基于頂管法的綜合管廊施工關(guān)鍵技術(shù)研究

萬磊

摘要：頂管法是地下綜合管廊暗挖施工的主要形式之一，能較好的解決傳統(tǒng)的開挖施工所產(chǎn)生的諸多弊端。文章在闡述頂管法基本原理和優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合南京市江北新區(qū)綜合管廊項(xiàng)目，對(duì)施工關(guān)鍵技術(shù)分三階段進(jìn)行細(xì)化研究，重點(diǎn)明確了頂進(jìn)推力的計(jì)算、優(yōu)化了管節(jié)接口防水構(gòu)造，分析了J0-J1區(qū)間沉降觀測(cè)值，并針對(duì)性的總結(jié)了頂管施工中易出現(xiàn)的問題，提出應(yīng)對(duì)措施，旨在為類似頂管法施工提供借鑒參考。

Abstract： The pipe jacking method is one of the main forms of underground excavation of underground integrated pipe gallery， which can better solve many disadvantages caused by traditional excavation. On the basis of expounding the basic principles and advantages of the pipe jacking method， combined with the integrated pipe gallery project in the Jiangbei New District of Nanjing City， this article studies the key technologies for construction in three stages， focuses on clarifying the calculation of jacking thrust， optimizing the waterproof structure of the pipe joint interface， analyzing the settlement observation values in the J0-J1 interval， and summing up the problems that are prone to occur in the construction of the jacking pipe， and proposes countermeasures， to provide reference for similar construction with pipe jacking method.

關(guān)鍵詞：頂管法;綜合管廊;頂進(jìn)推力計(jì)算;管節(jié)接口防水

Key words： pipe jacking method;integrated pipe gallery;Jacking thrust calculation;pipe joint waterproof

中圖分類號(hào)：TU990.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）14-0141-03

0? 引言

頂管法施工技術(shù)最早應(yīng)用于19世紀(jì)末美國(guó)北太平洋鐵路建設(shè)中，隨后相繼在英國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)家發(fā)展起來。20世紀(jì)50年代我國(guó)北京和上海開始應(yīng)用頂管法施工，北京首次在鐵路線路下頂進(jìn)鋼筋混凝土管節(jié)，而上海則在穿越黃埔江時(shí)頂進(jìn)了鋼結(jié)構(gòu)管節(jié)。直到20世紀(jì)90年代，我國(guó)開始在多個(gè)城市應(yīng)用頂管法施工并取得成功，如表1所示。此后，頂管法施工技術(shù)才真正意義上得到了實(shí)質(zhì)性的發(fā)展與進(jìn)步。

頂管法施工是通過一系列機(jī)械設(shè)備將各類管節(jié)依次從始發(fā)頂管井，利用掘進(jìn)機(jī)頭和頂進(jìn)推力穿越土層至接收井的暗挖管線施工方法，主要應(yīng)用于軟弱土地層，在不阻斷交通、不破壞既有道路和植被的前提下穿越地表及地下障礙物，具有機(jī)械化程度高，工期短，造價(jià)低，無噪聲、綠色環(huán)保等顯著優(yōu)勢(shì)。

1? 工程概況

南京市江北新區(qū)綜合管廊二期工程位于國(guó)家級(jí)江北新區(qū)核心地段及其周邊地區(qū)的18條路段下，建設(shè)總長(zhǎng)度53.41km，工期五年。入廊管線包括有燃?xì)?、電力、通信、給水、雨水、空調(diào)熱力管等十余種類型。

頂管法施工主要集中在A2+568-A3+585范圍內(nèi)，共計(jì)五段，直線長(zhǎng)度約1公里，需下穿豐子河、浦濱路、浦口大道、鎮(zhèn)南河路及上穿地鐵10號(hào)線。管節(jié)為鋼筋混凝土材質(zhì)，強(qiáng)度等級(jí)C50，抗?jié)B等級(jí)P8。管節(jié)內(nèi)徑尺寸包括3.6m和2.4m兩種，如圖1和表2所示。

2? 施工關(guān)鍵技術(shù)

2.1 施工前準(zhǔn)備階段

2.1.1 頂管井施工

本項(xiàng)目J0-J5共計(jì)6座頂管井，其中J0井為“方型井”，J1-J5均為“圓形井”（如圖1所示）。頂管井采用鉆孔灌注樁+高壓旋噴圍護(hù)形式。以J3井為例，按“分層開挖”原則，其主要施工順序?yàn)椋悍牌麻_挖→灌注樁施工→高壓旋噴樁施工（止水帷幕+地基加固）→一次開挖→冠梁施工→二次開挖→圍檁施工→三次開挖→墊層施工（鋼筋凝土+素凝土+碎石）→內(nèi)襯施工。

此外，頂管井井壁需進(jìn)行初始洞門鑿除，即先在洞門范圍內(nèi)打4個(gè)深1.2m探孔，觀察孔內(nèi)滲水情況;然后由上往下分層鑿除混凝土、切除鋼筋，清理工作面;最后，在洞門周圍安裝止水圈密封橡膠板，提高洞口止水效果，防止外部水土涌入頂管井。（圖2）

2.1.2 頂進(jìn)推力計(jì)算

頂進(jìn)推力的計(jì)算是現(xiàn)場(chǎng)施工順利進(jìn)行的關(guān)鍵，計(jì)算結(jié)果將直接影響到千斤頂?shù)囊?guī)格數(shù)量及組合、后靠墻的尺寸設(shè)計(jì)和最大頂進(jìn)長(zhǎng)度等。頂力設(shè)計(jì)過大會(huì)造成后靠墻過厚、中繼間過多等問題，造成浪費(fèi)，增加成本;頂力設(shè)計(jì)過小則會(huì)造成頂進(jìn)緩慢或中斷。

目前，各類頂進(jìn)推力的計(jì)算方法多種多樣并不統(tǒng)一。本項(xiàng)目選取最長(zhǎng)距離段進(jìn)行頂進(jìn)推力F估算，具體如下：

F=πD1Lfk+NF

其中：D1—管道外徑;L—管節(jié)設(shè)計(jì)頂進(jìn)長(zhǎng)度;fk—管節(jié)外壁和土的平均摩擦力（kN/m2，觸變泥漿減摩擦后，取2kN/m2），NF—頂管機(jī)迎面阻力。

封閉機(jī)頭的迎面阻力：

NF=（π/4）Dg2×rs×Hs

其中：Dg—機(jī)頭外徑;rs—淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土容重（取17.5kN/m3）;Hs—管節(jié)覆土深度。

經(jīng)過頂進(jìn)推力的計(jì)算，最終確定最大頂進(jìn)推力F取12333kN。

2.1.3 頂管機(jī)選型與安裝

本項(xiàng)目根據(jù)管徑的不同分別選用？準(zhǔn)4350和？準(zhǔn)2910兩種泥水平衡式頂管機(jī)。此種頂管機(jī)是集機(jī)械、液壓、電控、激光和測(cè)量等多種現(xiàn)代化技術(shù)于一體的暗挖管廊頂進(jìn)設(shè)備，其在土層中利用自身系統(tǒng)平衡切削接觸面的土體壓力，自動(dòng)化程度高，配備操作人員少，安全可靠。

頂管機(jī)共包括千斤頂、基座、機(jī)架和后靠墻四部分。頂力由頂管井允許頂力和管節(jié)允許頂力共同決定，且千斤頂要沿管節(jié)中心軸線方向左右對(duì)稱布置，確保受力均勻;基座必須正確定位，牢固，頂進(jìn)過程中不變形、不沉降;機(jī)架通過高強(qiáng)螺栓在工作井內(nèi)拼裝完成，其上兩根軌道必須等高、平行;后靠墻中心與頂進(jìn)軸線重合，且需表面平整，滿足頂進(jìn)工作要求。

2.1.4 頂管管節(jié)接口防水

頂管法施工的管節(jié)接口連接處是防水薄弱環(huán)節(jié)。本項(xiàng)目創(chuàng)造性的在管節(jié)連接處應(yīng)用“F型承插口+兩道0型聚異戊二烯密封橡膠圈”接口構(gòu)造措施，解決了傳統(tǒng)接口處止水效果差、無法做到事前檢測(cè)的問題。管節(jié)在安裝到位頂進(jìn)施工前和施工完成，應(yīng)分別進(jìn)行兩次打壓試驗(yàn)，打壓壓力為0.6MP，穩(wěn)定恒壓3min。（圖4）

2.2 施工過程階段

2.2.1 觸變泥漿控制

利用注漿泵將由膨潤(rùn)土、水和摻合劑三種材料按一定配比混合而成的觸變泥漿壓至管節(jié)與土體的縫隙中，通過觸變泥漿良好的流動(dòng)性，減小頂管頂進(jìn)過程中的摩擦阻力，壓漿按照“先壓后頂、隨頂隨壓、及時(shí)補(bǔ)漿”的原則，確保頂進(jìn)的順利進(jìn)行。此外，觸變泥漿還能在一定程度上控制沉降。

2.2.2 頂進(jìn)過程控制

在頂管正常頂進(jìn)過程中，需重點(diǎn)控制頂進(jìn)速度、出泥量、動(dòng)態(tài)糾偏等參數(shù)。頂進(jìn)速度，初始值一般應(yīng)控制在10mm/min，正常工作時(shí)則可控制在20-30mm/min;出泥量，理論上切削下來的土體混合轉(zhuǎn)化為4倍體積的泥漿，防止超挖或欠挖，正常情況下出漿量控制在理論出漿量的98%～100%;動(dòng)態(tài)糾偏，利用四個(gè)動(dòng)態(tài)糾偏千斤頂，通過激光經(jīng)緯儀的激光束照射在位于鉆掘系統(tǒng)的光靶上判斷是否發(fā)生頂進(jìn)偏差，操縱液壓糾偏系統(tǒng)，調(diào)節(jié)掘進(jìn)系統(tǒng)機(jī)頭產(chǎn)生偏擺，確保頂進(jìn)方向的正確性。

2.2.3 中繼間控制

中繼間是將長(zhǎng)距離管線分成若干短距離，采用接力逐段頂進(jìn)的方式增加頂進(jìn)距離的長(zhǎng)距離頂管施工重要措施。中間繼的設(shè)置位置和數(shù)量應(yīng)根據(jù)總頂進(jìn)推力和管材允許頂進(jìn)推力來共同確定，一般用鋼材制作，沿環(huán)向設(shè)置千斤頂。其中，每個(gè)中繼間只負(fù)責(zé)前面區(qū)間的管節(jié)頂進(jìn)，后面區(qū)間的管節(jié)由下一個(gè)中繼間負(fù)責(zé)。

2.2.4 地表沉降控制

以J0-J1區(qū)間為例，頂管施工由J0頂管始發(fā)井開始，依次經(jīng)過1#-7#監(jiān)測(cè)點(diǎn)，最終達(dá)到J1頂管接收井，共97.86m，7個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

根據(jù)圖6可知，1#、2#和7#監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于地層較堅(jiān)固區(qū)域，頂進(jìn)過程中沉降速率較小;3#、4#和5#監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于地層軟弱區(qū)域，頂進(jìn)過程中沉降速率較大?，F(xiàn)場(chǎng)管理人員可根據(jù)實(shí)時(shí)沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)頂管的頂進(jìn)推力、頂進(jìn)速度等進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，確保順利頂進(jìn)，必要時(shí)可對(duì)局部監(jiān)測(cè)點(diǎn)加密布置。

2.3 施工結(jié)束階段

頂管頂進(jìn)施工結(jié)束后，管節(jié)與土的孔隙應(yīng)及時(shí)注入固化泥漿替換之前的觸變泥漿，利用之前的觸變泥漿注漿系統(tǒng)及管路實(shí)現(xiàn)漿液置換，以防后期引起地面不均勻沉降。固化泥漿注漿要求為：42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，壓密注漿水泥漿液水灰比1：1，經(jīng)過壓密注漿的加固注漿壓力0.3～0.5MPa。

3? 結(jié)論

當(dāng)前，頂管法施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下幾方面：

①頂管進(jìn)出洞門極易出現(xiàn)流砂、流泥等現(xiàn)象，造成頂進(jìn)失敗。在頂進(jìn)前，應(yīng)做好洞門加固和防水處理，做好事前防控。

②頂進(jìn)過程中不可控制因素多，經(jīng)常遇到未知障礙物的影響，使得頂推力出現(xiàn)異常值，造成機(jī)頭過載燒壞。在頂進(jìn)前，應(yīng)仔細(xì)研究地勘報(bào)告，必要時(shí)增加測(cè)點(diǎn)的數(shù)量，準(zhǔn)確預(yù)估頂推力。

③管節(jié)安裝過程中，防水膠圈易產(chǎn)生脫落、錯(cuò)位、破損等問題。在接頭安裝時(shí)應(yīng)做好膠圈完整性和氣密性檢測(cè)。

④易引起地面不均勻沉降，需時(shí)刻觀察地表沉降變化情況。當(dāng)遇到軟弱地層時(shí)，應(yīng)加快頂進(jìn)速度，快速通過該地層，減少停留時(shí)間。此外，應(yīng)及時(shí)調(diào)整機(jī)頭前進(jìn)方向，避免過程中出現(xiàn)“抬頭”和“低頭”現(xiàn)象。

4? 展望

隨著我國(guó)城市地下空間開發(fā)利用的持續(xù)加快，頂管法施工技術(shù)的發(fā)展將迎來新的歷史機(jī)遇。在管節(jié)方面，向大口徑管和新材料管節(jié)方向發(fā)展，提升管節(jié)空間利用效率;在頂進(jìn)距離方面，向長(zhǎng)距離頂管發(fā)展，將微電子、工業(yè)傳感、實(shí)時(shí)控制、液壓技術(shù)綜合應(yīng)用于頂管機(jī)械。

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