頂管技術(shù)在排水管道施工中的應(yīng)用

孫 艷

(徐州市市政設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 徐州 221002)

城市排水管道是城市基本建設(shè)的一個(gè)重要組成部分，作為基建方面的重頭戲，具有投資大、建設(shè)時(shí)期長(zhǎng)等特點(diǎn).管網(wǎng)的敷設(shè)有兩種方法，一是明挖開槽敷設(shè)，另一種是采用非開挖技術(shù).非開挖技術(shù)具有代表性的就是頂管施工［1－4］.本文就兩種頂管施工技術(shù)作一闡述.

1 頂管所處的地形環(huán)境

管道穿越鐵路、高級(jí)公路，而且施工范圍內(nèi)來(lái)往車輛較多，對(duì)地面影響較大;管線埋深較深或管線接近河道，管道處于流砂層，地下水豐富，水位較高等.

2 頂管施工工藝

2.1 沉井施工

工作坑、接收坑施工過(guò)程中，采用井點(diǎn)降水，以降低地下水位.

2.1.1 工作坑施工流程

鋼板井制作→測(cè)量放樣→基坑開挖→打設(shè)井點(diǎn)管→井點(diǎn)降水→土方開挖，沉井下沉→沉井下沉到位→底板混凝土澆筑→井墻→素土回填→井點(diǎn)拆除

2.1.2 基坑開挖

為保證沉井制作均勻下沉，先將井區(qū)范圍的障礙物與表層土挖出.基坑的開挖范圍比沉井外壁尺寸要大，在基坑四周挖設(shè)排水溝，在對(duì)角基坑四周設(shè)置集水坑并配備水泵，以便及時(shí)排除坑內(nèi)積水和周圍來(lái)水.

2.1.3 井點(diǎn)降水

根據(jù)工程具體水文地質(zhì)條件、地下水特點(diǎn)及工程自身的特點(diǎn)，結(jié)合含水層滲透系數(shù)、降水深度等特點(diǎn)，從經(jīng)濟(jì)適用角度出發(fā)，同時(shí)考慮降水井不影響場(chǎng)區(qū)機(jī)械車輛運(yùn)行，井點(diǎn)在基坑外周布置.

1)井點(diǎn)埋設(shè)深度

H為井點(diǎn)埋設(shè)深度，m;h1為沉設(shè)井點(diǎn)施工的地面高程，m;h2為基坑底面高程，m;Δh為設(shè)計(jì)地下水降至基坑底面以下深，m，取0.5 m;l為濾管長(zhǎng)度(m);b為井點(diǎn)到基坑的水力坡降，m，一般取水平距離的0.1 m.

2)井點(diǎn)打孔深度

孔深一般距濾管底1 m 左右.

3)抽水影響半徑

其中:R為抽水影響半徑，m;K為滲透系數(shù)，m/d;S為井點(diǎn)中心降水深度，m;H0為含水層厚度，m.

4)井點(diǎn)涌水量

其中:Q為涌水量，m3/d;K為滲透系數(shù)(m/d);H為含水層有效帶深度，m;S為降水深度，m;R為井點(diǎn)抽水影響半徑，m;r為井點(diǎn)濾管半徑，m.

5)井點(diǎn)出水量

其中:q為井點(diǎn)出水量，m3/s;r為濾管半徑，m;l為濾管長(zhǎng)度，m;v為地下水流入井點(diǎn)管的速度，m/s.

由以上公式進(jìn)而確定井點(diǎn)埋設(shè)數(shù)量.

集水總管布置在井點(diǎn)立管外側(cè)，敷設(shè)高度與井點(diǎn)立管頂高相同，必須順直，坡度為1‰左右，其最高點(diǎn)為真空泵、射流泵集水罐進(jìn)口處.每個(gè)真空泵系統(tǒng)抽吸的井點(diǎn)立管及集水總管位一組，每組中各個(gè)井點(diǎn)立管和濾管的長(zhǎng)度應(yīng)相等，且沉設(shè)深度應(yīng)在一個(gè)平面上.沉設(shè)井點(diǎn)立管后，向孔內(nèi)填充濾料時(shí)，土孔中的水應(yīng)從井點(diǎn)立管內(nèi)冒出，否則該點(diǎn)為死點(diǎn)，應(yīng)拔出重新沉設(shè).

2.1.4 沉井下沉

不準(zhǔn)大量挖深，造成突沉，沉井下沉?xí)r，應(yīng)防止傾斜，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)糾偏，沉井挖土連續(xù)作業(yè)，中途不停頓，確保沉井連續(xù)、安全地下沉就位.沉井在下沉過(guò)程中，必須隨時(shí)測(cè)定沉井標(biāo)高，確保均勻下沉，并做好沉井下沉記錄.當(dāng)沉井接近標(biāo)高時(shí)，應(yīng)預(yù)先做好止沉措施.

沉井下沉發(fā)現(xiàn)障礙物，應(yīng)立即停止下沉，根據(jù)障礙物的性質(zhì)、大小、位置等情況決定處理辦法.井壁下如遇較小的孤石，可將四周土掏空后取出;較大孤石，可用風(fēng)動(dòng)工具破成小塊后取出.

2.1.5 沉井封底

沉井下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高(包括拋高)后，應(yīng)先清除表面浮泥等雜物，超挖的土方必須用碎石夾砂填實(shí)，不得用土填，井內(nèi)不得有積水，并確保井點(diǎn)的正常工作，不允許發(fā)生停泵，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)水位的觀測(cè)，保證降水要求，地下水位必須距離墊層50 cm 以下.當(dāng)沉井在8 h 內(nèi)的累計(jì)下沉量不大于10 mm時(shí)，方可澆搗底板碎石墊層.

2.1.6 底板砼澆筑

封底墊層砼達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，方可抽排沉井內(nèi)積水，以防封底砼承受下部水壓而遭受破壞.井內(nèi)水抽干后即可進(jìn)行底板砼澆筑.在素混凝土墊層完成后，就可在其上綁扎底板鋼筋.鋼筋在綁扎時(shí)，應(yīng)保證刃腳鋼筋與底板鋼筋的連接、上下兩層鋼筋的間距，并將刃腳混凝土的表面鑿毛露出石子，便于刃腳混凝土與底板混凝土的結(jié)合.底板混凝土澆搗完成后應(yīng)及時(shí)養(yǎng)護(hù)，確保其表面不露白，并應(yīng)防止陽(yáng)光及溫差的劇烈變化，以免底板出現(xiàn)收縮裂縫，影響沉井的施工質(zhì)量和使用功能.

2.1.7 接收井施工

接收井采用鋼板樁圍護(hù).在頂管機(jī)頭臨近接收坑位置時(shí)，開挖土方打設(shè)鋼板樁，同時(shí)進(jìn)行井點(diǎn)降水，機(jī)頭從接收坑中取出后進(jìn)行檢查窨井的砌筑.

2.2 頂管工藝選擇及施工

2.2.1 土壓平衡施工工藝

1)構(gòu)造:工具管是頂管的關(guān)鍵機(jī)具，其主要作用為掘進(jìn)、防坍、出泥、導(dǎo)向.根據(jù)工程的特點(diǎn)和地質(zhì)情況，選用擠壓式工具管.工具管分前后兩段，前后段之間安裝糾偏油缸.工具管最前端是壓力艙，承受水壓力、土壓力;壓力艙后部為操作艙.工具管的后段與跟進(jìn)管段連結(jié).

2)原理:隨著工具管的頂進(jìn)，開挖面切削下來(lái)的泥土進(jìn)入壓力艙，由于土體擠進(jìn)工具管內(nèi)，工具管內(nèi)錐體喇叭入口，對(duì)土體有約束作用，保持可控面土體的穩(wěn)定，地層損失小.

3)安裝:頂管出洞前，將工具管吊入工作井內(nèi)，安放在導(dǎo)軌上，后端放入分壓環(huán)，啟動(dòng)主頂油缸、慢慢向前推動(dòng)，工具管前方進(jìn)入橡膠密封圈，接觸到鋼封門為止.

4)設(shè)備使用:每段頂進(jìn)開始后則應(yīng)連續(xù)工作，當(dāng)進(jìn)行設(shè)備保養(yǎng)維修而暫停頂管施工時(shí)，必須采取措施確保開挖面的穩(wěn)定.頂進(jìn)時(shí)管道內(nèi)采用低壓照明和管道風(fēng)機(jī)通風(fēng)，并保持管道內(nèi)的清潔.

2.2.1.1 土壓頂管流程

見圖1.

2.2.1.2 主要施工方法

1)頂管出洞

頂管出洞是指頂管機(jī)和第一節(jié)管子從工作井中破出洞口進(jìn)入土中，開始正常頂管前的過(guò)程，是頂管中的關(guān)鍵工序，也是容易發(fā)生事故的工序.頂管機(jī)頭在井內(nèi)管床就位，調(diào)試完畢，作好出洞的一切準(zhǔn)備后，便可破除頂頭前方障礙物，將機(jī)頭穿進(jìn)橡膠密封圈頂入土中，同時(shí)在機(jī)頭與洞口的縫隙中注滿膨潤(rùn)土泥漿，以潤(rùn)滑管道，支護(hù)土體.并且在工作井制作到位后，在頂管出洞口側(cè)進(jìn)行壓密注漿，以起到部分止水作用和防止頂管出洞洞口土體坍塌作用;同時(shí)防止管線出現(xiàn)偏斜.出洞操作速度要快，以防出洞口外土體坍塌.

為防止管線出現(xiàn)偏斜，可采取以下幾點(diǎn)措施:

a)工具管要嚴(yán)格調(diào)零，將工具管調(diào)整成一條直線，此時(shí)儀表所映的角度應(yīng)該為零，調(diào)零后將糾偏油缸鎖住.

b)防止工具管出洞后下跌，工具管出洞后，由于支撐面較小，工具管易出現(xiàn)下跌，可在工具管下的井壁上加設(shè)支撐，同時(shí)將工具管與前幾節(jié)管之間連接，加強(qiáng)整體性.

c)注意測(cè)量與糾偏.工具管出洞后，發(fā)現(xiàn)下跌時(shí)立即采取主頂油缸進(jìn)行糾偏.

d)工具管出洞前，可預(yù)先設(shè)定一個(gè)初始角(不大于+5')，以彌補(bǔ)管下跌.

圖1 頂管施工流程圖

2)減阻頂進(jìn)(膨潤(rùn)土泥漿護(hù)壁)

膨潤(rùn)土泥漿具有良好的觸變性與潤(rùn)滑性，將其壓到管外壁，包裹住管子，以便減小管外壁與土壤間的摩阻力，并可起到支撐作用，防止土體坍塌.因在砂土層中頂管，摩阻力較大，在壓注膨潤(rùn)土泥漿的同時(shí)，當(dāng)頂距大于100 m 時(shí)須增設(shè)一套中繼站，以減輕砼管所承受的頂力.注漿孔應(yīng)合理分布，機(jī)頭及其后面4 節(jié)管每節(jié)都設(shè)注漿孔，使泥漿及時(shí)填充管壁與土間的全部空隙，其后逐步過(guò)渡到每2 節(jié)管設(shè)一節(jié)帶有注漿孔的管節(jié)，及時(shí)補(bǔ)漿，使全線管壁都包裹在泥漿套中.

頂力在控制值之內(nèi)十分重要.若頂力過(guò)大，會(huì)帶來(lái)一系列問(wèn)題，各方面的控制都會(huì)困難，故膨潤(rùn)土泥漿壓漿絕不可輕視.

3)填充注漿

管道頂進(jìn)完畢后，進(jìn)行填充注漿，填充漿孔左右跳躍布置，注漿孔均放在管中，注漿時(shí)所有漿孔進(jìn)行封堵，不得漏漿，注漿時(shí)要注意充填飽滿，尤其在路口部位要嚴(yán)格控制，以免引起地面沉降.

2.2.2 氣壓平衡施工工藝

1)構(gòu)造:見圖2.

圖2 氣壓平衡施工工藝

2)原理:通過(guò)作用于臨時(shí)掘進(jìn)工作面上的氣體壓力(這里的氣體壓力一般根據(jù)工具管底部的地下水壓力來(lái)確定)來(lái)阻止地下水.在整個(gè)掘進(jìn)工作面的高度范圍內(nèi)，作用的氣體壓力是相等的，但地下水的壓力是有梯度的，因此在工具管的頂部就形成一個(gè)超過(guò)平衡壓力的氣體壓力區(qū).在這一壓力作用下，地層空隙中的水被擠出，地層也從原來(lái)的飽和狀態(tài)過(guò)渡到半飽和狀態(tài)，從而起到平衡挖掘面的作用.

2.2.2.1 氣壓頂管流程

見圖3.

2.2.2.2 主要施工方法

1)掘進(jìn)

頂管掘進(jìn)主要采用人工挖掘出土，施工中應(yīng)做好管內(nèi)的通風(fēng)工作，確保人身安全.工作面挖土操作的主要點(diǎn)為:一般采取先頂后挖的原則，以保證不超挖，在遇到大的石塊或者偏差較大必須采取挖土糾偏時(shí)才能向前超挖.

2)氣壓平衡裝置的起用

當(dāng)遇見含水量較大或流砂現(xiàn)象的地層 時(shí)，為保持掘進(jìn)面的穩(wěn)定，防止出現(xiàn)坍塌，而引起地面的塌陷，應(yīng)立即起用氣壓平衡裝置.

首先，關(guān)閉頂管機(jī)第一道壓氣艙門，使工作艙與大氣隔絕.在工作艙完全密封的情況下，向工作艙輸入壓縮空氣，氣體的壓力一般要高出地下水壓力0.01 MPa，以阻止地下水涌入工作艙，達(dá)到平衡掘進(jìn)面地目的.第2 步作業(yè)人員進(jìn)入物料艙，關(guān)閉第二道艙門，也向該艙輸入與工作艙同等壓力的壓縮空氣，然后打開第一道

艙門，作業(yè)人員開始掘進(jìn)作業(yè).第3 步當(dāng)物料艙裝滿后，停止掘進(jìn)，關(guān)閉第一道艙門，打開第二道艙門，裝土、運(yùn)輸.如此反復(fù)循環(huán)作業(yè).為保證作業(yè)人員的安全，必須保證最大工作氣壓限制在0.36 MPa 的人體能承受的安全氣壓.

3 頂管常見問(wèn)題

3.1 糾偏

糾偏是指工具管偏離設(shè)計(jì)軸線后，利用工具管內(nèi)的糾偏機(jī)構(gòu)(糾偏油缸)改變管端方向，減小管線偏差的過(guò)程.

圖3 氣壓平衡施工流程圖

3.2 糾扭

頂進(jìn)過(guò)程中常常遇到管道扭轉(zhuǎn)，這對(duì)管道出泥、電機(jī)安裝等有較大影響，因此須加強(qiáng)控制，避免扭轉(zhuǎn)角度過(guò)大.

3.3 導(dǎo)軌偏移

基坑導(dǎo)軌在頂管施工過(guò)程中產(chǎn)生左右或高低偏移.

4 結(jié)語(yǔ)

頂管工藝的施工從技術(shù)上講是完全可行的，相對(duì)于開槽埋管從社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益上來(lái)講更具有優(yōu)越性.本文闡述了兩種頂管施工的技術(shù)方案及質(zhì)量控制要點(diǎn)，包括土壓平衡施工法及氣壓平衡施工法.隨之我國(guó)城市化的發(fā)展，頂管施工的發(fā)展，其技術(shù)將越來(lái)越先進(jìn)、工藝將越來(lái)越完善、應(yīng)用也一定越來(lái)越廣泛.

［1］北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院.給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)第5 冊(cè)［Z］.2 版.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

［2］GB50268－97，《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》［S］.

［3］周慶昌.關(guān)于頂管技術(shù)在通州區(qū)衛(wèi)星城污水管道工程中的應(yīng)用［J］.給水排水，2008，34(4):93－97.

［4］馬保松.頂管施工技術(shù)及驗(yàn)收規(guī)范(試行)［Z］.中國(guó)非開挖技術(shù)協(xié)會(huì)，2006.