大直徑鋼筋混凝土頂管施工

梁忠旗 核工業(yè)華東建設工程集團有限公司

1 工程概況

本工程是市政工程中將道路匯水排入河流的排水管道，管道長度266m。由于管線敷設所經(jīng)路線建筑物較多，距離周邊建筑物較近，管道埋深5.9m～9.5m不等，設計為直徑2.2m的Ⅲ級F型鋼承口鋼筋混凝土頂管施工。

2 工程地質(zhì)情況

本工程地貌為低丘崗地，河流沖積階地，地形起伏較大。場區(qū)底層自上而下劃分第四系全新統(tǒng)人工填土層素填土；第四系全新統(tǒng)沖積層卵石；第四系上更新統(tǒng)殘積層粉質(zhì)黏土；白堊系基巖含有全風化、強風化以及中風化泥質(zhì)砂巖。主要以第四系松散巖類孔隙水（潛水）與基巖裂隙水為場內(nèi)地下水源。場內(nèi)地下水在季節(jié)影響下變化幅度為1m～3m。

3 逆作法施工工作井與接收井

采用逆作法設計施工掘進井、接收井各1 座，梯形護壁墻結(jié)構(gòu)作為內(nèi)襯。

3.1 井的平面、立面及配筋（見圖1-圖4）

圖1

圖2

圖3

圖4

3.2 井體逆作法施工工藝流程（見圖5）

圖5

井采用分層開挖法開挖井坑內(nèi)土方，每層開挖深度控制在1.5m 以內(nèi)，按設計要求綁扎鋼筋，搭設第一節(jié)的模板，而后澆筑混凝土，在上節(jié)護壁混凝土強度達到設計強度的80%時，進行第二節(jié)護壁墻開挖施工直至設計井底。

在完成最后一節(jié)護壁后及時拆除模板，即可澆筑100mm厚C15素混凝土墊層。素混凝土墊層初凝后，進行底板鋼筋安裝，連續(xù)澆筑混凝土。

頂管背墻（內(nèi)襯墻）是掘進機千斤頂?shù)闹饕至c，墻體高4.0m、寬5.0m、厚度0.60m，采用Φ22mm@150mm 雙層雙向配筋，C35混凝土一次完成。

4 頂管施工

頂管施工分為：頂進前準備工作，頂管進洞段施工，頂管正常段頂進施工，頂管出洞段施工。

4.1 施工工藝流程（見圖6）

圖6

4.2 頂進掘進機選型

本工程擬采用TY-DG（NP）2000型泥水平衡頂管掘進機，操作機手必須是熟練工人，操作必須按照設備說明書工作，見圖7。

圖7

4.3 泥漿系統(tǒng)的安裝

在掘進井旁設置泥漿池，采用并聯(lián)法進而有效縮短排漿管長度保證排漿暢通，為防止排泥泵中有較大塊狀物進入導致排泥泵堵塞甚至損壞，在排泥泵前設置沉石箱將塊狀物沉淀過濾，見圖8。

圖8

將注漿系統(tǒng)中的泵升級為螺旋泵以有效減少注漿過程中的脈動現(xiàn)象。保證漿液均勻攪拌，系配置減壓系統(tǒng)，將隔膜式壓力表分別安裝在泵出品處1m外以及機頭注漿處。

4.4 頂進前準備工作

（1）地面準備工作

1）施工用電、用水、用路及排水和照明設備安裝。

2）施工材料、施工設備及人員準備。

3）建立井上、井下測量控制網(wǎng)。

（2）井下準備工作

1）洞門安裝

為避免因為洞圈與管節(jié)間大約6cm 的結(jié)構(gòu)縫隙導致在頂管出洞及正常頂進過程中出現(xiàn)外部土體及觸壁泥漿涌入始發(fā)井內(nèi)的情況發(fā)生，必須在施工前安裝剛性防水套管在洞圈上。在洞口設計預留法蘭上安裝洞口止水裝置，并在鋼管與套管間加擋圈，設計管位與擋圈要保持同心，誤差控制在2mm 以內(nèi)。擋圈與套管間的空隙用油麻填實，套管與鋼管間其他部位用石棉水泥填實。

2）頂管背墻

圖9

圖10

頂管背墻拼裝橫排200mm×200mm 枕木，枕木前密排30#工字鋼，工字鋼錨固下扎500mm，在工字鋼前再安放頂鐵。

3）頂管機下井

頂管機下井前，為保證起重設備吊裝工作區(qū)域安全可靠，需對地基承載力進行檢測。

①安裝調(diào)試下井的發(fā)射架以及后頂裝置。

②下井放置刀盤及驅(qū)動段。

③糾偏鉸接段應以完整單元下井并安裝在在發(fā)射架后，下井后通過螺栓與刀盤及驅(qū)動段可靠緊固連接。

④螺旋機下井安裝到位。

⑤U型頂鐵下井安裝到位。

⑥電器柜安放。

4）定位主頂及調(diào)試驗收

定位時，主頂與管節(jié)中心軸線成對稱分布，保證頂進軸線控制良好、管節(jié)受力均勻。主頂定位后，頂管機軸線要和設計軸線保持一致。所有千斤頂要調(diào)試驗收，反復調(diào)試確保頂管機正常運轉(zhuǎn)，保證性能完好。

5）工作井導軌安裝

①導軌采用雙排120工字鋼、20槽鋼焊接，定制加工。

②利用測量儀器對導軌安裝情況進行監(jiān)控，安裝導軌時允許偏差值控制在以下范圍內(nèi)：一是中心軸線左右3mm以內(nèi)；二是頂面高程+3mm以內(nèi)；三是兩導軌內(nèi)部間距±2mm以內(nèi)。

③兩導軌凈距計算

其中：B——基坑導軌間距（mm）；

D——管外徑（mm）；

h——導軌高（mm）；

e——管外底距枕鐵面的距離（mm）。

按上述公式求出DN2200 頂管導軌之間的寬度為1067mm。

6）千斤頂安裝

（1）本工程采用4 臺千斤頂，每臺千斤頂參數(shù)為250t。千斤頂固定在支架上時應與管道中心的垂線保持對稱，千斤頂著力點應在管節(jié)垂直半徑的1/2～1/3為宜，其合力集中點應與管壁產(chǎn)生的反作用力集中點保持在相同軸線上。

（2）千斤頂選用ZB.50 型的高壓油泵，工作時油泵由電動機帶動，經(jīng)分配器、控制閥等控制節(jié)點后進入千斤頂，各千斤頂以并聯(lián)方式將進油管一起連接，各千斤頂活塞的出力要和行程保持一致的效果，油管要順直安裝，減少轉(zhuǎn)角。

7）頂鐵的安裝

頂鐵選用1 組3000kN 級專用配套頂鐵（順鐵），頂鐵的相鄰面互相垂直，要有足夠的剛度。在安裝前，要把頂鐵與導軌之間、頂鐵與頂鐵之間的部位擦拭干凈，清除泥土、油污等贓物以保持接觸面干凈。頂鐵單塊放置時保持穩(wěn)定。在頂鐵與管口之間塞入緩沖襯墊，管端可增加U型或環(huán)形頂鐵防止頂力過大。保持管道的軸線、千斤頂軸線和頂鐵軸線之間兩兩平行。頂鐵的中軸線以及管道中心的垂線應保持對稱，避免頂力偏離軸線造成“崩鐵”情況發(fā)生。頂鐵拼裝后要利用鎖定裝置對拼裝進行鎖定。

頂進前要在頂鐵與管口之間填充緩沖物（如膠合板）使頂力均勻地分布在管端。

管節(jié)未進入土層前，在接口外部墊上油氈或木墊板，管口靠內(nèi)側(cè)保持10mm～20mm的間隙；頂緊后兩管間應保持10mm～15mm的合理孔隙。

4.5 頂進施工

4.5.1 參數(shù)計算

1）總頂力計算：

式中：F—總頂力；

Fp——頂進阻力（kN）；

NF——頂管機的迎面阻力（泥水平衡選NF=п/4×D2gP）；

P——控制土壓力P=K0×γ×H0；

D0——管道外徑（m），取2.64；

L——管道設計頂進長度（266m）；

fk——管道外壁單位面積平均摩擦阻力（kN/m2）（采用觸變泥漿減阻：粉質(zhì)黏土取5.0）

Dg——頂管機外徑（m），取2.7；

K0——靜止土壓力系數(shù)，一般取0.55；

γ——土的濕重量（kN/m3）；取19；

H0——地面至掘進機中心的厚度（m），取最大值8.5m。

2）管材允許頂力計算

式中Fdc——混凝土管道允許頂力設計值（N）；

φ1——混凝土材料受壓折減系數(shù)，可取0.90；

φ2——偏心受壓強度提高系數(shù)，可取1.05；

φ3——材料脆性系數(shù)，可取0.85；

φ5——混凝土強度標準調(diào)整系數(shù)，可取0.79；

fc——混凝土受壓強度設計值（N/mm2）；

Ap——管道最小有效傳力面積（mm2）；

γQd——頂力分項系數(shù)，可取1.3。

DN2200 鋼筋混凝土管允許頂力：Fdc=10917783N=10917.78kN=1092t；

設計工作井能承擔的最大頂力：2005.9t（計算條件：井深9.755m、外寬6.4m）；

經(jīng)比較后得知：管材允許最大頂力＜計算總頂力＜工作井允許最大頂力，取最小值作為油缸的總推力，主頂油缸選用4 臺300t 級（3000kN）千斤頂。主頂推力應控制在管材安全范圍值（取允許最大值的90%）983t以下。

4.5.2 進洞施工

在進洞口設降水井，在頂管機進洞前，控制洞內(nèi)水位在洞圈下1m。

因洞門和管節(jié)間存在6cm的周邊間隙，采取能夠使頂管機頭規(guī)范進洞的相應措施，避免因進洞時造成水土流失導致路面沉降。

洞門完全打開后，注意洞門四周水土情況，如水土情況良好、不滲水，則頂管機以快速、均勻推進速度前進。如洞門有滲水現(xiàn)象，則采用降水井降低地下水位。在第一節(jié)管節(jié)頂進至內(nèi)襯400mm后，頂管機停機并與管節(jié)脫離，將頂管機接收后立即組織洞門封堵施工。此階段必須連續(xù)施工，洞口派人監(jiān)護，發(fā)現(xiàn)問題，及時處理。

以千斤頂配合鉸接油缸用最快的速度完成頂管機與管節(jié)脫離以確保快速封住洞門。

為加快速度，采用自下而上、左右兩邊同時開始的洞門封堵操作，洞門結(jié)束封堵后，對洞口空隙采用C30 膨脹混凝土填實。

4.5.3 中繼間接力頂進

由于單向頂進距離長達266m，管材結(jié)構(gòu)允許最大頂力為983t，因此僅靠主頂頂力無法頂進到終點，必須設置中繼間進行逐段接力頂進。在總推力超過計算總推力60%時設置第一個中繼間；在總推力超過計算總推力80%時設置第二個中繼間，在總推力超過計算總推力的90%時應啟用中繼間。用中繼間專用頂進設備去頂進中繼間以前的管段。為防止中繼間開始頂進時向工作井方向退移，工作井內(nèi)的千斤頂要緊頂在導軌上接的管子上。中繼間工作順序：第一個中繼間頂進→卸油壓→第二個中繼間頂進→卸油壓→開動工作井千斤頂→循環(huán)頂進至接收井。

4.5.4 管節(jié)減摩

為控制沉降作用及減少頂進過程中土體對管道造成的摩擦阻力，應在管道與土體接觸界面壓注觸變泥漿形成一圈泥漿套以達到減少土體摩擦阻力效果。在施工期間應保持泥漿不失水，不沉淀，不固結(jié)，保證觸變泥漿起到應有作用。

1）泥漿配比

表1 每立方泥漿材料用量表

表2 觸變泥漿指標

2）壓漿設備及壓漿工藝

使用泥漿攪拌機配比表進行制漿，純堿和CMC 應預先化開（CMC 可以邊攪拌邊添加），再加入膨潤土攪拌20min，要將泥漿充分徹底攪拌均勻。

HENY壓漿泵如固定在始發(fā)井口，在使用前應先在儲漿桶內(nèi)儲存、拌制拌漿機的出料，待一定時間過后方可通過HENY泵送至井下。以0.3MPa左右的注漿壓力進行泵送。

3）壓漿施工要點

①壓漿應由專人控制觸變泥漿在施工期間不失水、不固結(jié)、不沉淀，保持泥漿穩(wěn)定性。

②嚴格按壓漿操作規(guī)程施工，頂進時要及時壓注觸變泥漿去充填所形成的建筑空隙，在管節(jié)四周形成可減少頂進阻力和地表沉降的泥漿套。

③壓漿時必須遵循“先壓后頂、隨頂隨壓、及時補漿”的原則。

4.5.5 止退裝置

在實際施工過程中，即便管節(jié)有較長頂進距離，在每次拼裝管節(jié)或加墊塊時，主頂油缸仍然會受前端過大阻力影響在回縮過程中連帶機頭和管節(jié)共同后退200mm～300mm。當頂管機和管節(jié)往后退時，機頭和前方土體間的土壓失去平衡易引起機頭前方的土體面得不到穩(wěn)定支撐而坍塌，因此，需要將兩套止退裝置分別安裝在前基座的兩側(cè)，當推完油缸的工作行程，銷子會在管節(jié)安裝的時候插入管節(jié)的吊裝孔。和基座焊接在一起的止退裝置后支柱會抵消掉由銷子及銷座傳遞而來的管節(jié)的后退力，進而把管節(jié)穩(wěn)住。

5 出洞施工

測量的頻率與精度應隨頂管機頭與接收井靠近而逐步加強，控制軸線在合理區(qū)間。確保頂管機能準確進洞。頂管要帶一個向上的初始角（約5′）穿墻，不能出現(xiàn)工具頭下跌的情況，要支托起穿墻管的下部，管段相互之間（包括工具管）的聯(lián)結(jié)要加強。迅速推進工具管縮短穿墻管內(nèi)的土體暴露時間。在頂管穿墻位置施作止水工序，防止因為減阻泥漿流失過多造成孔口塌陷進。

要測量確認接收井洞門位置的坐標，頂管機接收架以實際標高進行安裝。

5.1 出洞工藝

（1）安裝洞口止水擋圈，將止水擋圈裝置在出洞孔井壁上臨時固定，待掘進機推進至止水擋圈位置處，止水擋圈再根據(jù)掘進機外圓與止水圈板內(nèi)圓的周邊等距離進一步固定。確保止水圈中心與管道中線軸線保持一致的同時，與井壁間密實，以防漏漿。

（2）接收導軌按管道設計要求鋪設；在出洞孔砼上安裝延伸導軌，其坡度和標高與軌道一致。

（3）要防止出現(xiàn)洞口漏泥、水情況，設置一臺排污泵，制定安全保證措施以及時排除洞口隱患。

（4）在出洞前，需先割掉預埋鋼盒外側(cè)鋼板，將止水鋼環(huán)焊接到預埋鋼盒的外側(cè)，再將止水橡膠圈安裝在止水鋼環(huán)上。在準備出洞時，預先清除鋼盒內(nèi)側(cè)擋土鋼板，工具頭在清理預留孔內(nèi)雜物后立即推進預留孔，防止暴露時間過長。工具頭外殼要緊抱止水橡膠圈。為防止工具頭出現(xiàn)“磕頭”情況，頂進工具頭進入穿墻管后工具頭及時與第一節(jié)鋼管進行剛性聯(lián)結(jié)。

（5）在出洞施工初期，容易發(fā)生頂管機反彈引起的土體不規(guī)則坍塌，使頂管機再次推進時方向失去控制和往上爬升。由于頂管機正面主動土壓力遠大于頂管周邊各種摩擦力的總和，為此，平行于地面在洞口的兩側(cè)各安裝好一條工字鋼，當主頂千斤頂準備回縮加頂鐵時，各自焊牢兩條工字鋼與相接觸的頂鐵，然后將千斤頂回收，頂管機可以避免反彈。

（6）在出洞施工時，在頂管機的兩側(cè)焊上底面與導軌面平齊的擋板，擋板壓在導軌上，防止頂管機發(fā)生扭轉(zhuǎn)。頂管出洞后，洞口管壁周圍采用C30膨脹混凝土填實。

6 頂管施工重點技術(shù)控制

6.1 地層形變控制

（1）在施工前，根據(jù)地質(zhì)資料分析將穿越地層的物理及力學特性，在掘進時，通過地質(zhì)資料與出土實樣的對比，按照情況對掘進機姿態(tài)及時調(diào)整，進一步加強施工控制。在頂進過程中，要連續(xù)均衡的速度頂進施工，避免過長時間停滯，不斷按照反饋數(shù)據(jù)調(diào)整土壓力最佳狀態(tài)設定值，通過控制出土量避免欠挖或超挖情況發(fā)生。

（2）掘進機頭開挖面、機頭糾偏、機頭后面管道外周空隙注漿填充不足、管道在頂進中與地層摩擦、管道接縫及中繼間滲漏等都會引起地層損失。所以在頂管施工中要以實際情況為準，根據(jù)不同土質(zhì)情況、覆土深度情況和地面沉降情況，結(jié)合分析測量報表，對泥水與土壓平衡值做出及時調(diào)整。同時要求保持相對平穩(wěn)的坡度，控制糾偏量，減少對土體的擾動。根據(jù)頂進速度，及時掌握排泥量以及地層有關變形數(shù)據(jù)，對注漿壓力和注漿量做出及時調(diào)整，從而控制最佳軸線和地層變形狀態(tài)。

（3）在結(jié)束頂管后，通過注漿孔用1∶1 的水泥漿液將管道外壁觸變泥漿置換出來，注漿壓力控制在0.3MPa～0.5MPa，注漿流量7L/min～10L/min，以加固管道外土體，防止在今后正常使用過程中管道產(chǎn)生不均勻沉降。

6.2 頂進軸線控制

在頂進施工中應密切關注頂進軸線。每節(jié)管頂進結(jié)束后，應對機頭進行姿態(tài)測量，“勤測勤糾，小角度糾偏”，每次糾偏的角度一般控制在0.50 分以下，通過合適的曲率半徑將管道逐步調(diào)整到正確軸線上來，應避免猛糾導致相鄰兩段管道產(chǎn)生較大夾角，進而使土體出現(xiàn)較大擾動及管節(jié)間出現(xiàn)張角。圓形頂管施工時對橫向水平要求較高，所以在頂進過程中要密切注意機頭的轉(zhuǎn)角情況，可采取刀盤反轉(zhuǎn)、加壓鐵等措施回糾機頭出現(xiàn)微小轉(zhuǎn)角的情況。頂進軸線應將偏差控制在以下范圍內(nèi)：高程±20mm；水平：±20mm。

6.3 控制頂管軌跡的措施

頂管機、后頂設備及反力系統(tǒng)要按照設計坡度安置。調(diào)整后座千斤頂合力中心的方式來控制初始偏差，確保機頭初始狀態(tài)穩(wěn)定和軸線順直。根據(jù)地面監(jiān)測的沉降數(shù)據(jù)調(diào)整頂管機參數(shù)及出土速度，將正面土壓控制在合理區(qū)間內(nèi)，避免地面沉降量在+10mm～-20mm 范圍之外。時時跟蹤機頭推進時的姿態(tài)，采取泥漿平衡及調(diào)整鉸接油缸伸長量的手段及時糾正推進軌跡的偏移，保證推進線路正常進行。

6.4 控制頂管允許最大頂力的措施

選用總推力為1200t的主千斤頂，為了防止頂力超過允許值，導致管材因頂力過大損壞，在主頂油泵設備調(diào)試時，通過調(diào)整壓力閥的方式控制系統(tǒng)的總推力保持在983t 以下，并用螺栓將閥鎖死，保證施工中不出現(xiàn)超出頂力的情況發(fā)生。

6.5 防止背土措施

加大注漿頻率，通過觀察現(xiàn)場實際情況以及地質(zhì)狀態(tài)來選擇注漿的方法和把握注漿方量。需設置專人對注漿負責，要均勻且合理地注漿。每日檢查地面環(huán)境和管道的注漿口。