓入的減阻泥漿從此處流失，以保證能夠形成完整有效的泥漿套。

在預(yù)留洞內(nèi)接長(zhǎng)頂進(jìn)導(dǎo)軌并做好限位塊。將頂管機(jī)頂入止水帶內(nèi)，在測(cè)量監(jiān)控下頂管機(jī)繼續(xù)頂進(jìn)至主頂行程伸足。在頂管機(jī)尾部燒焊限位塊，防止主頂千斤頂縮回時(shí)頂管機(jī)在正面土體作用下退回?？s回主頂千斤頂，吊放管節(jié)，千斤頂就位后割除限位塊后繼續(xù)頂進(jìn)。進(jìn)洞后，頂管機(jī)和其后的過(guò)渡管節(jié)用鋼板連在一起，形成一個(gè)整體。

(1)進(jìn)洞后的頂進(jìn)施工。頂管機(jī)進(jìn)入原狀土后，為防止機(jī)頭“磕頭”，宜適當(dāng)提高頂進(jìn)速度，使正面的土壓力稍大于理論計(jì)算值，以減少對(duì)正面土體的擾動(dòng)及出現(xiàn)地面沉降[1]。

頂管機(jī)徹底進(jìn)入洞門(mén)后，需檢查洞口止水裝置是否損壞，如有損壞，應(yīng)立即整修，以確保泥水、漿液不外漏[2]。

(2)進(jìn)洞段的各類(lèi)施工參數(shù)。頂管機(jī)從工作井進(jìn)洞后，應(yīng)盡量減少水土流失，控制好地面沉降。應(yīng)不斷根據(jù)地面沉降數(shù)據(jù)的反饋進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，及時(shí)摸索出正面土壓力、出土量、頂進(jìn)速度、注漿量和壓力等各種施工參數(shù)最佳值，為正常段施工提供服務(wù)。

3.4 管道頂進(jìn)

掘進(jìn)開(kāi)始、微型掘進(jìn)機(jī)被主頂油缸向前推進(jìn)，掘進(jìn)機(jī)頭進(jìn)入工作井預(yù)留洞口的止水圈，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙上的線(xiàn)路軸線(xiàn)和標(biāo)高并符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求穿過(guò)土層到達(dá)接收井。在穿過(guò)土層時(shí)，電動(dòng)機(jī)提供能量轉(zhuǎn)動(dòng)切削刀盤(pán)，通過(guò)切削刀盤(pán)進(jìn)入土層。挖掘出的土質(zhì)、石塊等在轉(zhuǎn)動(dòng)的切削刀盤(pán)內(nèi)被粉碎，然后進(jìn)入泥水艙與泥漿混合，最后通過(guò)泥漿系統(tǒng)的排泥管由排泥泵輸送至地面。在挖掘過(guò)程中，利用平衡原理，采用復(fù)雜的土壓平衡裝置維持水土平衡，以至于其始終處于主動(dòng)與被動(dòng)土壓之間以達(dá)到消除地面沉降和隆起的效果。掘進(jìn)機(jī)完全進(jìn)入土層后，其電纜、泥漿管應(yīng)被拆除。吊下第一節(jié)頂進(jìn)管并將其推到掘進(jìn)機(jī)的尾套處，將電纜、泥漿管連接到液壓系統(tǒng)重新開(kāi)始工作，管道頂進(jìn)以后，挖掘終止、液壓慢慢收回，另一節(jié)管道又被吊入井內(nèi)，套在第一節(jié)管道后方，與其連接在一起，重新頂進(jìn)，不斷重復(fù)該過(guò)程，直到所有管道被頂入土層完畢，最終完成一條永久性的地下管道[3]。

3.5 掘進(jìn)導(dǎo)向

掘進(jìn)過(guò)程中，采用先進(jìn)的激光導(dǎo)向控制系統(tǒng)控制管道的軸線(xiàn)和管內(nèi)底標(biāo)高。位于工作井后方的激光經(jīng)緯儀發(fā)出激光束，在調(diào)整好所需的標(biāo)高及方向位置后，對(duì)準(zhǔn)掘進(jìn)機(jī)內(nèi)的定位光靶。激光靶的影像被捕捉到機(jī)內(nèi)攝像機(jī)的影像內(nèi)并被輸送到控制系統(tǒng)的電腦顯示屏內(nèi)。操作者可以根據(jù)需要開(kāi)啟位于掘進(jìn)機(jī)內(nèi)置式油缸進(jìn)行伸縮，調(diào)整切削部分頭部的上下左右高度以達(dá)到糾偏的目的。在整個(gè)掘進(jìn)過(guò)程中，甚至可以獲得控制整個(gè)管道水平、垂直向3 cm內(nèi)的偏離精度。

泥水平衡式頂管的管材采用鋼筋混凝土鋼插口管，其一端由一個(gè)凹形接口、鋼環(huán)套、木質(zhì)墊圈組成，另一端為一個(gè)凸接口、密封圈。當(dāng)兩者連接在一起時(shí)，形成一個(gè)密封永久的管接口。整個(gè)管材外表面光滑(使用前，在鋼插口管的外壁涂上一層潤(rùn)滑油或打蠟)，在穿越土層時(shí)以減少摩阻力，通過(guò)夾木墊圈緩沖兩管端之間的負(fù)荷，以降低局部擠壓所形成的壓力差[4]。

3.6 液壓系統(tǒng)

主頂液壓系統(tǒng)提供所需的推進(jìn)力用以移動(dòng)頂管，頂管所需的推進(jìn)力均由該系統(tǒng)提供。主頂液壓系統(tǒng)位于工作井的后方，當(dāng)一段頂管被安裝到導(dǎo)向軌上以后，油缸開(kāi)始工作，緩緩?fù)七M(jìn)，由位于地面的液壓動(dòng)力站提供動(dòng)力，加壓到油缸，使推進(jìn)速度與微型頂管機(jī)同步，推進(jìn)管與油缸的分壓環(huán)確保了油缸的頂力傳遞到頂管，同時(shí)，頂管的反作用力通過(guò)受壓板將頂管的反力作用于后背墻上。施工過(guò)程中，盡可能地減小推力。為了達(dá)到目的，我們?cè)诠懿耐獗谕磕藵?rùn)滑油；頂管過(guò)程中，在管道內(nèi)向管道外側(cè)灌注觸變泥漿，使整個(gè)管道的外表面與土層之間形成一層起滑潤(rùn)作用的漿套。觸變泥漿通過(guò)預(yù)設(shè)在管壁上規(guī)定間距(一般情況下，每4 m預(yù)留2個(gè)注漿孔)的注漿孔注入至管材表面，通過(guò)這種方法，可以大大減少摩阻力，提高頂管的頂進(jìn)長(zhǎng)度。

頂管宜連續(xù)頂進(jìn)，應(yīng)將暫停時(shí)間控制在12 h之內(nèi)。如果停頂時(shí)間超過(guò)12 h，必須每隔4 h至少注漿一次(注漿量為：每m2管材表面積注入0.05～0.01 m3的漿液)。在重新開(kāi)頂前大量的注漿(每m2不小于0.2 m3的漿液)才能取得較明顯的減阻效果，確保頂力在正常范圍之內(nèi)，否則可能會(huì)因頂力過(guò)大而造成后座墻被頂裂、管材頂爆、完全頂不動(dòng)等后果[5]。

頂進(jìn)過(guò)程中的注意事項(xiàng)：

(1)連續(xù)頂進(jìn)，不能長(zhǎng)期停頓。頂進(jìn)間隔過(guò)長(zhǎng)時(shí)土拱易坍塌，會(huì)使頂力增加。

(2)檢查首節(jié)頂管的高程、中線(xiàn)和坡度，頂進(jìn)時(shí)連續(xù)測(cè)量高程與中線(xiàn)。

(3)頂進(jìn)時(shí)若偏差過(guò)大，應(yīng)立即停止頂進(jìn)，及時(shí)進(jìn)行糾偏。

4 操作要點(diǎn)

(1)實(shí)例中所用管節(jié)為“F”管，“F”管受力性能好，接頭穩(wěn)定性高，接口處止水密封性能好。

(2)接管前應(yīng)再次檢查管子接頭的承插口尺寸以及橡膠圈和襯墊板的外觀。確認(rèn)合格后可在接口處均勻涂抹薄層硅油等對(duì)橡膠無(wú)侵蝕性的潤(rùn)滑材料以減少摩阻力。

(3)承插接管時(shí)要保證與上節(jié)管的鋼套環(huán)同軸度，并且加力要均勻，應(yīng)保證橡膠圈不移位、不反轉(zhuǎn)、不露出管外。

(4)頂管結(jié)束后，應(yīng)按設(shè)計(jì)要求在管內(nèi)間隙處填充彈性密封膏，與管口抹成—個(gè)光滑的漸變面。密封圈的膠結(jié)應(yīng)在使用前兩天完成并檢查其牢固性。

(5)在頂進(jìn)過(guò)程中，管材的供應(yīng)非常重要，如果供應(yīng)不及時(shí)將會(huì)造成頂進(jìn)停止，后果非常嚴(yán)重。由于機(jī)頭重量一般較大，長(zhǎng)時(shí)間的滯留會(huì)造成機(jī)頭沉降而使軸線(xiàn)發(fā)生偏差；或已頂好的管子和周?chē)馏w已固結(jié)，使摩阻力增大。因此，在開(kāi)始頂進(jìn)前，需制定詳細(xì)而周全的供應(yīng)計(jì)劃，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)備有足夠的管材余量。

5 結(jié) 語(yǔ)

在樂(lè)山市青江新區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)BT項(xiàng)目中黑橋至王河園竹公溪工程采用泥水平衡式掘進(jìn)頂管施工取得的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，亦在嘉瑞大道交叉口改造項(xiàng)目污水管工程中得到了很好地利用，解決了道路橫穿部分出現(xiàn)的問(wèn)題，鑒于道路上車(chē)流量大、路面以下管線(xiàn)極多，常規(guī)的明挖不僅施工困難，車(chē)輛、人員的疏導(dǎo)更是難題，泥水平衡式掘進(jìn)頂管技術(shù)的應(yīng)用有效地避免了因地形限制的不利因素，在不利環(huán)境下能夠有效、安全地施工。