潛埋暗挖與頂管復(fù)合技術(shù)在管道工程中的應(yīng)用

王 懷 斌

(北京市自來水集團(tuán)禹通市政工程有限公司，北京 100120)

隨著城市的發(fā)展，城區(qū)內(nèi)各類管道施工的難度逐漸增大，往常采用的大開挖技術(shù)由于城區(qū)內(nèi)條件限制，使用越來越困難，非開挖施工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。非開挖施工技術(shù)是指在不開挖、少開挖的條件下進(jìn)行地下各類管網(wǎng)敷設(shè)、維修和更換的施工技術(shù)。主要應(yīng)用于電力、通訊、市政管道在穿越高速公路、鐵路、建筑物、河流、湖泊等既有區(qū)域的非破壞性施工技術(shù)。隨著工程物探、計(jì)算機(jī)技術(shù)、巖土工程技術(shù)及新材料等技術(shù)的快速發(fā)展，非開挖技術(shù)也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。

1 常見非開挖管道施工技術(shù)介紹

非開挖施工技術(shù)的選擇往往取決于管道的管徑，大口徑管道的鋪設(shè)主要采用大直徑頂管法、盾構(gòu)法和潛埋暗挖法；小口徑的管道鋪設(shè)主要采用：微型隧道法、水平螺旋鉆進(jìn)法、定(導(dǎo))向鉆進(jìn)法、夯管法等。本文主要介紹潛埋暗挖法、頂管法、定(導(dǎo))向鉆進(jìn)鋪管技術(shù)和盾構(gòu)鋪管法。

1.1 淺埋暗挖法

潛埋暗挖法是常用的隧道暗挖施工法的一種，采用人工或者機(jī)械按照預(yù)定的施工順序逐步開挖隧道，并且進(jìn)行隧道支護(hù)以保證人員安全以及工程質(zhì)量。其常用的施工流程為：施工準(zhǔn)備→確定施工方法→現(xiàn)場監(jiān)控量測與初期支護(hù)→防水設(shè)施或防水隔離層→二次襯砌或噴錨襯砌→竣工。

1.2 頂管法

頂管施工法的工作原理為：在預(yù)先開挖的工作井內(nèi)設(shè)置主千斤頂、配置支座，施工作業(yè)面前段為工具管，需鋪設(shè)的管道設(shè)置在工具管后端，采用主千斤頂推動(dòng)下工具管向土層內(nèi)掘進(jìn)，掘出產(chǎn)生的泥土以泥漿的形式通過泥漿泵經(jīng)管道排出(亦可采用螺旋泵)，每當(dāng)推進(jìn)一節(jié)管道后，主千斤頂撤回，進(jìn)行另一節(jié)管道的下管，繼續(xù)第一步工作，如此往復(fù)，直至管道鋪設(shè)完畢。

其常見施工流程為：施工測量→工作井施工→頂進(jìn)設(shè)備安裝調(diào)試→吊裝管道→工具管連接→裝頂鐵→開啟油泵頂進(jìn)→出土(出泥)→拆工具管→砌檢查井。

頂管法的主要工作任務(wù)有頂進(jìn)方法的選擇、工作坑的布置與施工、管道頂進(jìn)、頂管接口處理和管道壓漿。

1.3 定(導(dǎo))向鉆進(jìn)鋪管技術(shù)

水平定向鉆施工方法是根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況規(guī)劃設(shè)計(jì)的管道軌跡上通過導(dǎo)向鉆進(jìn)、擴(kuò)孔、拉管等工藝過程在不開挖地表的前提下，將管道敷設(shè)在既定位置的非開挖施工方法，施工機(jī)械主要為定向鉆機(jī)，線性控制主要設(shè)為控向儀器。

其基本工作原理為：按預(yù)先設(shè)定的地下鋪管軌跡采用鉆孔機(jī)鉆設(shè)小口徑先導(dǎo)孔，隨后在先導(dǎo)孔出口端的鉆桿頭部安裝擴(kuò)孔器回拉擴(kuò)孔，當(dāng)孔洞尺寸達(dá)到設(shè)計(jì)直徑時(shí)，在擴(kuò)孔器的后端連接旋轉(zhuǎn)接頭、拉管頭和管線，反方向進(jìn)行回拉管線，最終完成敷設(shè)任務(wù)。主要施工順序?yàn)椋旱刭|(zhì)勘探→規(guī)劃和設(shè)計(jì)鉆孔軌跡→配制鉆液→鉆先導(dǎo)孔→回拉擴(kuò)孔→回拉鋪管→管端處理。

1.4 盾構(gòu)鋪管法

盾構(gòu)法是近年來發(fā)展迅速的一種施工技術(shù)，廣泛應(yīng)用于地鐵、管網(wǎng)施工中，主要設(shè)備為盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)機(jī)前端為刀盤，通過刀盤旋轉(zhuǎn)切削與之接觸的土壤，形成鉆屑，在鉆屑中加入適量的液體形成泥漿，通過輸泥設(shè)備送到地面。機(jī)頭前進(jìn)時(shí)，機(jī)后預(yù)留的空間可以將提前預(yù)制的混凝土襯砌管片拼裝成環(huán)狀形成隧道襯砌結(jié)構(gòu)。當(dāng)前，也有大口徑管道工程使用盾構(gòu)技術(shù)，即采用盾構(gòu)法進(jìn)行隧道施工，隧道施工完成后，敷設(shè)管道，管道與隧道間的孔隙進(jìn)行注漿，組成完整的管道系統(tǒng)。

2 復(fù)合施工工藝介紹

2.1 工程概述

本工程位于已建再生水廠內(nèi)部，土質(zhì)為黏質(zhì)土，周邊為水處理構(gòu)筑物，不具備大開挖進(jìn)行管道施工的條件，且一旦管網(wǎng)施工不當(dāng)，可能對周邊構(gòu)筑物和管道產(chǎn)生破壞性影響。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，選擇潛埋暗挖與頂管法復(fù)合施工技術(shù)進(jìn)行施工。

2.2 施工工藝

根據(jù)前文所述工藝及工程特點(diǎn)，將兩種施工工藝進(jìn)行對比便會(huì)發(fā)現(xiàn)若采用頂管頂進(jìn)的混凝土管道作為潛埋暗挖法作業(yè)的二次襯砌，并在一次襯砌和二次襯砌間注入防水材料形成防水隔離層，可以使管道周圍形成一層閉合的防水層，以達(dá)到地下管道防滲漏的目的，并且噴錨暗挖施工時(shí)對周圍土體的加固和一次襯砌又能使管網(wǎng)施工時(shí)的工作面穩(wěn)定，從而保證施工人員和管網(wǎng)的安全。在施工過程中，先采用潛埋暗挖法進(jìn)行隧道內(nèi)土體施工，在完成一次襯砌后，采用頂管法將管道敷設(shè)于隧道內(nèi)，并在一次襯砌和管道間注入防水材料，形成穩(wěn)定可靠的管道復(fù)合結(jié)構(gòu)。

3 施工方法

3.1 周圍土體加固及一次襯砌施工

1)超前小導(dǎo)管注漿對周圍土體加固。在土體開挖前，需對周圍土體進(jìn)行注漿加固，加固流程如圖1所示。

2)隧道內(nèi)土方開挖。結(jié)合本次管道施工的特點(diǎn)，土方開挖選擇短臺(tái)階法人工進(jìn)行挖方，隧道土體上臺(tái)階開挖高度受圓形格柵拼裝面位置和人員操作空間約束。其工藝流程如圖2所示。

施工過程的注意事項(xiàng)：a.隧道出土前首先確認(rèn)已注漿加固的拱部土體的穩(wěn)定狀況；b.開挖過程中應(yīng)嚴(yán)格遵循“管超前，嚴(yán)注漿，短開挖，強(qiáng)支護(hù)，勤量測，快封閉”的十八字方針；c.隧道開挖過程，通過監(jiān)控量測發(fā)現(xiàn)變形較大或出現(xiàn)局部坍塌時(shí)，要立即停止開挖，采用掌子面注漿、打鎖腳錨桿、密排格柵就位等措施來解決。

3)一次襯砌施工。一次襯砌采用凈空2.6 m圓形鋼筋混凝土錨噴結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)為鋼格柵(縱向連接筋)+鋼筋網(wǎng)片+噴射混凝結(jié)構(gòu)。噴射混凝土的粗細(xì)骨料、水泥、速凝劑等進(jìn)行進(jìn)場檢驗(yàn)并對水泥和速凝劑進(jìn)行速凝效果檢驗(yàn)，要求初凝時(shí)間不大于5 min，終凝時(shí)間不大于10 min。噴射混凝土的順序?yàn)椋?/p>

a.按“送風(fēng)→開機(jī)→給料→待料噴完后方可停風(fēng)”的順序進(jìn)行；

b.覆蓋面混凝土層在開挖面暴露后立即進(jìn)行；

c.鋼架、網(wǎng)片等安裝完成后，先噴鋼架處，然后噴鋼架之間的混凝土，直至噴夠設(shè)計(jì)厚度，將鋼架完全覆蓋2 cm以上?，F(xiàn)場可用肉眼觀察和錘擊法進(jìn)行檢查。

3.2 頂管法施作二次襯砌

施工復(fù)合法施工時(shí)，管道作為噴錨暗挖的二次襯砌，提高了二次襯砌的整體性，同時(shí)使管道周圍土體加固并施作防水隔離層，使污水管在運(yùn)行時(shí)更加穩(wěn)定可靠。噴錨暗挖施工挖除了隧道內(nèi)土體，使管道頂進(jìn)阻力減少，同時(shí)不用使用泥漿護(hù)壁，提高了頂管施工的效率。頂管施工最主要的控制內(nèi)容為：頂力計(jì)算、頂進(jìn)速度的控制。

1)頂力計(jì)算。頂管段頂進(jìn)距離較短，通常確定機(jī)械頂管總頂力，使用經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式(1)：

P=NGL

(1)

其中，P為總頂力，m；G為單位長度管體自重,kN/m；N為土質(zhì)系數(shù)，本工程在隧道內(nèi)取1.5；L為頂距，m。

本次施工使用DN1 950 mm的混凝土管每節(jié)長為2 m，管重為3 690 kg/m，頂距L=11 m,則預(yù)測總頂力為：P=NGL=1.5×3 690×10×11=609 kN。

2)軌距計(jì)算。采用2根50 t頂鎬，借用新建4 m高檢查井(待強(qiáng)度達(dá)到100%)作為頂管后背。導(dǎo)軌選用重型鋼軌(32 kg)，兩鋼軌凈距按式(2)計(jì)算：

(2)

其中,A為導(dǎo)軌間距；D為管材外徑(2 400)；e為導(dǎo)軌距管道外壁凈距，取2 cm；h為導(dǎo)軌高程,取15 cm。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，得到本次施工導(dǎo)軌間距的計(jì)算值為1 072 mm。

3)二次襯砌后背注漿。二襯背后注漿管布置在拱頂及兩側(cè)，每斷面3根，縱向間距6.0 m?；靥钭{材料選用水灰比為1∶0.4～1∶0.5的水泥漿，并在水泥中添加2%～3%MgO微膨脹劑。回填注漿設(shè)備與超前小導(dǎo)管注漿設(shè)備相同。進(jìn)漿量應(yīng)小于50 L/min，注漿壓力根據(jù)實(shí)際情況確定，一般為0.3 MPa，達(dá)到或接近設(shè)計(jì)終壓后穩(wěn)壓10 min。

4)頂進(jìn)速度。頂管施工時(shí)的頂進(jìn)速度宜控制在30 mm/min～50 mm/min，入洞后的前5米以及糾偏時(shí)用較低速度，以后視管道頂進(jìn)時(shí)現(xiàn)場的情況適當(dāng)加快頂進(jìn)速度。

4 結(jié)語

本文根據(jù)工程特點(diǎn)，選取潛埋暗挖與頂管法復(fù)合施工技術(shù)進(jìn)行管道工程施工，通過工程實(shí)踐的檢驗(yàn)，使用該施工方法可以同時(shí)發(fā)揮兩種施工方法的優(yōu)點(diǎn)。此施工工藝在場地受限的條件下，對管道進(jìn)行施工時(shí)，既能保證管道周圍土體的穩(wěn)定，又能在管道周圍施作防水隔離層，避免了單獨(dú)采用頂管法施工時(shí)接口處容易出現(xiàn)地下水滲漏等問題，同時(shí)采用潛埋暗挖法施作的一次襯砌形成閉合鋼筋混凝土保護(hù)層，可以有效的防止高壓地下水等不利因素對管道的沖擊。可對其他類似工程有借鑒意義。