城市密集區(qū)長距離小直徑管道螺旋頂進施工技術(shù)研究與應(yīng)用

鄭彬

北京城建集團有限責任公司 北京 100089

1 概述

天通苑地區(qū)雨污合流管網(wǎng)改造工程是為落實北京市人民政府辦公廳關(guān)于《優(yōu)化提升回龍觀天通苑地區(qū)公共服務(wù)和基礎(chǔ)設(shè)施三年行動計劃（2018～2020年）》建設(shè)項目，工程分批啟動進行，其中一期工程總長度3.6km，其中雨水1.4km，污水2.2km，污水管線管徑400-600mm，部分管段采用螺旋鉆微型頂管施工。

螺旋鉆微型頂管是通過激光定向系統(tǒng)導向，將導向桿鉆進，使用擴孔鉆頭、出土螺旋、工具套管進行擴孔，同時排出土屑，再逐節(jié)替換工具管，鋪設(shè)管道。具有管道頂進精度高、對周圍土體擾動小，不產(chǎn)生泥漿、易操作等顯著優(yōu)點。但目前還處于不斷發(fā)展階段，其存在部分局限性，主要在于：①受目前設(shè)備動力系統(tǒng)及導向系統(tǒng)限制，頂進長度一般不超過50m；②需24小時連續(xù)施工，否則有管道抱死風險[1]。

因項目施工管線位于天通苑小區(qū)內(nèi)部，無法24小時連續(xù)作業(yè)施工，且最長頂距達到78.4m。常規(guī)螺旋鉆頂管施工工藝無法滿足施工要求。

本論文依托于項目的特殊性，進行總結(jié)、創(chuàng)新，克服了城市密集區(qū)無法連續(xù)作業(yè)以及長距離頂進的難題，研究出長距離、強動力、高精度又便于施工（防抱死）的螺旋鉆微型頂管施工技術(shù)，為工程項目的實施提供可借鑒的經(jīng)驗。

2 主要研究技術(shù)創(chuàng)新點和關(guān)鍵點

2.1 總述

本論文從動力、精度、間歇防抱死措施等3個方面進行研究，研究出3項創(chuàng)新技術(shù)：1）螺旋鉆頂管導向系統(tǒng)遠距離高精度控制技術(shù)；2）螺旋鉆頂管砂礫石地層強動力系統(tǒng)長距離連續(xù)頂進技術(shù)；3）螺旋鉆頂管頂進間歇期注漿減阻防抱死施工技術(shù)等三項技術(shù)，克服城市密集區(qū)無法連續(xù)作業(yè)以及長距離頂進的困難，完成施工任務(wù)。

2.2 詳細概述

（1）螺旋鉆頂管導向系統(tǒng)遠距離高精度控制技術(shù)

常規(guī)導向系統(tǒng)采用在井下布置經(jīng)緯儀，肉眼觀測導向桿前端靶標，來控制導向精度，但憑肉眼很難在50米之后通過經(jīng)緯儀清晰觀測到光靶的位置。

為解決長距離的頂進需要，對經(jīng)緯儀進行了改進，在經(jīng)緯儀的目鏡上安裝了定制高清變焦攝像機及外接顯示器，拍攝的影像送至操作臺顯示器，并通過顯示器觸摸屏調(diào)整焦距，達到在遠距離清晰觀測導向鉆頭內(nèi)部LED光靶指示燈的實時指向位置，判斷導向鉆頭的方向偏離情況，該升級能保證經(jīng)緯儀清晰觀測距離100m外的LED光靶指示燈位置，高精度控制導向精度。

（2）螺旋鉆頂管砂礫石地層強動力系統(tǒng)長距離連續(xù)頂進技術(shù)

目前常規(guī)螺旋鉆微型頂管的設(shè)備頂力最大的為100t，扭矩最大的為22000Nm?？蛇m用最大頂距為50m（粉質(zhì)黏土地層可達到50m，砂礫層、硬黏土層約40m），如果超出這個距離范圍，或遇到砂礫、硬質(zhì)黏土地層則不滿足動力要求。

本項目最大頂進距離78.4m，且為含砂礫石地層，從長度及地層兩個方面都對設(shè)備動力系統(tǒng)提高了很大難度，根據(jù)頂力計算，所需頂力約110t。

針對上述需求，對設(shè)備動力系統(tǒng)進行特殊改進，包括液壓泵、油路、千斤頂、減速箱、動力單元等，主要加大液壓油缸容量，選用結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定耐用、功率突出的柱塞液壓泵，增加液壓傳輸效率，使新設(shè)備頂力提升；更換高功率緊湊型馬達、調(diào)整減速箱齒輪齒比，在不增加體積的情況下使扭矩提升。改進后設(shè)備頂力達到130t，扭矩達到32000Nm，滿足長距離頂進的需求。

表1 設(shè)備改進參數(shù)對比表

（3）螺旋鉆頂管頂進間歇期注漿減阻防抱死施工技術(shù)

常規(guī)螺旋鉆微型頂管施工需24小時連續(xù)施工，否則有管道抱死風險。但本項目緊鄰住宅區(qū)，人員密集，不具備夜間施工條件，頂管不能連續(xù)施工，需停止12小時或以上，易造成頂管上方覆土下沉帶來的壓力過大，以及覆土滲入套管管縫中造成阻力過大的現(xiàn)象，導致管道發(fā)生抱死情況。

為克服這種不利條件，設(shè)置泥漿潤滑系統(tǒng)，改系統(tǒng)由壓縮泵和沿軸向固定在鋼管外表面的3根小直徑(25.4mm)鋼管或HDPE管組成。根據(jù)不同地層，設(shè)置不同泥漿參數(shù)，具體如下表：

表2 泥漿參數(shù)表

在鋪管過程中，尤其是在間歇性停工后，首先進行試頂進，實時關(guān)注頂力及扭力變化，當頂力或扭矩達到峰值70%時，開始同步注入膨潤土泥漿，以潤滑鋼管外壁，在套管管壁與覆土間形成漿膜，減小管外壁與土層之間的摩擦力，滿足間歇性施工要求。

3 技術(shù)方案

3.1 設(shè)備構(gòu)成

（1）測量儀器：水準儀、經(jīng)緯儀、塔尺、三腳架、棱鏡桿。

（2）導向系統(tǒng)：高清變焦攝像機、電源、外接顯示屏、連接線（延長線）。

（3）頂管機、泵站、機臺、油管、相應(yīng)配套的頂盤、頂鐵、靠背、頂架等。

3.2 施工流程

豎井施工→測量放線→頂管機安裝及調(diào)試→導向系統(tǒng)安裝→先導管頂進→出土外管頂進→鋼筋混凝土管頂進→設(shè)備拆除。

3.3 豎井施工

本工程始發(fā)井尺寸5*4m、接收井及反挖井尺寸3*3m，均采用倒掛井壁結(jié)構(gòu)形式。

3.4 測量放線

根據(jù)測量控制點布置整個工程的控制網(wǎng)，在井周圍布設(shè)一個高精度的控制點，用以測放、檢查和修正工作井井區(qū)和井下的測量點，如軸線點、井下的測量起始點和后視點等。

3.5 頂管機安裝及調(diào)試

(1)后背安裝

后背結(jié)構(gòu)為混凝土加鋼后背形式。厚度為0.2m，高度2m，寬度2m。在后背墻前垂直地面放置鋼后背，鋼后背與后背墻之間的空隙以C20素混凝土澆灌填充。

(2)后背墻反力核算

R=KB(H2Kp/2+2CKp +hHKp)

式中：R：總推力之反力（KN）；

K：系數(shù)（取1.5～2.5之間），取2.0；

B：后座墻的寬度，取3m；

H：后座墻的高度（m），取2m；

C：土的粘聚力，取32KPa；

Kp：被動土壓力系數(shù)，KP =tg2（45°+11°/2）=1.47；

h：地面到后座墻頂部土體的高度，取5.5m；

代入得：R=KB(H2Kp/2+2CHKp+hHKp)=2460.78KN；

R/P=2460.78/1077.02≈2.28，受力符合要求。

(3)頂架安裝

軸線施放完成后，先從井上控制點高程減去流水面的高程，計算出高差，在流水面往上1米的位置做好標記，以方便測量，流水面加上管的半徑為中心點，用中心點測量到坑底的數(shù)值減去機架的高度，計算出所需要的墊的高度，安裝機架時按照此標準安平機架。

(4)主頂機安裝

將主頂機架吊入井內(nèi)，沿軸線平行位置，并按坡度調(diào)整，安裝到已調(diào)平的機架上，并調(diào)至水平。利用經(jīng)緯儀調(diào)好頂進坡度，使誤差控制在1mm范圍內(nèi)。

(5)連接油管及電纜安裝

按照設(shè)備接口安裝油管及電纜。安裝油管時需注意：油管需要安裝在不影響機臺運轉(zhuǎn)的方向，用軟質(zhì)材料包裹油管與堅硬物接觸的部位，防止連續(xù)震動損壞油管；保持接油管接頭清潔并連接穩(wěn)固，連接不穩(wěn)固容易損壞設(shè)備。

3.6 導向系統(tǒng)安裝

利用加密導線點通過聯(lián)系測量放出工作坑內(nèi)管線中心線以及高程，在中心點線上安放激光經(jīng)緯儀，調(diào)整激光經(jīng)緯儀坡度，使激光經(jīng)緯儀按照設(shè)計坡度投影至先導管上。

經(jīng)緯儀安裝完成后，安裝定制高清變焦攝像機，在安裝過程中要注意經(jīng)緯儀的角度變化，攝像機要連接牢固，隨后連接外接顯示器，用燈光輔助尋找經(jīng)緯儀十字中心，找到后在屏幕上做好標記點。導向系統(tǒng)安裝完成后，開始安裝導向頭光靶，斜掌上方為12點方向，光靶安裝時按照長燈朝12點的方向為原則。

圖1 導向系統(tǒng)示意圖

3.7 先導管頂進

導向系統(tǒng)安裝完畢取下洞口封堵，推進導向鉆頭進入土體，先導管采用D=104mm雙臂中空鉆桿，每段長度1m～1.5m，按設(shè)計坡度進行頂進，頂管機頂進一節(jié)先導管后回縮，安裝下一節(jié)先導管，直至先導管到達接收坑[2]。

通過連接在經(jīng)緯儀上的高清變焦攝像機，拍攝的影像送至操作臺顯示器，查看屏幕上的標記點是否在光靶中心，判斷導向頭的方向偏離情況。通過調(diào)整導向鏟頭轉(zhuǎn)動方向改變導向方向，導向鉆頭頂進時，要堅持勤調(diào)整原則，避免因偏差過大，導致以后糾偏困難，并做好資料記錄。

圖2 先導管頂進示意圖

3.8 出土外管頂進

導向完成后，將前端裝有擴孔鉆頭的螺旋絞龍以及起到支撐作用的出土外管與最后一節(jié)導向桿連接，出土外管采用與新建管線管徑一致的鋼管，每節(jié)出土螺旋刀盤與出土外管長度1.0-1.5m。

啟動主頂機通過液壓馬達帶動螺旋鉆頭，使螺旋鉆頭轉(zhuǎn)動切削土體，螺旋葉片將切削的土體向后輸送出來，出土外管形成頂管預通道，使切削的土體能夠順利排出。第一節(jié)出土外管頂進完成后，預留接頭，安裝下一根螺旋刀盤及出土外管，向前頂進主油缸的同時回抽超前缸，使兩個出土外管間頂進嚴實，隨后對兩個出土外管的接縫進行焊接。依次按照上述步驟頂進，直至頂進完成[3]。

圖3 出土頂進示意圖

3.9 鋼筋混凝土管頂進

螺旋刀盤與出土外管距離接收坑剩余1-2m時，在工作坑安裝轉(zhuǎn)換節(jié)，轉(zhuǎn)換節(jié)一端與出土外管連接，一端與混凝土管承插連接，然后頂進，水泥管在工作井每頂進一節(jié)，出土外管在接收井拆卸回收一節(jié)，依次循環(huán)，直到機頭進入接收坑內(nèi)，完成整個頂管施工。

圖4 鋼筋混凝土管頂進示意圖

3.10 設(shè)備拆除

先導管到達接受井后，工作井安裝螺旋刀盤與出土外管，螺旋刀盤與出土外管每頂進一節(jié)，先導管在接收井處拆卸回收一節(jié)，依次循環(huán)，直至螺旋刀盤與出土外管到達工作井，隨后將所有設(shè)備依次拆除。

4 結(jié)束語

目前，城區(qū)內(nèi)排水管道建設(shè)，因受限于現(xiàn)況條件影響，基本不具備明開槽施工條件，故需采用頂管等非開挖施工方式完成施工，目前行業(yè)內(nèi)大管徑頂管施工技術(shù)已日益成熟，但對于400-600mm管徑的微型頂管施工，因相比于大管徑頂管，對設(shè)備及操作要求高出很多，且實際施工過程中存在許多制約條件，目前還處于不斷探索、發(fā)展階段。

螺旋鉆微型頂管具有管道頂進精度高、對周圍土體擾動小，不產(chǎn)生泥漿、易操作等顯著優(yōu)點。可以滿足新建管道大部分施工需求，但常規(guī)螺旋鉆施工技術(shù)，還存在部分局限性，主要在于施工長度、進度、連續(xù)性等。

本論文在常規(guī)的螺旋鉆微型頂管的基礎(chǔ)上進行科技創(chuàng)新，研發(fā)了螺旋鉆頂管導向系統(tǒng)遠距離高精度控制技術(shù)；螺旋鉆頂管砂礫石地層強動力系統(tǒng)長距離連續(xù)頂進技術(shù)；螺旋鉆頂管頂進間歇期注漿減阻防抱死施工技術(shù)等三項技術(shù)，克服城市密集區(qū)無法連續(xù)作業(yè)以及長距離頂進的困難，完成施工任務(wù)，有效的解決了城市密集區(qū)、長距離螺旋鉆微型頂管的關(guān)鍵施工技術(shù)難題。同時也標志著在城市密集區(qū)、長距離、小直徑螺旋鉆微型頂管技術(shù)上的新突破，在很大程度上促進了該領(lǐng)域施工技術(shù)的優(yōu)化升級，極大地推動了技術(shù)生產(chǎn)的進步，為今后類似施工提供了寶貴的經(jīng)驗。