市政給排水施工中微型頂管技術(shù)的應(yīng)用

陳 偉

（西城工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

隨著城市的快速建設(shè)及發(fā)展，城市中管線網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越來越大，且錯(cuò)綜復(fù)雜，采取明挖法進(jìn)行市政給排水管道施工的難度越來越大。因此非開挖技術(shù)在市政給排水管道項(xiàng)目中應(yīng)用越來越廣泛，且取得長足發(fā)展。微型頂管施工技術(shù)是非開挖技術(shù)的一種，常用于小口徑管道施工中，不僅繼承了常規(guī)頂管技術(shù)的優(yōu)勢，而且也可解決常規(guī)頂管圍護(hù)結(jié)構(gòu)大易引起管道搬遷、延長工期等問題。因此，該文針對頂管技術(shù)進(jìn)行深入研究，對推動(dòng)市政給排水微型管道施工技術(shù)發(fā)展有積極的意義。

1 工程概況

某市二級污水管網(wǎng)改造項(xiàng)目施工長度約2.96 km，管道直徑要求300mm～400mm，且預(yù)改造污水管道均在現(xiàn)有道路下，管道平均埋深為4.5m，局部埋深為8m，主要采取開槽埋管的方式進(jìn)行施工。其中約500m 污水管道施工區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，地下燃?xì)夤艿馈⒊邏弘娏Φ裙芫€密集，并且需要穿越河流及既有鐵路線，需要采取非開挖方式進(jìn)行施工。

為了了解施工現(xiàn)場水文地質(zhì)情況，在現(xiàn)場對施工范圍內(nèi)25m 深的土層進(jìn)行勘測，具體水文地質(zhì)情況如下（自上而下）：①1-1 層為雜填土；②層為粉質(zhì)黏土，呈褐黃—灰黃色；③層為淤泥粉質(zhì)黏土，呈灰色；③夾層為黏質(zhì)粉土，呈灰色；④層為淤泥質(zhì)黏土，呈灰色；⑤1 層為黏土，呈灰色；⑥層為粉質(zhì)黏土，呈暗綠色。

這次微型頂管施工主要是穿越③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，個(gè)別位置會(huì)穿越④層灰色淤泥質(zhì)黏土。地下水整體穩(wěn)定性比較好，水位埋深為0.4m～1.7m，承壓水位埋深為3.0m～12.0m。

如果選用水平定向鉆法則會(huì)因無造斜距離或施工精度不高而難以穿過管線密集區(qū)域；選用常規(guī)頂管技術(shù)則會(huì)因圍護(hù)結(jié)構(gòu)大而引起管線搬遷或者延長工期等問題；采取明挖法則須進(jìn)行支護(hù)且需要與管線所屬單位協(xié)調(diào)搬遷管線，對周圍影響大，且成本高。因此，綜合考慮到這次管道施工的特點(diǎn)及難點(diǎn)，且管道均為小口徑管道，對技術(shù)性進(jìn)行比較后，最終決定采用微型頂管技術(shù)進(jìn)行施工。

2 微型頂管施工技術(shù)

2.1 工藝原理

微型頂管施工主要是以地箭式的方式出土，其出土方式又可以細(xì)分為標(biāo)準(zhǔn)地箭式及改良地箭式。標(biāo)準(zhǔn)地箭式是分步驟進(jìn)行排土的，而改良地箭式是通過壓密向前推進(jìn)，不排土。地箭式工藝是用前導(dǎo)管做導(dǎo)體，并在其后端連接上螺旋出土管、擴(kuò)孔切削頭及預(yù)敷設(shè)的管材，再通過液壓設(shè)備將前導(dǎo)管按設(shè)計(jì)軌跡要求逐步頂進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)管道敷設(shè)的目標(biāo)[1]。

2.2 適用條件

微型頂管施工技術(shù)是一種非開挖施工技術(shù)，經(jīng)常用于施工場地下、周圍環(huán)境復(fù)雜及地下管線分布復(fù)雜的管道穿越項(xiàng)目中，且適用于砂性或黏性的松軟土層環(huán)境，頂管施工所用管道以埋深比較深且重力流排水管道為宜。同時(shí)，在微型頂管技術(shù)應(yīng)用過程中，單段頂距應(yīng)≤80m、工作井深度應(yīng)≤15m，且適合管徑≤600mm 的小口徑管道頂進(jìn)施工[2]。

3 施工方案

3.1 施工方法確定

根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)在標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)N>15的地質(zhì)條件下，宜采取標(biāo)準(zhǔn)地箭式技術(shù)進(jìn)行施工；當(dāng)在標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)N<15 的地質(zhì)條件下，宜采取改良式地箭式技術(shù)進(jìn)行施工。在該項(xiàng)目中，頂管施工的管道直徑為300 mm～400 mm，屬于小口徑管道，且頂管所經(jīng)區(qū)域以淤泥粉質(zhì)黏土為主，地下水的水位比較高，土壤摩擦系數(shù)比較低，壓縮性高，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)N為6.0～9.0，小于15，因此這次微型頂管施工采用改良地箭式方法進(jìn)行施工。

3.2 管材選用

當(dāng)前，小口徑頂管施工中常用的管材主要包括鋼筋混凝土管、樹脂混凝土管及離心澆鑄玻璃鋼夾砂管等。經(jīng)綜合考慮造價(jià)成本及效益后，決定選擇使用樹脂混凝土管材進(jìn)行施工，管材具體規(guī)格見表1，接口采取玻璃鋼套筒F型接口。

表1 樹脂混凝土管道規(guī)格參數(shù)

4 微型頂管施工要點(diǎn)

4.1 工藝流程

此次改良地箭式微型頂管施工的工藝流程如圖1 所示。

圖1 改良地箭式微型頂管施工工藝流程示意圖

4.2 測量放線

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及施工需要，現(xiàn)場利用全站儀、經(jīng)緯儀、水平儀等設(shè)備進(jìn)行精確測量，并放出管道中心線，再參考中心線依次放出控制坐標(biāo)點(diǎn)及高程水準(zhǔn)點(diǎn)，最終形成一個(gè)完整的控制網(wǎng)，為后續(xù)頂管施工高效優(yōu)質(zhì)實(shí)施奠定基礎(chǔ)[3]。

4.3 工作井施工

因?yàn)樵擁?xiàng)目中，微型頂管所涉及的工作井及接收井在尺寸上比常規(guī)頂管施工所用的工作井小許多，所以將滿足此次施工要求的現(xiàn)有檢查井用作微型頂管的接收井，最終只需建設(shè)一個(gè)鋼筒工作井就行。工作井剖面圖如圖2 所示。

圖2 工作井剖面圖

該鋼筒是用壁厚20 mm 的Q235B 鋼板制作而成的，每節(jié)鋼筒的長度為2.0m，工作井用多節(jié)鋼筒焊接組成，并使用Y2590 型搖管機(jī)將鋼管井下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高。待鋼筒井下沉到預(yù)定位置后，及時(shí)抽干井中的滲水，并馬上用C35 混凝土進(jìn)行封底，厚度是2.0m，用作基坑底板，這樣也可以有效避免鋼筒井受地下水浮力影響而發(fā)生上浮。同時(shí)，基坑底板高程要低于設(shè)計(jì)管底標(biāo)高0.8m，這樣便于設(shè)備安裝及頂管施工。另外，在基坑底板處也預(yù)留了一座深度0.5m、直徑80cm 的集水坑。

該微型頂管施工區(qū)為黏土層，地上水的水位也比較高，為預(yù)防開挖封底時(shí)發(fā)生涌沙、涌泥等問題，便在鋼筒井下沉就位后，對坑底做了壓密注漿。且將鋼筒底部嵌入封底下土層1.2m，以確保頂管時(shí)封底及鋼筒足夠穩(wěn)定。

4.4 頂力計(jì)算及設(shè)備選型

參考《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》CECS246：2008中的相關(guān)規(guī)定，計(jì)算頂管施工的阻力，如公式（1）和公式（2）所示。

式中：F—總頂力，kN；Do—管道外徑，m；Dg—頂進(jìn)機(jī)頭外徑，m；L—頂距，m；fk—管道外壁和土單位面積平均阻力，kN/m2；Nf—頂管機(jī)迎面阻力，kN；P—土倉壓力，kN/m2。

以DN400 mm 管材為例進(jìn)行計(jì)算，管道頂進(jìn)最長距離是64 m，Do=0.49mm，Dg=0.5m，L=64m，fk=6.5kN/m2，P=60 kN/m2，最終計(jì)算得出總頂力：kN。

此次微型頂管施工選用的是推進(jìn)機(jī)臺(tái)尺寸為1950mm×1200mm×850mm（長×寬×高），具體功能及參數(shù)見表2，可輸出1600kN 的頂力，滿足實(shí)際頂進(jìn)施工要求。

表2 推進(jìn)機(jī)臺(tái)的功能及參數(shù)

4.5 設(shè)備安裝

首先，在工作井中安裝后背。此次頂管所用后背是鋼筒井井壁，鋼筒就是后背墻。后背與機(jī)臺(tái)之間的空隙使用三角鐵進(jìn)行焊接加固，增加機(jī)臺(tái)的穩(wěn)定性。其次，校正鋼筒中心及頂管的軸線。最后，根據(jù)管道中軸線依次將推進(jìn)機(jī)臺(tái)、機(jī)臺(tái)底座、激光經(jīng)緯儀等安裝好，以備后續(xù)施工。

4.6 止水裝置

頂管施工設(shè)備安裝完畢后，在鋼筒井壁上切割開洞，并安裝由環(huán)形鋼片＋橡膠＋緊固螺栓組成的鏡面框，用來防止先導(dǎo)管及管道頂進(jìn)過程中泥水從洞口流入井內(nèi)，造成水土流失。開始頂管之前，把中間的橡膠割開，并按導(dǎo)向孔→黑管孔→管道孔的順序進(jìn)行3 次開孔，且開孔孔徑應(yīng)比導(dǎo)向管、黑管等的管徑小一點(diǎn)。另外，也對洞口上下1m范圍內(nèi)做了注漿加固，這樣可以防止因地下水水位高而使泥水壓力過大進(jìn)而通過洞口涌入井內(nèi)[4]。

4.7 先導(dǎo)管頂進(jìn)

安裝并調(diào)試好激光經(jīng)緯儀后，便開始進(jìn)行先導(dǎo)管頂進(jìn)操作。先導(dǎo)管外徑為89mm，有效長度為750mm，在其前端連接有斜面的導(dǎo)向箭頭，且箭頭內(nèi)安有測量覘標(biāo)，可以通過激光經(jīng)緯儀觀測覘標(biāo)來測量頂進(jìn)情況。先導(dǎo)管頂進(jìn)過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制頂進(jìn)方向與設(shè)計(jì)軸線保持一致。如果出現(xiàn)偏差，應(yīng)及時(shí)調(diào)整箭頭斜面方向，并暫停先導(dǎo)管轉(zhuǎn)動(dòng)，繼續(xù)向前推進(jìn)，待方向快調(diào)正時(shí)，開啟設(shè)備使先導(dǎo)管轉(zhuǎn)動(dòng)，按既定方向向前頂進(jìn)。先導(dǎo)管頂進(jìn)糾偏示意圖如圖3 所示。

圖3 先導(dǎo)管頂進(jìn)糾偏示意圖

4.8 黑管頂進(jìn)

根據(jù)設(shè)計(jì)軌跡，將先導(dǎo)管頂?shù)浇邮站?，拆下?dǎo)向箭頭，并將導(dǎo)向箭頭從接收井里吊出來，放到指定位置。然后使用變徑簡易機(jī)頭將先導(dǎo)管和黑管連到一起，接著持續(xù)進(jìn)行黑管推進(jìn)。在黑管頂進(jìn)的過程中，應(yīng)在接收井中把對應(yīng)長度的先導(dǎo)管拆下來，并回收。

4.9 樹脂混凝土管頂進(jìn)

待黑管頂進(jìn)到接收井之后，將簡易擠擴(kuò)機(jī)頭安到黑管尾端，并將其慢慢頂進(jìn)洞中。同時(shí)，將樹脂混凝土管逐節(jié)吊裝到簡易擠擴(kuò)機(jī)頭后，并頂進(jìn)。在頂進(jìn)樹脂混凝土管的過程中，接收井中應(yīng)同步拆除黑管。同時(shí)，為了改善土壤性質(zhì)，減少頂進(jìn)過程的阻力，在簡易擠擴(kuò)機(jī)頭上連接了高壓水管，通過高壓注水來降低機(jī)頭及管道跟土壤之間的摩擦力[5]。另外，樹脂混凝土管頂進(jìn)過程中應(yīng)嚴(yán)格控制精度在±2 cm。

4.10 機(jī)頭和微頂設(shè)備拆除

待所有的樹脂混凝土管都頂進(jìn)完工后，在接收中將簡易擠擴(kuò)機(jī)頭拆卸下落，并吊離接收井。然后，使用堵漏材料對管壁進(jìn)行封堵，同時(shí)，工作井中對頂進(jìn)設(shè)備進(jìn)行拆卸。

4.11 鋼筒拔出

完成檢查井回填后，便可拔出鋼筒，并回收。為了避免對管道產(chǎn)生不利影響，先將管頂0.5m 以上的鋼筒拔出去。對施工場地有限且檢查井尺寸比鋼筒直徑大的情況，可將鋼筒直接用作井外壁[6]。

4.12 施工監(jiān)測和CCTV 檢測

為了實(shí)時(shí)掌握微型頂管施工過程中對四周既有建筑物及環(huán)境的影響，確保施工的安全。根據(jù)設(shè)計(jì)要求及現(xiàn)實(shí)需要，在微型頂管施工期間，對管道底埋深1.5 倍范圍內(nèi)的既有鐵路線、綜合管線等的變形及位移情況進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測。最終監(jiān)測結(jié)果顯示此次微型頂管施工對四周管線、建筑物及地表環(huán)境的影響很小，可以忽略。

同時(shí)，為驗(yàn)證此次微型頂管施工的質(zhì)量是否滿足要求，現(xiàn)場對管道做了CCTV 檢測，經(jīng)檢測，管道接口、管材及坡度等均滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

5 結(jié)語

綜上所述，案例項(xiàng)目施工條件比較復(fù)雜，穿越區(qū)域以淤泥淤泥粉質(zhì)黏土為主，另外，管道均為小口徑管材，常規(guī)非開挖技術(shù)難以滿足施工要求，因此應(yīng)用微型頂管施工技術(shù)進(jìn)行施工，最終不僅完成了施工任務(wù)，而且也幫助項(xiàng)目節(jié)約了成本約10%，保證整體工程的工期及效益。由此可以得出結(jié)論：微型頂管技術(shù)在市政給排水工程建設(shè)中有非常重要的地位及應(yīng)用價(jià)值。如果需要微型頂管施工達(dá)到預(yù)期的效果，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場施工條件選擇合適的工藝方法，制定合理可行的施工方案，優(yōu)化施工參數(shù)，并嚴(yán)格控制各環(huán)節(jié)的施工質(zhì)量，保證施工進(jìn)度，合理降低施工成本，不斷提高頂管施工技術(shù)水平。