市政雨污水管道頂管施工工藝分析

范振軍

中國水利水電第六工程局有限公司 遼寧 沈陽 110179

伴隨著我國城市建設(shè)的飛速發(fā)展，城市基礎(chǔ)設(shè)施也在快速完善中。其中，雨污水管道的新建與改造，在城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的地位愈加重要[1]。在雨污水管道施工中，頂管施工技術(shù)可以最大限度地利用場地空間，最大程度地減少對地面環(huán)境、交叉作業(yè)、既有管線構(gòu)筑物等影響，體現(xiàn)出良好的適用性和經(jīng)濟(jì)性，為此得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

1 施工工藝分析

1.1 頂管施工工藝簡述

在頂管施工前需先完成工作井和接收井的施工，然后在始發(fā)端工作井內(nèi)頂進(jìn)軸線后方設(shè)置頂進(jìn)油缸，油缸前部設(shè)置工作導(dǎo)軌，預(yù)制管節(jié)放在工作導(dǎo)軌上，管節(jié)的最前端安裝頂管機(jī)，頂進(jìn)油缸頂進(jìn)時，推動管節(jié)和頂管機(jī)向前行進(jìn)，頂管機(jī)將前方的泥土不斷切削挖掘并經(jīng)頂管機(jī)后方的排泥管外排至地面，當(dāng)管節(jié)被頂至油缸最大行程處，油缸縮回，吊入頂鐵，油缸再次行進(jìn)，繼續(xù)頂推管節(jié)、頂管機(jī)向前移動，當(dāng)全部頂鐵分次頂推后都行至最遠(yuǎn)距離處，吊出頂鐵，吊入管節(jié)，重復(fù)上述操作，直至將頂管機(jī)頂入接收井內(nèi)吊起，完成整個頂進(jìn)過程[2]。

在頂進(jìn)過程中，隨著頂管機(jī)的頂進(jìn)預(yù)制管節(jié)被埋設(shè)在兩個工作井之間。頂管施工工藝流程見圖1。

圖1 頂管施工工藝流程圖

1.2 頂管主要操作工藝要點

頂管施工工藝包括施工準(zhǔn)備、設(shè)備安裝、頂管機(jī)井內(nèi)就位等多個工藝環(huán)節(jié)，其中出洞工藝、注漿減阻工藝（管節(jié)頂進(jìn)中實施）、進(jìn)洞工藝對頂管施工能否順利進(jìn)行起到關(guān)鍵作用，以下對其簡要分析。

1.2.1 出洞工藝

頂管機(jī)自工作井依次穿過止水裝置、封門進(jìn)入洞外土體的過程稱之為出洞，出洞施工工藝要點如下：

(1) 洞口土體加固：封門拆除時，洞外土體受到的側(cè)向土壓力失衡，加之土體自身穩(wěn)定性差等原因，可能會造成封門處土體塌方，進(jìn)而造成出洞處土體地表下沉，泥土進(jìn)入工作井影響正常施工；此外，頂管機(jī)及預(yù)制管節(jié)進(jìn)洞后，由于洞口土體承載力不夠，導(dǎo)致頂管機(jī)及管節(jié)下沉，管縫增大等質(zhì)量問題，故應(yīng)在進(jìn)洞前對土體進(jìn)行加固處理。加固土體可采取水泥土攪拌樁、旋噴樁、壓密注漿等方式，考慮后期便于頂管機(jī)切削土體作業(yè)，一般加固水泥土體的強(qiáng)度≥0.8Mpa即可。采取壓密注漿時，應(yīng)采用“先外后內(nèi)、隔孔交替注漿”的方式施工，以防漿液流失過多，一般壓漿水灰比為0.5—0.8，注漿壓力為0.2—0.4Mpa。在施工中，當(dāng)?shù)叵滤惠^高時，可通過打設(shè)降水井抽排地下水的方法降低地下水位，以提高土體穩(wěn)定性[3]。

(2) 洞口止水裝置安裝：由于頂管機(jī)及預(yù)制管節(jié)直徑小于預(yù)留孔洞直徑，這樣必然會在頂管機(jī)或管節(jié)與洞口間形成縫隙，泥水會從縫隙進(jìn)入工作井，影響工作井內(nèi)的正常作業(yè)。這就需要在縫隙處設(shè)置止水裝置，止水裝置多采用橡膠板止水，可根據(jù)水壓大小選擇安裝一層或多層橡膠環(huán)板，安裝后止水裝置中心應(yīng)與管道軸線重合，但該種止水裝置在施工中易磨損，多次磨損后，止水效果變差且在施工中無法更換。對于圓形工作井，需先將洞口澆筑成一個平面并在洞口預(yù)埋鋼套筒、螺栓等止水裝置。洞口止水構(gòu)造見圖2。

圖2 出洞洞口止水構(gòu)造圖

(3) 封門拆除：頂管機(jī)出洞前應(yīng)先拆除封門，施工中多采用磚砌封門，采用人工破除的方式作業(yè)。封門拆除后頂管機(jī)應(yīng)盡快進(jìn)洞，避免時間過長，大量泥水涌進(jìn)工作井，影響工作井內(nèi)正常施工及導(dǎo)致其他安全風(fēng)險。

(4) 頂管機(jī)姿態(tài)控制：頂管機(jī)的姿態(tài)控制對頂管施工具有重要影響，如果洞外土體軟弱，頂管機(jī)出洞后會發(fā)生“磕頭”情況，若不及時調(diào)整姿態(tài)，將會使頂管機(jī)走向偏位，進(jìn)而導(dǎo)致頂管軸線偏位，造成施工質(zhì)量問題。頂管機(jī)出洞姿態(tài)控制要點如下：①采取相應(yīng)的土體加固措施，加大出洞土體強(qiáng)度和穩(wěn)定性；②采用頂管機(jī)糾偏系統(tǒng)及時進(jìn)行糾偏，糾偏過程應(yīng)遵循“早糾偏、勤糾偏、小角度”的原則；③減緩出洞時的頂進(jìn)速度，做到緩慢勻速頂進(jìn)。

1.2.2 注漿減阻工藝

注漿減阻工藝即通過注漿機(jī)將泥漿壓入管節(jié)外的空隙及土體中，在注漿壓力持續(xù)作用下泥漿不斷向土體中滲透、擴(kuò)散，先是形成土壤與泥漿的混合體，再在泥漿與混合體間形成泥漿套，泥漿套可以阻止泥漿繼續(xù)滲透，而在管節(jié)與泥漿套之間形成泥漿填充體，管道在泥漿填充體的包裹下產(chǎn)生浮力，減輕了管節(jié)自重，同時將注漿前管節(jié)與土體的摩擦狀態(tài)改變?yōu)楣芄?jié)與泥漿的摩擦狀態(tài)，摩擦系數(shù)降低，進(jìn)而減小摩擦阻力。注漿減阻施工要點如下：①選擇優(yōu)質(zhì)的膨潤土制備泥漿，并對攪拌后的泥漿指標(biāo)進(jìn)行檢測，泥漿指標(biāo)應(yīng)符合設(shè)計要求；②注漿壓力不宜過高，否則容易冒漿，不利于形成泥漿套；③在頂進(jìn)過程中，以同步壓漿為主輔以沿線補(bǔ)漿的方式完成注漿過程；④注漿孔處采用單向閥，以免壓出的泥漿及管道外的泥土反向流回管節(jié)，從而確保注漿效果；⑤應(yīng)選擇螺桿式注漿泵，以保證出漿量的穩(wěn)定性。

1.2.3 進(jìn)洞工藝

頂管機(jī)依次穿過井前加固土體、封門、止水裝置進(jìn)入接收井的過程稱之為進(jìn)洞，進(jìn)洞施工工藝要點如下：

(1) 土體加固：為方便頂管機(jī)進(jìn)洞前的姿態(tài)控制，有必要對接收井預(yù)留洞口前土體做加固處理，處理方式同“1.2.1出洞工藝”。

(2) 頂管機(jī)進(jìn)洞姿態(tài)調(diào)整：頂管機(jī)進(jìn)洞前需要調(diào)整進(jìn)洞狀態(tài)，以便準(zhǔn)確進(jìn)洞。一般需要在進(jìn)洞前30m進(jìn)行頂管機(jī)進(jìn)洞前的貫通測量，并提高測量的頻率和精度。主要復(fù)核頂管機(jī)的方位、狀態(tài)及頂管機(jī)的軸線是否與進(jìn)洞軸線一致，如偏差過大需進(jìn)行調(diào)整，以便確保頂管機(jī)頂進(jìn)姿態(tài)良好、頂進(jìn)軸線正確。

(3) 導(dǎo)軌安裝：頂管機(jī)進(jìn)洞前，應(yīng)準(zhǔn)確測量接收井底板標(biāo)高、洞口中心坐標(biāo)及高程，確保滿足頂管機(jī)進(jìn)洞要求，根據(jù)底板標(biāo)高與頂管機(jī)出洞軸線標(biāo)高確定導(dǎo)軌軸線及標(biāo)高，安裝、固定導(dǎo)軌。

(4) 頂進(jìn)施工參數(shù)調(diào)整：頂管機(jī)進(jìn)洞前應(yīng)減慢頂進(jìn)速度，防止止水圈所受泥水壓力過大而漏水，同時要加大出土量，減小正面土壓力，以保證洞口處于穩(wěn)定狀態(tài)和避免頂管機(jī)受損。另外，可通過加大噴入泥水倉的水量，以便稀釋艙內(nèi)泥土、潤滑作業(yè)面土體，提高出土效率。頂進(jìn)速度應(yīng)≤1.0cm/min。

(5) 封門拆除：封門一般采用磚封門，進(jìn)洞時可用頂管機(jī)把磚封門推倒或用刀盤將磚封門切削掉。當(dāng)采用鋼筋混凝土封門時，應(yīng)先破除混凝土再切除鋼筋，混凝土破除采用“先上后下”的順序作業(yè)，鋼筋切除采用“先內(nèi)后外、先下后上、先中間后周邊”的順序作業(yè)。鋼筋應(yīng)切除徹底，以保證預(yù)留洞口的直徑，混凝土及鋼筋清理完畢后，頂管機(jī)方可進(jìn)洞。

(6) 洞口止水裝置安裝：頂管機(jī)進(jìn)洞伸出洞門后，泥水會從頂管機(jī)（預(yù)制管件）與洞口間的縫隙流入接收井內(nèi)影響井內(nèi)正常作業(yè)。因此封門拆除后頂管機(jī)應(yīng)立即進(jìn)入預(yù)留孔洞，當(dāng)頂管機(jī)伸出孔洞后，頂管機(jī)（預(yù)制管件）與洞口預(yù)先安裝的臨時止水裝置緊密貼合達(dá)到止水效果。止水裝置構(gòu)造見圖3。

圖3 進(jìn)洞洞口止水構(gòu)造圖

(7) 洞門封堵：待管節(jié)頂進(jìn)就位后，通過管道內(nèi)的注漿孔向管道外注水泥漿以置換管道外的減阻泥漿，待水泥漿硬化后起到穩(wěn)固管道、封堵洞門的作用。注漿按“先低孔后高孔”順序進(jìn)行，以鄰近注漿孔及高處注漿孔作為排泥孔（或排漿孔），最后再從高處孔注漿，分段從低處向高處完成注漿過程，注漿水泥一般采用PO42.5級普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.4~0.5，注漿壓力為0.2~0.6Mpa。

2 施工中常見問題及處理措施

2.1 頂進(jìn)軸線偏差過大

(1) 原因分析：①頂管機(jī)頂進(jìn)過程中因出洞后土體承載力不夠?qū)е马敼軝C(jī)“磕頭”引起頂進(jìn)軸線偏差；②頂管機(jī)迎面阻力分布不均勻?qū)е马敼軝C(jī)正面阻力合力偏心，在頂管機(jī)頂力與阻力的作用下導(dǎo)致頂進(jìn)軸線偏差；③導(dǎo)軌鋪設(shè)方向與設(shè)計軸線方向有偏差，導(dǎo)致頂管頂進(jìn)軸線與設(shè)計軸線有偏差。

(2) 處理措施：當(dāng)測量儀器監(jiān)測出頂進(jìn)軸線與設(shè)計軸線出現(xiàn)偏差，操縱頂管機(jī)的糾偏油缸使糾偏段轉(zhuǎn)向設(shè)計軸線，同時糾偏段帶動后部的穩(wěn)定段及管節(jié)轉(zhuǎn)向，通過不斷調(diào)整糾偏段頂進(jìn)方向，使整個頂進(jìn)軸線不斷向設(shè)計軸線靠攏最終與設(shè)計軸線重合。頂管糾偏的工藝要點：①在調(diào)整糾偏段方向時，應(yīng)采用小角度調(diào)整；②頂進(jìn)過程中要“勤測勤糾”，當(dāng)發(fā)現(xiàn)頂進(jìn)軸線偏差超過允許值時，及時進(jìn)行糾偏。

2.2 頂進(jìn)中管道扭轉(zhuǎn)

(1) 原因分析：①當(dāng)?shù)侗P單向旋轉(zhuǎn)時，刀盤受到切削土體的反作用力，導(dǎo)致頂管機(jī)帶動管道發(fā)生扭轉(zhuǎn)；②后座千斤頂動作方向與頂進(jìn)軸線不平行時，后座千斤頂頂力會對管道形成扭矩導(dǎo)致管道扭轉(zhuǎn)；③頂管機(jī)切削的同一斷面土體軟弱不均，導(dǎo)致刀盤受到的土體反作用力合力不通過軸線，進(jìn)而導(dǎo)致頂管機(jī)帶動管道發(fā)生扭轉(zhuǎn)。

(2) 處理措施：①將頂管機(jī)刀盤旋轉(zhuǎn)方向調(diào)成相反方向；②調(diào)整后座千斤頂?shù)淖饔梅较蚴怪c設(shè)計頂進(jìn)軸線平行；③將管內(nèi)設(shè)備放置管底或在管道單側(cè)增加配重，減小旋轉(zhuǎn)的單向力矩。

2.3 頂力增大

(1) 原因分析：①頂管機(jī)前方遇到障礙物；②管道周邊土體塌方，增大了管道與土體間的摩擦力；③觸變泥漿壓入量不足或頂進(jìn)中斷時間過長，觸變泥漿未充分起到減阻效果；④后座千斤頂出現(xiàn)問題，導(dǎo)致頂力下降。

(2) 處理措施：①對頂進(jìn)障礙物采取翻挖方法進(jìn)行清除，清除后用原狀土回填壓實；②保證觸變泥漿的注漿壓力，保證注漿量；③當(dāng)出現(xiàn)問題不能繼續(xù)頂進(jìn)時應(yīng)及時解決，盡量縮短中斷時間；④加強(qiáng)頂進(jìn)設(shè)備的檢修與維護(hù)保養(yǎng)，保證設(shè)備能正常運(yùn)行。

3 注意事項

在施工的過程中，如果出現(xiàn)了沉降或者隆起的現(xiàn)象，那么相關(guān)人員就要提高重視程度，針對隆起或者沉降的位置進(jìn)行測量和勘查，按照標(biāo)準(zhǔn)流程進(jìn)行等間距的沿線布置，從而避免安全事故的發(fā)生。同時在施工期間也要根據(jù)地面的沉降量進(jìn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)測，因為在開挖的過程中，取土的行為會對地面造成不同程度的影響，為了可以將影響因素降到最低，技術(shù)人員可以通過有效的措施進(jìn)行預(yù)防。比如在壓漿的時候，可以對壓力進(jìn)行有效的控制，這樣在保證土體受到壓力均衡的時候，便可以減少取土行為對地面的影響。還可以在管道接口方面進(jìn)行控制，在對管道接口進(jìn)行密封的時候，一定要按照標(biāo)準(zhǔn)流程嚴(yán)格要求密封的質(zhì)量，這樣便可以避免滲漏的現(xiàn)象，從而減少地面的沉降。其次，為了防止泥漿發(fā)生上浮的現(xiàn)象，可以利用砂包進(jìn)行上推，從而將泥漿套的優(yōu)勢發(fā)揮到最大。

4 結(jié)語

市政雨污水管道的建設(shè)，事關(guān)一個城市未來的發(fā)展和城市居民生活的穩(wěn)定，是城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要內(nèi)容。隨著頂管施工技術(shù)的廣泛應(yīng)用，頂管施工理論研究必將更加深入，施工工藝也將在發(fā)展中不斷完善。在工程實施中，應(yīng)嚴(yán)格按照有關(guān)技術(shù)規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)等開展施工，從測量放線到頂進(jìn)結(jié)束，從材料進(jìn)場到設(shè)備操作，把控好每一個施工環(huán)節(jié)的工藝要求和施工質(zhì)量，才能保質(zhì)增效，從而順利地完成施工。