退管法在原水工程鋼頂管施工中的應(yīng)用

吳永華

（上海城建水務(wù)工程有限公司，上海市 200080）

0 引 言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快推進(jìn)，城鎮(zhèn)供水安全問(wèn)題逐步顯現(xiàn)，被稱作“生命水源工程”的原水工程，在全國(guó)各地加緊建設(shè)。原水工程管道敷設(shè)主要采用開(kāi)槽埋管和非開(kāi)挖埋管兩種施工工藝，目前在我國(guó)城市化進(jìn)程的城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，更多的是采用非開(kāi)挖埋管這一技術(shù)。頂管作為非開(kāi)挖施工中最常用的工藝之一，是原水工程管道敷設(shè)的主要施工工藝。

頂管施工中，不可避免的會(huì)出現(xiàn)設(shè)備故障、遇到障礙物等特殊情況，導(dǎo)致頂管機(jī)無(wú)法繼續(xù)頂進(jìn)敷設(shè)管道，原水管道無(wú)法順利貫通。以上海某原水工程鋼頂管區(qū)間穿越河道中途發(fā)生頂管機(jī)減速器損壞，主軸失去動(dòng)力，無(wú)法繼續(xù)頂進(jìn)的工況為例，采取退管法實(shí)現(xiàn)了管道貫通，并詳細(xì)闡述退管法在原水工程鋼頂管施工中的應(yīng)用。

1 工程概況

上海某原水工程鋼頂管區(qū)間為該工程2# 至1#段頂管區(qū)間，下穿大治河，管道采用DN1400 鋼管敷設(shè)，區(qū)間長(zhǎng)度363 m，其中穿越大治河段長(zhǎng)度約102 m，頂管平面圖如圖1 所示。頂管管道覆土9～16 m，穿越大治河時(shí)最淺覆土深度為9 m。1# 井、2# 井均采用地下連續(xù)墻作為基坑圍護(hù)，基坑深度分別為19.5 m、20.0 m。

圖1 頂管平面示意圖

2 頂管施工中設(shè)備故障及問(wèn)題分析

本段頂管區(qū)間穿越土層為淤泥質(zhì)黏土，在累計(jì)頂進(jìn)180 m 時(shí)，碰撞不明障礙物，頂管機(jī)電機(jī)瞬時(shí)過(guò)載后暫停施工，此時(shí)頂管機(jī)正處于大治河下方，如圖2所示。

圖2 頂管機(jī)位置示意圖

施工人員嘗試轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤時(shí)，減速器內(nèi)發(fā)出“咯噠咯噠”聲響，初步判定減速器內(nèi)齒輪間咬合不良，刀盤無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。施工人員拆卸減速器檢查問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)齒輪前端的軸承保持架，均發(fā)生不同程度的斷裂破壞，導(dǎo)致齒輪間無(wú)法正常咬合，主軸無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，頂管機(jī)主軸箱體結(jié)構(gòu)如圖3 所示，頂管機(jī)主軸總裝圖如圖4所示，軸承位置如圖4 中標(biāo)注⑨所示。該軸承安裝在頂管機(jī)胸板上，需從前側(cè)拆除維修，現(xiàn)頂管機(jī)位于大治河底部，現(xiàn)場(chǎng)不具備更換軸承的施工條件。因此，如何繼續(xù)實(shí)現(xiàn)管道貫通是本段頂管區(qū)間急需解決的難題。經(jīng)考慮實(shí)際工況，決定采用退管法，將已頂180 m管道全部拔出。

圖3 頂管機(jī)主軸箱體結(jié)構(gòu)

圖4 頂管機(jī)主軸總裝圖

3 方案論證和比選

頂管施工過(guò)程中發(fā)生設(shè)備故障，當(dāng)頂管機(jī)內(nèi)部不具備維修條件時(shí)，通常在故障發(fā)生點(diǎn)，新建一座臨時(shí)井，從接收井反頂一條新管線，在臨時(shí)井內(nèi)與故障管線對(duì)接，實(shí)現(xiàn)管道貫通，亦可從接收井新進(jìn)一臺(tái)頂管機(jī)，反頂至故障頂管機(jī)位置，采取地下對(duì)接工藝，實(shí)現(xiàn)管道貫通。而該頂管區(qū)間實(shí)際工況是頂管機(jī)已頂進(jìn)180 m，位于大治河底部，無(wú)法施做臨時(shí)井，亦無(wú)法確保安全地下對(duì)接。綜上所述，擬采用頂管退管法實(shí)現(xiàn)管道貫通。為此，共提出三種退管方案：方案一，在2# 井實(shí)施故障管線退管后，更換新的頂管機(jī)原位重新頂進(jìn)；方案二，在1# 井內(nèi)新進(jìn)一臺(tái)頂管機(jī)頂進(jìn)至故障管線位置后，同步頂退，1# 井退出一節(jié)管道、2# 井頂進(jìn)一節(jié)管道，直至貫通；方案三，在1# 井內(nèi)新進(jìn)一臺(tái)頂管機(jī)頂進(jìn)至故障管線位置后，同步頂退，2# 井退出一節(jié)管道、1# 井頂進(jìn)一節(jié)管道，直至貫通。三種退管方案比選見(jiàn)表1。

表1 三種退管方案比選

經(jīng)過(guò)以上三種方案的比選，綜合考慮技術(shù)難度、施工可行性后，確定退管方案三更符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，可作為本段頂管區(qū)間實(shí)現(xiàn)貫通的實(shí)施方案。

4 退管法實(shí)施及效果

4.1 施工流程

退管方案總體流程主要包含頂進(jìn)、同步頂退兩個(gè)階段，階段一在1# 井內(nèi)布井，新頂管機(jī)頂進(jìn)至故障頂管機(jī)，階段二在2# 井內(nèi)布置退管裝置，當(dāng)兩個(gè)頂管機(jī)對(duì)接后同步頂退，最終實(shí)現(xiàn)管道貫通，如圖5所示。

圖5 退管方案示意圖

4.2 施工準(zhǔn)備

4.2.1 新頂管機(jī)選型及保養(yǎng)

頂管口徑小、穿越淤泥質(zhì)黏土層，故選用與故障頂管機(jī)同型號(hào)的DN1200 泥水平衡頂管機(jī)，外徑1 440 mm，配備2 臺(tái)15 kW 電機(jī)，刀盤扭矩系數(shù)為31.3 kN·m，滿足頂進(jìn)動(dòng)力需要。新頂管機(jī)刀盤面板環(huán)向增設(shè)12 把鎢鋼切混凝土刀，保證全斷面具備清障功能，應(yīng)對(duì)不明障礙物。

為避免新頂管機(jī)再次發(fā)生設(shè)備故障，造成更為嚴(yán)重的工期、成本影響，新頂管機(jī)進(jìn)場(chǎng)前，在廠內(nèi)由專業(yè)機(jī)修工進(jìn)行全面的檢查、維修、保養(yǎng)，重點(diǎn)關(guān)注施工中不可維修部分，如刀盤刀具磨損、主軸轉(zhuǎn)動(dòng)異常、減速器故障、密封圈裂紋變形、潤(rùn)滑油脂滲漏污染等情況。

4.2.2 測(cè)量控制系統(tǒng)

不同于常規(guī)的工作井頂向接收井，故障頂管機(jī)位置與原設(shè)計(jì)軸線已發(fā)生偏離現(xiàn)象，新頂管機(jī)需精準(zhǔn)對(duì)接故障頂管機(jī)后，再根據(jù)接收洞門同步頂退。頂進(jìn)軸線和頂管機(jī)凈距控制非常困難，因此建立測(cè)量控制系統(tǒng)特別重要，出洞、碰接、頂退、進(jìn)洞各個(gè)環(huán)節(jié)測(cè)量的精準(zhǔn)度直接關(guān)系到頂管區(qū)間能否順利貫通。繪制故障管線實(shí)際線形，擬合出新頂管機(jī)頂進(jìn)軸線，因鋼頂管管節(jié)間剛性連接，糾偏較為困難，應(yīng)勤測(cè)勤糾指導(dǎo)頂進(jìn)參數(shù)修正，使偏離值不斷趨于0。同步頂退時(shí)，頂管機(jī)間凈距控制≤20 cm，一方面，凈距偏大會(huì)造成水土流失嚴(yán)重，另一方面，凈距偏小時(shí)兩個(gè)頂管機(jī)會(huì)發(fā)生磕碰、錯(cuò)位風(fēng)險(xiǎn)。

4.2.3 洞門止水系統(tǒng)

接收井需改造洞門止水，以滿足頂管出洞要求。U 形法蘭連接的雙道襪套止水，是目前廣泛應(yīng)用在埋深較深的頂管洞門的止水處理方式。

工作井需改造洞門止水滿足退管要求，故障管線長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)、觸變泥漿套失效導(dǎo)致背土效應(yīng)，退管中會(huì)造成橡膠板外翻止水失效、水土流失。故障管線停留在洞門內(nèi)，無(wú)法拆卸原單道止水板后進(jìn)行改裝。為避免隱患發(fā)生，在現(xiàn)有洞門外安裝DN1600 鋼管作為內(nèi)模，重新澆筑洞門，形成雙道鋼絲刷配合兩道橡膠板止水形式，如圖6 所示，同時(shí)洞門處設(shè)3 口降水井，減少水土壓力。鋼絲刷普遍應(yīng)用于盾構(gòu)施工止水中，止水效果好，安全系數(shù)高，在鋼頂管退管過(guò)程中可避免外翻現(xiàn)象。

圖6 工作井洞門改造示意圖

4.2.4 故障頂管機(jī)改造

故障頂管機(jī)前后殼體采用4 根50 t 糾偏油缸鉸接，頂進(jìn)過(guò)程中通過(guò)調(diào)整4 根油缸行程，達(dá)到糾偏目的。鉸接的連接形式，在頂管正常頂進(jìn)過(guò)程中，受正面水土壓力作用，前后殼體不會(huì)發(fā)生脫落。采用退管工藝時(shí)，頂管機(jī)前方變?yōu)橹鲃?dòng)土壓力，前后殼體會(huì)發(fā)生脫落，造成大量水土進(jìn)入管道。為保證前后殼體的有效連接，在頂管機(jī)環(huán)向設(shè)置8 塊20 mm 厚筋板進(jìn)行加固，使之由鉸接連接變?yōu)閯傂赃B接，并在退管過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)控筋板連接情況，避免發(fā)生脫落事故。

4.3 同步頂退關(guān)鍵技術(shù)

4.3.1 退管裝置

大量鋼筋混凝土管退管案例中，因管節(jié)大都是采用承插口形式的柔性接頭，退管多采用的是鋼絞線連接故障頂管機(jī)進(jìn)行退管的方式，而本工程鋼頂管管節(jié)采用焊接形式的剛性連接，不會(huì)發(fā)生類似脫落事故，因此在退管井內(nèi)洞門位置布置退管裝置，如圖7 所示，在鋼管上設(shè)置牛角，借助2 根200 t 油缸提供推力，將故障管線所有管節(jié)逐節(jié)退出到井內(nèi)，最終完成退管施工任務(wù)。

圖7 退管裝置示意圖

4.3.2 退管前搖管

故障頂管機(jī)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)產(chǎn)生背土效應(yīng)，開(kāi)始退管前利用退管油缸和原頂進(jìn)油缸來(lái)回?fù)u管，并同步向管壁外注膨潤(rùn)土泥漿，當(dāng)摩阻力系數(shù)f≤3.5 kN/m2后，停止搖管，開(kāi)始退管施工，根據(jù)上海市工程建設(shè)規(guī)范《頂管工程施工規(guī)程》（DG/TJ08-2049—2016）中頂管總頂力公式，計(jì)算出此時(shí)退管力F=2 850 kN，即退管力逐步減少到2 850 kN 時(shí)停止搖管施工。

4.3.3 故障頂管機(jī)姿態(tài)控制

退管是利用退管油缸將管節(jié)退至井內(nèi)，過(guò)程中故障頂管機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)，無(wú)法依靠糾偏系統(tǒng)進(jìn)行軸線控制，會(huì)發(fā)生水平、豎向偏移。當(dāng)發(fā)生水平偏移后，通過(guò)調(diào)整2 個(gè)退管油缸的行程差，緩慢糾偏。當(dāng)發(fā)生豎向偏移后，在故障頂管機(jī)正上、下方各開(kāi)設(shè)1個(gè)2 寸孔并安裝球閥，頂管機(jī)上漂時(shí)，從上方孔壓入厚漿，輔以下方孔放土進(jìn)行糾偏；頂管機(jī)磕頭時(shí)，從下方孔壓入厚漿，輔以上方孔放土進(jìn)行糾偏。應(yīng)增加頂管機(jī)姿態(tài)監(jiān)測(cè)頻率，勤糾緩糾，嚴(yán)禁急糾，造成軸線失控、摩阻力劇增等事故。

4.3.4 同步頂退控制

同步頂退時(shí)，新頂管機(jī)與故障頂管機(jī)間凈距控制≤20 cm，頂進(jìn)和退管兩套控制系統(tǒng)應(yīng)同步聯(lián)動(dòng)，同時(shí)頂退，協(xié)調(diào)一致。安排兩組專業(yè)技術(shù)人員，實(shí)時(shí)溝通頂進(jìn)參數(shù)，保證聯(lián)動(dòng)機(jī)制，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)開(kāi)頂時(shí)間、終頂時(shí)間、頂進(jìn)速度、頂進(jìn)距離和退管距離等，避免頂管機(jī)凈距過(guò)小引起的磕碰事故或頂管機(jī)凈距過(guò)大引起的坍塌事故。如此反復(fù)逐節(jié)退出所有管節(jié)、同步頂進(jìn)新的管節(jié)。

4.3.5 填充泥漿施工

退管填充泥漿，可避免退管過(guò)程中引起的水土流失、地面坍塌事故，借助原泥漿循環(huán)系統(tǒng)的進(jìn)泥管，根據(jù)泥水壓力表數(shù)值，適時(shí)向頂管機(jī)前方補(bǔ)充泥漿，達(dá)到水土壓力平衡的目的。根據(jù)土層特性，選用黏度大、失水量小的優(yōu)質(zhì)泥漿，確保退管過(guò)程中泥水平衡面穩(wěn)定，泥漿坍落度控制在180～220 mm，黏度控制在22～26 s，由注漿泵注入到進(jìn)泥管中。

4.3.6 貫通應(yīng)急預(yù)案

當(dāng)退管完成退出故障頂管機(jī)后，新頂管機(jī)與洞門仍有近20 cm 的距離，此時(shí)洞門處于敞開(kāi)狀態(tài)，洞門止水失效，受地下水侵?jǐn)_，易發(fā)生滲水、管涌、流土的現(xiàn)象，搶護(hù)不及時(shí)將引起大量水土流失，造成漏洞險(xiǎn)情。險(xiǎn)情發(fā)生后，應(yīng)立即啟動(dòng)貫通應(yīng)急預(yù)案：水下進(jìn)洞法，向井內(nèi)回灌水平衡基坑內(nèi)外水頭。新頂管機(jī)進(jìn)入洞門后，潛水員水下探摸涌水涌砂情況，用高壓水槍將洞口沖刷干凈，并預(yù)制月牙形鋼板，采用水下焊接工藝，將鋼管和井壁套筒間隙焊接封閉。封閉完成后從地面打設(shè)注漿管，在管道外側(cè)注雙液漿，漿液固化3 d 后，抽水拆除頂管機(jī)。

4.4 實(shí)施效果

頂進(jìn)階段同常規(guī)頂管施工，在同步頂退階段，兩頂管機(jī)凈距控制與地表沉降關(guān)系密切，發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩頂管機(jī)凈距30～50 cm 時(shí)，地表發(fā)生1～2 cm 不均勻沉降，當(dāng)兩頂管機(jī)凈距10～20 cm 時(shí)，地表沉降保持在1 cm 以內(nèi)，佐證前述頂管機(jī)凈距20 cm 的合理性。頂進(jìn)耗時(shí)6 d，同步頂退耗時(shí)8 d，順利解決管道無(wú)法貫通的難題。

5 結(jié) 語(yǔ)

區(qū)別于鋼筋混凝土管頂管，原水工程鋼頂管管節(jié)剛性連接，更便于退管法的實(shí)施，結(jié)合某原水工程鋼頂管設(shè)備故障無(wú)法貫通的工況為例，優(yōu)化退管方案，創(chuàng)新提出同步頂退工藝，通過(guò)適時(shí)填充泥漿減少水土流失、故障頂管機(jī)開(kāi)孔注厚漿輔助糾偏、合理控制頂管機(jī)凈距20 cm、利用原油缸主動(dòng)止退、洞門止水改裝及制定針對(duì)性的貫通應(yīng)急預(yù)案等一系列措施，成功完成管道貫通任務(wù)，具有工期短、成本低、影響小的特點(diǎn)，為今后類似原水工程鋼頂管施工提供一些可參考的措施。