手掘式頂管在城市排水管網(wǎng)改造工程中的應(yīng)用

周君波，黃 超

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 都江堰，611830)

1 概述

1.1 工程概況

遂寧市西寧片區(qū)城市生活污水處理廠配套管網(wǎng)改造工程，根據(jù)施工圖設(shè)計，2號路(南廣路)部分管段因埋深較深，而管側(cè)道路有通行要求且因有高壓線路無法遷改，不能放坡明挖，因此，采用頂管法施工，管道材料為Ⅲ級鋼筋混凝土鋼承插管(F型)。

W37-W36-W35段管徑為DN1000，管頂埋深8.7m～9.6m。W36設(shè)置為工作井，井深10.01m，內(nèi)徑6m；W35和W37設(shè)置為接收井，井深分別為9.96m和10.81m，內(nèi)徑4m；W36分別向W35和W37頂進，頂進長度均為28m。平面布置和縱剖面見圖1和圖2。

圖1 管段平面布置

圖2 管段縱剖面

1.2 工程水文地質(zhì)

場地2號路管線區(qū)域距W35接收井約15m處存在一處溪流，流向總體呈西南-北東向，溝寬約20m，枯水期水深0.3m～0.4m，溝底可見卵石，沖刷深度一般0.5m～1.5m，平時水量一般較小，雨季時有所增大；其余地段未見常流水地表徑流發(fā)育，場地一般不會受洪水淹沒。

圖3 頂管段地質(zhì)剖面

2 施工工藝流程與施工參數(shù)

2.1 施工工藝流程

施工工藝流程如圖4所示。

圖4 頂管施工工藝流程

2.2 頂管頂力計算

頂進阻力計算：Fp=πD0Lfk+NF

式中：Fp——頂進阻力(kN)；

NF——頂管機的迎面阻力(kN)，工程實際為人工挖掘式，NF=π(Dg-t)tR；

D0——管道的外徑(m)，D0=1.2m；

L——設(shè)計頂管長度(m)，取最大頂進長度28m；

fk——管道外壁與土的單位面積平均摩阻力(kN/m2)，取最大值6.5kN/m2；

Dg——頂管機外徑(mm)，取1.2m；

t——刃口厚度(m)，取0.01m；

R——擠壓阻力(kN/m2)，根據(jù)《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》[1]選取500kN/m2。

則頂進阻力為：Fp=πD0Lfk+NF=3.14×1.2×28×6.5+3.14×(1.2-0.01)×0.01×500=704.37kN

2.3 其他參數(shù)

(1)鋼筋混凝土鋼承插單節(jié)管長2m、公稱內(nèi)徑1000mm。

(2)液壓油泵：壓力30MPa，電機功率18kW。

(3)提升系統(tǒng)提升能力：2t。

3 施工布置

3.1 渣土及材料吊裝

鋼筋混凝土管、頂進設(shè)備、渣土和其他材料均采用門架提升系統(tǒng)起吊，小反挖采用8t汽車吊吊放。門架提升系統(tǒng)由門架、電動葫蘆及吊斗組成。門架采用工字鋼焊接制作，其上安置單軌鏈式電動葫蘆，起重20kN，起重高度根據(jù)井深選擇。鉸鏈處設(shè)置防墜器，鋼絲繩破壞拉力大于50kN。門架長約9m、寬約6m，經(jīng)計算采用I20工字鋼制作，布置見圖5。

圖5 平面和吊裝系統(tǒng)布置示意

3.2 工作井和接收井布置

布置見圖6。

工作井壁平面

4 施工方法

4.1 工作井和接收井開挖支護

井口段上部4m分層采用反挖裝自卸汽車，以下采用小反挖裝吊斗出渣，井壁預(yù)留保護層人工開挖。每層深度約0.5m～1m，開挖完成施工護壁。

井壁采用鋼筋混凝土護壁支護，首節(jié)(包括井圈)處高1m，其他土層中每節(jié)開挖和護壁高度由土質(zhì)穩(wěn)定性決定。護壁厚500mm，C35混凝土內(nèi)配φ16HRB400鋼筋。工作井護壁布置見圖7。井底基礎(chǔ)采用60cm厚素混凝土。

井圈配筋圖 上部護壁配筋圖 井底護壁配筋圖

4.2 頂管進、出洞口處理措施

頂管進、出洞口預(yù)留洞口并加固，采用放射筋HRB400φ8@150，環(huán)筋2φ14，每側(cè)補強鋼筋面積不小于洞口截斷鋼筋的75%，布置見圖8。

圖8 預(yù)留洞口加固

4.3 頂管施工

4.3.1 施工方案

頂管工程采用液壓千斤頂頂進，人工掘土結(jié)合水鉆取芯鉆進，洞內(nèi)人工出土，井內(nèi)提升架吊渣到井口平臺裝車外棄。

4.3.2 施工測量

采用經(jīng)緯儀或全站儀，測量從點到工作井底，在工作井頂進后背墻上安裝紅外線指向儀放樣定位掘進高程和中線。每班或碰撞指向儀后對指向儀進行校正，確保其指向正確。

4.3.3 后背墻施工

頂管液壓系統(tǒng)支撐后背墻采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，反力墻嵌固在工作坑底，結(jié)構(gòu)尺寸200cm×200cm×50cm，后背與護壁面貼緊。同時其平面與頂進軸線垂直。

4.3.4 工作坑導(dǎo)軌

工作坑導(dǎo)軌采用38kg/m重型鋼軌。

4.3.5 下管就位

首節(jié)頂管吊裝到工作井導(dǎo)軌上，測量高程、水平軸線，符合設(shè)計要求方可頂進。進、出工作井進入土層增加測量頻率，每頂進30cm測量管道水平軸線和高程一次；正常頂進時每50cm測量一次[2]。在頂管鋼承口端部設(shè)置環(huán)形頂鐵，均勻傳遞頂力。

4.3.6 頂進

頂鐵安裝和開挖土洞完成開始頂進，每次掘進長度根據(jù)實際土質(zhì)調(diào)整，當為泥巖時每掘進50cm頂進一次，當為粉質(zhì)黏土時每掘進20cm頂進一次。頂管施工過程堅持“勤測量、勤糾偏、微糾偏”的原則，注意控制頂進施工方向和頂進速度，做好頂進施工記錄和測量記錄。

啟動油泵，液壓千斤頂將管節(jié)沿導(dǎo)軌前挖好的土洞內(nèi)頂進。全段頂進完成，測量員在每個管節(jié)接口處使用經(jīng)緯儀、水準儀或激光水平儀測量其水平軸線和管內(nèi)底高程，相鄰管端錯口符合規(guī)范[3]。

4.3.7 開挖

采用人工挖土施工方法。在穩(wěn)定圍巖中正常頂進，管頂以上可以有不超過15的間隙，以減小頂進阻力，不得超挖管下部135°范圍內(nèi)的土層。

當土質(zhì)為中風化泥巖時用G10風鎬掘進，并及時外運管前挖出的土；當土質(zhì)出現(xiàn)強度較高巖石層則采用水鉆施工法，用QJ-200型金剛石鉆孔機在巖石面鉆孔，形成直徑1.2m的成形洞，再使用風鎬或鐵楔將成型洞范圍內(nèi)的巖石楔碎轉(zhuǎn)運。

4.3.8 出土

采用帶輪轂的斗車，由人工裝車牽引/推送到工作井內(nèi)，提升門架提升到井口平臺。斗車進出時由人控制方向，避免損害施工供風、供水、供電管線。

4.3.9 管道接口

全段頂完后，測量員在每個管節(jié)接口處測量其水平軸線和高程，檢查合格后進行管道接口處理。管道接口處理是施工質(zhì)量控制重點，鋼承口處安裝橡膠密封圈，與管節(jié)粘附牢固、避免平順；管道接口安裝膨脹止水帶，后期用聚合物防水砂漿處理。

4.3.10 管道注漿

由于頂進鋼筋混凝土管壁四周土層有松動，管壁與土層間有空隙，確保頂進管道上方不沉陷，管節(jié)不滲水，在管道全線頂進后由管內(nèi)開孔對已經(jīng)頂進施工完成的管道進行管背分段注漿。注漿孔直徑為3.5cm，間距1m，每組2個注漿孔夾角120°，每6m～10m一排。

注漿材料選用普通水泥漿，水灰比0.5，注漿壓力0.4MPa～0.8MPa，控制壓漿量及壓漿壓力，待下一壓漿孔中出現(xiàn)壓漿液并且壓漿壓力不小于0.6MPa時，每孔穩(wěn)壓時間不得小于2min，及時關(guān)閉壓漿孔上控制閥，進行下一個孔壓漿。

壓漿孔上均設(shè)管螺紋、管箍及絲堵，注漿結(jié)束用配套絲堵封閉注漿孔，并用砂漿修補平整將制作好的壓漿管頭預(yù)先擰緊插入管道上[4]。

5 施工質(zhì)量安全控制

5.1 施工準備

(1)收集施工區(qū)相關(guān)資料并進行現(xiàn)場調(diào)查，清理地下管線位置和走向，避免施工時破壞。

(2)對工作井和接收井的場地進行硬化，外側(cè)設(shè)置混凝土臨時排水溝，將井口周圍地表水引排至既有排水系統(tǒng)。

(3)頂管施工建立地面和地下測量控制網(wǎng)，頂管施工測量前應(yīng)復(fù)核工作井內(nèi)的基準點，發(fā)生偏差時及時糾正。

(4)施工人員進行詳細安全培訓(xùn)和安全技術(shù)交底。

5.2 導(dǎo)軌安裝要求

(1)根據(jù)管道的設(shè)計軸線、高程、坡度和夾角鋪設(shè)導(dǎo)軌，兩軌道平行。

(2)導(dǎo)軌軌面光滑，減少管節(jié)前進時的阻力。

(3)井內(nèi)導(dǎo)軌安裝頂面高程、水平軸線、兩軌間距允許偏差符合規(guī)范要求，安裝穩(wěn)固。

(4)兩導(dǎo)軌強度和剛度能夠承受管節(jié)自重和其他附加荷載，滿足施工要求。

5.3 設(shè)備安裝要求

(1)主站油泵應(yīng)與千斤頂性能相匹配，布置在頂進工作井壁2m外，油管順直、轉(zhuǎn)角少。

(2)千斤頂數(shù)量為偶數(shù)，在管道兩側(cè)左右對稱設(shè)置，宜固定在反力架上，并與管道軸線平行，其合力中心應(yīng)低于管道中心。

(3)頂鐵與混凝土頂管之間應(yīng)加木墊圈，受壓面平整，相互平行，均勻傳遞頂力。

(4)頂進時，工作人員持續(xù)觀測頂進設(shè)備有無異?，F(xiàn)象，做好設(shè)備巡檢記錄。

5.4 吊裝要求

(1)使用前組織進行起重設(shè)備的門架、電氣連接、鋼絲繩、吊鉤、限位器等項目檢查，經(jīng)試運轉(zhuǎn)和安全檢查，合格后方可作業(yè)。

(2)現(xiàn)場人員遵守起重工作安全操作規(guī)程，禁止超負荷運行。

(3)起吊時嚴禁下方有人，當管節(jié)下井距導(dǎo)軌小于50cm時，操作人員才能近前穩(wěn)管頂進施工。

(4)作業(yè)時，工作井上、下保持通訊，專人監(jiān)護。

(5)禁止斜吊，并且盡量避免滿負荷運行，構(gòu)件擺動大，存在超負荷使用的安全事故隱患。

(6)施工設(shè)備、主要輔助設(shè)備應(yīng)定期檢查維修保養(yǎng)，對損壞部位做出鑒定，鋼絲繩綁扎方法應(yīng)規(guī)范牢靠。

(7)設(shè)置起重吊裝警戒區(qū)域，無關(guān)人員禁止入內(nèi)。

5.5 管節(jié)安裝要求

(1)下管前，對進場管節(jié)進行外觀質(zhì)量、尺寸偏差和混凝土強度檢查驗收。管端面平直、表面光潔、無縱向裂縫，檢驗合格后方可使用。

(2)下管前，現(xiàn)場負責人組織檢查起重設(shè)備的安全性能。下管工序配備專人指揮，嚴禁用手扶鋼絲繩。

(3)下管中工作井內(nèi)嚴禁站人，當管節(jié)接近作業(yè)面時，作業(yè)人員才能近前穩(wěn)管就位。管節(jié)落到導(dǎo)軌上，管節(jié)與導(dǎo)軌面密切接觸、滑動平穩(wěn)。

(4)管節(jié)吊裝前，進行安全防護設(shè)施的逐項檢查驗收，合格后方可進行吊裝。

5.6 通風用電要求

(1)施工過程中持續(xù)向頂管管道內(nèi)輸送新鮮空氣，并定時檢測管內(nèi)工作面空氣，做好氣體檢測記錄。

(2)挖土機具采用氣鎬，空氣壓縮機設(shè)置在工作井壁2m外，管線順直、穩(wěn)固。

(3)作業(yè)面照明采用12V低壓安全行燈或頭戴礦燈，燈具采用防水防爆燈具，并且?guī)Х雷o網(wǎng)罩。

5.7 頂進施工要求

(1)頂鐵在導(dǎo)軌上滑動平穩(wěn)，與管道軸線平行對稱，保證傳力均勻和受力穩(wěn)定。

(2)在頂進作業(yè)時，安排專人監(jiān)護，若發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，立即停止施工，檢查維修合格后才能再次作業(yè)。搬運材料、工具要穩(wěn)拿輕放，禁止高空拋物。注意主站油泵的壓力表指針的變化，防止發(fā)生意外[5]。

(3)挖土、出土、頂進的作業(yè)過程中嚴格監(jiān)控測量，信息化施工，保證開挖工作面的土體穩(wěn)定，不可超量出土，減少土體擾動和地層變形。

(4)根據(jù)不同水文、地質(zhì)情況，遵循隨挖土隨頂進，連續(xù)作業(yè)原則，以免塌方。

(5)管道接口橡膠密封圈安裝位置正確，無位移、扭曲，接口端部無頂裂、破損現(xiàn)象，保證接口處無滴漏水。

5.8 管道測量和糾偏

(1)頂進施工遵循“勤測量、勤糾偏、微糾偏”原則，嚴格控制頂進速度和方向，做好測量記錄。進、出工作井進入土層增加測量，每頂進30cm測量管道水平軸線和高程一次；正常頂進時每50cm測量一次。

(2)頂管產(chǎn)生偏差后，應(yīng)及時糾偏，根據(jù)偏差情況可采用挖土校正法、襯墊法、支撐法、支托法、千斤頂校正法進行處理。

6 結(jié)語

在不具備明挖條件的管網(wǎng)工程中采用非開挖管道施工技術(shù)，手掘式頂管施工優(yōu)勢相當明顯，通過施工過程中測量控制、管道變形監(jiān)測、地面沉降監(jiān)測等手段，能夠確保管道工程質(zhì)量和進度，可以為類似工程提供參考。