泥水平衡頂管施工技術(shù)的工程應(yīng)用研究

鄧建華，何 洋

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

頂管施工技術(shù)起源于19世紀(jì)末的美國(guó)北太平洋鐵路的鋪設(shè)，此后，日本、德國(guó)等國(guó)家紛紛將此技術(shù)應(yīng)用到其城市基礎(chǔ)建設(shè)中，我國(guó)于建國(guó)初期首次在北京某水管道埋設(shè)上試用了頂管法施工，取得了良好的效果。目前，頂管施工技術(shù)在我國(guó)及國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用已比較成熟，但在東南亞及非洲等發(fā)展中國(guó)家應(yīng)用較少。

1 工程概況

某國(guó)外污水處理廠EPC投標(biāo)項(xiàng)目，水廠日處理能力12萬(wàn)m3/d，由50 mm格柵井及污水提升泵房，20 mm、3 mm格柵渠，曝氣沉砂池，MBBR生化池，氣浮池等建筑物組成。廠區(qū)區(qū)域由濱海平原、三角洲和洪泛平原組成，廠址地基由松散的沙子、軟質(zhì)粉土和軟黏土硬土構(gòu)成，巖層一般分布在更深的位置。

另外，從發(fā)包人提供的廠外截污管道接入點(diǎn)到50 mm格柵井需鋪設(shè)長(zhǎng)約230 m、管徑1.5 m的球墨鑄鐵管連接，管頂以上埋深約14 m；由于其埋深較大，如果采用常規(guī)開(kāi)挖埋管施工，需開(kāi)挖狹長(zhǎng)深基坑，其開(kāi)挖回填和基坑邊坡支護(hù)工程量均很大，而且整個(gè)污水處理廠廠區(qū)窄長(zhǎng)，其放坡開(kāi)挖將挖除其他水廠建筑物的基礎(chǔ)，導(dǎo)致其他水廠建筑物的施工停滯，進(jìn)而影響總進(jìn)度計(jì)劃，因此擬采用非開(kāi)挖的頂管法對(duì)該段管道進(jìn)行施工。

對(duì)于管徑小于1 m的管道，頂管施工可采用水平定向鉆進(jìn)鋪管鉆機(jī)鉆孔，拉管鋪設(shè)施工方法?？紤]到該連接管管徑大于1 m，并結(jié)合水文地質(zhì)情況，擬采用泥水平衡頂管施工。

2 頂管施工原理

頂管施工的基本原理。頂管施工就是借助主頂油缸以及中繼間的頂進(jìn)力，把工具管或頂管掘進(jìn)機(jī)從工作坑內(nèi)穿過(guò)土層一直頂進(jìn)到接收坑內(nèi)吊起。與此同時(shí)，把緊隨在工具管或掘進(jìn)機(jī)后的管道埋設(shè)在兩個(gè)工作坑之間。在頂管施工中主要有三種工作面平衡理論，即：氣壓、土壓和泥水平衡理論。

泥水平衡頂管的工作原理。通常把用水力切削泥土以及雖然采用機(jī)械切削泥土但采用水力輸送棄土，同時(shí)利用泥水壓力來(lái)平衡地下水壓力和土壓力的這一類頂管形式都稱為“泥水平衡頂管施工”。在泥水平衡頂管施工中，要使挖掘面保持穩(wěn)定，就必須在泥水倉(cāng)中充滿一定壓力的泥水，泥水在挖掘面上形成一層不透水的泥膜，阻止泥水向挖掘面里滲透。同時(shí)，該泥水本身具有一定的壓力，因此，可以用來(lái)平衡地下水壓力和土壓力。泥水平衡頂管適用的土質(zhì)范圍比較廣，在地下水壓力很高以及變化范圍較大的條件下也能適用。泥水平衡頂管施工示意見(jiàn)圖1。

3 泥水壓力和頂管推力計(jì)算

泥水平衡頂管施工主要涉及的泥水壓力和頂管推力計(jì)算如下。

3.1 泥水壓力計(jì)算

泥水平衡分析見(jiàn)圖2，其中P1為頂管機(jī)頂部的地下水壓力，P3為頂管機(jī)底部的地下水壓力，P2為頂管機(jī)頂?shù)哪嗨畨毫Γ琍5為頂管機(jī)底的泥水壓力。由于泥水平衡式頂管機(jī)在施工過(guò)程中泥水倉(cāng)的泥水壓力必須比地下水位高出一個(gè)△P，即在圖中高出的△h水頭部分，△P一般在10～20 kPa之間。這時(shí)，在頂管機(jī)底部被增加一個(gè)△P后的地下水壓力應(yīng)為P4，在頂部的大小均為P2。因?yàn)樵黾拥倪@個(gè)△P是泥水壓力，所以，它同地下水有不同的相對(duì)密度，因而當(dāng)頂管機(jī)頂?shù)膲毫ο嗤瑫r(shí)，頂管機(jī)底壓力是不相同的，此時(shí)，頂管機(jī)底的泥水壓力為P5。

圖1 泥水平衡頂管施工示意

圖2 泥水平衡分析示意

實(shí)際上，泥水平衡式頂管機(jī)泥水倉(cāng)內(nèi)是在BDEC2這個(gè)梯形壓力區(qū)內(nèi)工作。通常，在設(shè)定泥水壓力時(shí)，一般是取其中間值，即Pm=1/2(P2+P5)。本工程根據(jù)地質(zhì)資料結(jié)合以往的頂管施工經(jīng)驗(yàn)，Pm在50～150 kPa之間。

3.2 頂管推力的計(jì)算

式中，P為計(jì)算的總推力，kN；γ為管道所處土層的重力密度，kN/m3；D1為管道的外徑，m；H為管道頂部以上覆蓋層的厚度，m；φ為管道所處土層的內(nèi)摩擦角；ω為管道單位長(zhǎng)度的自重，kN/m3；L為管道的計(jì)算頂進(jìn)長(zhǎng)度，m，初步考慮設(shè)置3個(gè)中繼間，L按60 m取值；f為頂進(jìn)時(shí)，管道表面與其周圍土層之間的摩擦系數(shù)；PS為頂進(jìn)時(shí)頂管掘進(jìn)機(jī)的迎面阻力，kN。

經(jīng)計(jì)算P為13 022 kN，采用的頂管機(jī)械最大頂進(jìn)力1 500 t，滿足要求。

4 頂管施工程序

先進(jìn)行工作井及接收井施工，再進(jìn)行管道頂進(jìn)施工，本工程工作井及接收井可結(jié)合50 mm格柵井及污水提升泵房和發(fā)包人提供的廠外截污管道接入點(diǎn)設(shè)置。工作井及接收井可采用預(yù)制鋼筋混凝土井，采用1.2 m3挖掘機(jī)開(kāi)挖基坑，基坑開(kāi)挖完成后，澆筑底板及邊墻混凝土。

混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，利用在井口架設(shè)的桁車將鋼管吊入工作井，采用頂管設(shè)備在工作井內(nèi)將鋼管向接收井方向頂進(jìn)施工，管道內(nèi)土方采用泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)開(kāi)挖，泥漿抽排至井外，泥水分離后將沉渣裝入自卸汽車運(yùn)至棄土區(qū)。頂管施工程序如圖3所示。

圖3 頂管施工程序

5 頂管施工主要技術(shù)要點(diǎn)

(1)頂管后背處理。頂管后背采用50b型工字鋼整體焊接，鋼板尺寸5 m×4 m×0.05 m(寬×高×厚)，為防止頂進(jìn)過(guò)程中對(duì)井壁造成破壞，后背及井壁間加設(shè)襯墊木板。后背與管道軸線垂直，允許不垂直度為5 mm/m，使千斤頂?shù)募袘?yīng)力傳至后背上，經(jīng)井壁逐步擴(kuò)散至后背土體，由土的被動(dòng)土壓力承擔(dān)。

(2)導(dǎo)軌安裝。導(dǎo)軌采用鋼制定型軌道，軌道高15 cm。導(dǎo)軌坡度按管道坡度進(jìn)行安裝，導(dǎo)軌內(nèi)距1 m，安裝導(dǎo)軌前復(fù)核管道中心線的位置，保證導(dǎo)軌位置的準(zhǔn)確。導(dǎo)軌由鋼軌、橫梁和墊板組成，采用的60 kg/m重型鋼軌，導(dǎo)軌和預(yù)埋鋼板之間用橫向的槽鋼焊接，導(dǎo)軌的間距布置使管外底離橫向的槽鋼頂面不小于2 cm，導(dǎo)軌長(zhǎng)度按工作坑長(zhǎng)度減去0.3 m，滿長(zhǎng)鋪設(shè)。安放在混凝土基礎(chǔ)面上，導(dǎo)軌定位時(shí)穩(wěn)固、準(zhǔn)確，在頂進(jìn)過(guò)程中承受各種荷載時(shí)不移位、不變形、不沉降，導(dǎo)軌面上的中心標(biāo)高按頂管管內(nèi)底標(biāo)高設(shè)置。兩根導(dǎo)軌保持平行等高，導(dǎo)軌坡度與設(shè)計(jì)管道坡度一致，導(dǎo)軌的高程誤差和中線位移控制在2 mm內(nèi)。在頂進(jìn)中經(jīng)常觀測(cè)、調(diào)整，以確保頂進(jìn)軸線的精度。

(3)管節(jié)安裝。利用井口架設(shè)的行車起重設(shè)備，吊放球墨鑄鐵管入井。下管前在地面上應(yīng)對(duì)下吊的管節(jié)進(jìn)行外觀檢查，包括檢查管端面的平直度、管壁表面的光潔度、端面上有無(wú)縱向裂縫，對(duì)不合格的管節(jié)不應(yīng)使用。通過(guò)行車將管節(jié)吊到軌道上面與之吻合，對(duì)正管口。

(4)頂鐵安裝。在球墨鑄鐵管管口增設(shè)環(huán)形頂鐵與管口吻合，以擴(kuò)大管口承壓面，保護(hù)管壁不破損。頂鐵的中心線要與管道軸線一致。更換頂鐵時(shí)，先使用長(zhǎng)度長(zhǎng)的頂鐵，頂鐵拼裝后及時(shí)鎖定。管道端面與頂鐵接觸面均勻加設(shè)襯墊，襯墊材料可用油氈、橡膠墊、石棉板、木板等。頂進(jìn)時(shí)，施工人員嚴(yán)禁在頂鐵上方和側(cè)面停留，并隨時(shí)觀察頂鐵有無(wú)異常跡象。

(5)機(jī)頭進(jìn)洞。進(jìn)洞前將洞口土向前挖500 mm，再將機(jī)頭徐徐推進(jìn)洞口里，待刀盤全部進(jìn)洞，止水圈全部安好后，開(kāi)動(dòng)頂管機(jī)刀盤旋轉(zhuǎn)，待土壓升到0.1 MPa時(shí)，出漿機(jī)的土壓也上升到約0.07 MPa。機(jī)器各部正常并按操作規(guī)程開(kāi)始入土，此時(shí)只存在軌道對(duì)機(jī)頭的摩擦力，機(jī)頭轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)機(jī)身易偏轉(zhuǎn)，故在入土前2 m頂進(jìn)時(shí)軌道安裝機(jī)頭限位裝置，且控制頂進(jìn)速度在50 mm/min以下，以防機(jī)頭整體旋轉(zhuǎn)。頂進(jìn)2 m以后在機(jī)頭不旋轉(zhuǎn)的情況下可逐漸加大頂進(jìn)速度。機(jī)頭沒(méi)完全入土?xí)r，土倉(cāng)壓力控制在30～50 kPa，待機(jī)頭全部入土后，下第一節(jié)管做反封閉處理。

(6)頂進(jìn)施工。待各項(xiàng)準(zhǔn)備工作就緒且工作井底板混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度后，開(kāi)始進(jìn)行管道頂進(jìn)。管節(jié)安裝完畢后，用千斤頂將管節(jié)沿導(dǎo)軌向已挖好的土洞內(nèi)頂進(jìn)。當(dāng)頂完一節(jié)管時(shí)，即頂?shù)搅粼趯?dǎo)軌上的管節(jié)長(zhǎng)度約0.4～0.5 m時(shí)，無(wú)論千斤頂是否出程完畢都要停止頂進(jìn)。此時(shí)退回千斤頂行程、拆除頂鐵，準(zhǔn)備安裝新管節(jié)，隨時(shí)測(cè)量。

(7)機(jī)頭出洞。機(jī)頭推進(jìn)到距出洞口約1.3 m處鑿除接收洞口的墻壁，從接頭坑管中心部位打進(jìn)一根鋼釬尋找機(jī)頭，此時(shí)機(jī)頭的水壓表和出漿機(jī)水壓隨之消失，螺旋機(jī)也停止了出土，機(jī)頭電流也變小，接頭坑壁開(kāi)裂向外凸出，這時(shí)需仔細(xì)測(cè)量四個(gè)方向無(wú)誤后關(guān)機(jī)。啟動(dòng)主頂油缸繼續(xù)推進(jìn)至中心刀露頭時(shí)，停止推進(jìn)。做好接收準(zhǔn)備，安置機(jī)頭接收托架低于機(jī)頭3～5 cm，然后吊出機(jī)頭。

6 頂管施工特殊情況處理

(1)頂進(jìn)過(guò)程中遇到障礙物。為防止頂進(jìn)過(guò)程中遇到較大障礙物，施工前對(duì)工程地質(zhì)條件和環(huán)境情況進(jìn)行周密細(xì)致的調(diào)查。頂管施工過(guò)程中，如遇到小于10 cm的土塊或石塊，頂管機(jī)旋轉(zhuǎn)切盤可以將其打碎并通過(guò)輸送料盤進(jìn)行出料。如粒徑大于10 cm，輸送料盤不能將其從前方土體中輸出，應(yīng)及時(shí)注漿減阻，檢查堵塞并進(jìn)行人工清堵。

(2)機(jī)頭管管口破裂。管道頂進(jìn)過(guò)程時(shí)中線、高程發(fā)生偏差位移，造成管口破裂。對(duì)此需使用20 mm厚鋼板制作好的內(nèi)漲圈安裝在機(jī)頭管管口位置進(jìn)行加固，管道高程中心在調(diào)整時(shí)要放緩調(diào)整頻率，管道勤注觸變泥漿，注漿量要滿足管道頂力要求。

(3)管道接口滲漏。如果管節(jié)和密封材料質(zhì)量不符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或在安裝頂進(jìn)過(guò)程中管節(jié)損壞；管道軸線偏差過(guò)大，造成接口錯(cuò)位，間隙不均勻填充材料不密實(shí)；接口或止水裝置選型不當(dāng)，都將造成管道接口滲水、漏水。為預(yù)防管道接口滲漏，需嚴(yán)格執(zhí)行管節(jié)和接口密封材料的驗(yàn)收制度，嚴(yán)禁使用不合格產(chǎn)品；嚴(yán)格控制管道軸線，必須按“勤糾”“小糾”的原則進(jìn)行，以避免接口不勻而使膠圈減小止水作用；下管時(shí)，需在鋼絲繩與管口之間加橡膠墊保護(hù)管口；選用與鋼管相匹配的橡膠圈，事先檢查橡膠圈的質(zhì)量，臨下管前抹好潤(rùn)滑劑，正確安裝。

(4)地面沉降與隆起。開(kāi)挖面取土量過(guò)多或過(guò)少，都會(huì)使機(jī)頭推進(jìn)壓力與開(kāi)挖土體壓力不平衡；管道軸線偏差，或糾偏不當(dāng)造成的地層土體損失；管道外圍環(huán)形空隙(機(jī)頭外徑與管外徑之差)引起的地層土體損失，或頂管完成后未置換泥漿造成的土體損失；管道接口不嚴(yán)密，造成的水土流失，都將造成地面沉降或隆起。

針對(duì)以上情況，應(yīng)做出相應(yīng)防治措施。施工前對(duì)工程地質(zhì)條件和環(huán)境情況進(jìn)行周密細(xì)致的調(diào)查，制定切實(shí)可行的施工方案，正確選用機(jī)頭，并對(duì)距離管道近的建筑物和其他設(shè)施采取相應(yīng)的加固保護(hù)措施；設(shè)置測(cè)力裝置，掌握頂進(jìn)壓力，保持頂進(jìn)壓力與前端土體壓力的平衡；嚴(yán)格控制頂管軸線偏差，執(zhí)行“勤測(cè)量、勤糾偏、小量糾”的操作方法；在頂進(jìn)過(guò)程中及時(shí)足量地注入符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的潤(rùn)滑支承介質(zhì)填充管道外圍環(huán)形空隙，并在施工結(jié)束后及時(shí)用水泥或粉煤灰等置換觸變泥漿；嚴(yán)格控制管道接口的密封質(zhì)量，防止?jié)B漏。

7 結(jié) 語(yǔ)

頂管施工與明挖埋管施工工法相比，具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)開(kāi)挖部分僅僅只有工作坑和接收坑，相對(duì)安全且對(duì)其他建筑物及交通影響小；

(2)在管道頂進(jìn)過(guò)程中，只挖去管道斷面部分的土，挖土及回填工程量都很少；

(3)建設(shè)公害少、文明施工程度高；

(4)在覆蓋層深度大的情況下，施工成本低。

隨著“一帶一路”倡議的提出，沿線國(guó)家污水處理廠、市政管道等基礎(chǔ)設(shè)施工程大量建設(shè)，頂管施工技術(shù)以其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。

通過(guò)以上對(duì)頂管施工技術(shù)的分析研究，泥水平衡頂管施工應(yīng)用于該污水處理廠EPC投標(biāo)項(xiàng)目中長(zhǎng)約230 m的大直徑深埋管道是可行的，經(jīng)初步估算采用頂管施工比明挖埋管施工可節(jié)省約600萬(wàn)元，并且該管線與其他水廠建筑物可平行施工，工程施工直線工期不受影響，能夠確保項(xiàng)目按期完工。因此確定在本投標(biāo)施工方案中采用泥水平衡頂管施工。本文以某國(guó)外污水處理廠EPC投標(biāo)項(xiàng)目為例，對(duì)投標(biāo)方案中深埋管施工問(wèn)題提出了頂管施工方法，并分析了頂管施工的技術(shù)要點(diǎn)，其技術(shù)分析在類似工程上具有借鑒意義，可供同行參考。