泥水平衡頂管技術(shù)在市政排水管道施工中應(yīng)用研究

摘要：闡述了頂管施工工作井布置、管材與施工設(shè)備選擇、軸線測(cè)量與洞口止水圈設(shè)置、管節(jié)頂進(jìn)與糾偏等方面，開(kāi)展泥水平衡頂管技術(shù)在市政排水管道施工中的應(yīng)用研究，并將研究結(jié)果應(yīng)用于某城市道路改造工程中的市政排水管道頂管工程施工當(dāng)中，經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均在允許偏差值范圍之內(nèi)，達(dá)到了預(yù)期質(zhì)量目標(biāo)，保障了該工程的施工質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：泥水平衡；頂管工程；市政排水；施工技術(shù)

0 引言

城市當(dāng)中的市政排水管道主要承擔(dān)著市區(qū)內(nèi)污水的輸送，對(duì)所在城市區(qū)域的污水收集和處理有著至關(guān)重要的作用。城市居民的居住越來(lái)越密集，城市排水管道承擔(dān)的排水量也越來(lái)越大。有些排水管道建設(shè)年代久遠(yuǎn)，部分管段出現(xiàn)嚴(yán)重缺陷，造成管道傳輸效率降低，導(dǎo)致內(nèi)河水質(zhì)不能達(dá)標(biāo)[1]。

一旦排水管道出現(xiàn)滲漏、破裂、障礙物、變形等問(wèn)題，管道及其周?chē)ㄖ济媾R著地表沉降風(fēng)險(xiǎn)，管道污水也會(huì)外溢地下水系。針對(duì)城市排水管道存在的問(wèn)題，各級(jí)管理部門(mén)的重視程度逐漸加深，要求盡快解決排水管道修復(fù)以及污水輸送等問(wèn)題[2]。本文結(jié)合泥水平衡頂管技術(shù)，開(kāi)展對(duì)市政排水管道施工的應(yīng)用研究。

1 泥水平衡排水管道頂管施工關(guān)鍵技術(shù)

1.1 頂管工作井布置

在頂管施工過(guò)程中，工作井與接收井分別采用鋼筋混凝土沉井、鋼板井、鉆孔灌注樁襯砌井等結(jié)構(gòu)。按照勘察報(bào)告中所列的具體地質(zhì)情況，對(duì)其進(jìn)行選型、設(shè)計(jì)、校核。在設(shè)計(jì)工作井的同時(shí)，需要綜合考慮其具體結(jié)構(gòu)和幾何尺寸[3]。

工作井的布置可分成兩部分，一個(gè)是地面布置，另一個(gè)是井內(nèi)布置。地面布置主要包括布置起重、供電、供水、供漿、液壓等設(shè)備，并配備泥漿沉淀池、布設(shè)監(jiān)控點(diǎn)和地面軸線等。井內(nèi)布置主要包括頂管掘進(jìn)機(jī)、工具管、U型頂鐵、主頂裝置、后背墻、各種管線等。在施工過(guò)程中，要注意工作井位、導(dǎo)軌布置、孔口閉合、后坐墻、主頂筒、頂進(jìn)設(shè)備等方面的問(wèn)題[4]。排水管道頂管施工工作井立面布置示意如圖1所示。圖1工作井中，頂管洞口的直徑尺寸需根據(jù)實(shí)際管徑進(jìn)行調(diào)整。

1.2 管材的選擇

市政排水工程施工中所需管材，選擇既能抵抗管內(nèi)、外腐蝕，又能承受一定靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷的管子。根據(jù)《混凝土和鋼筋混凝土頂管》（GBT 11836—2009）規(guī)定和設(shè)計(jì)需要，可以選擇強(qiáng)度為C50的預(yù)制鋼筋混凝土柔性接頭鋼承口管子。所選管子需保證接口抗?jié)B強(qiáng)度達(dá)到0.5MPa，最大軸向抗壓強(qiáng)度應(yīng)超過(guò)50MPa。管材總頂力可按下列公式計(jì)算：

P=?γD1[2h+tan2（45κ/2）+ω/gD1]+PF （1）

式中：P為管材總頂力，?為頂進(jìn)時(shí)管壁與周邊土壤間的摩擦力，γ為管材所處位置周?chē)馏w的密度，D1為管道的外直徑，h為管材頂部上方覆蓋的土層厚度，κ為管口附近土壤的內(nèi)摩擦角，ω為管材單位長(zhǎng)度自重，PF為頂進(jìn)過(guò)程中工具管迎面阻力。

1.3 頂管掘進(jìn)機(jī)的選擇

在完成對(duì)管材的選擇后，結(jié)合市政排水管線工程施工所需，經(jīng)比較選用DT系列泥漿壓力平衡頂管掘進(jìn)機(jī)。采用該型頂管掘進(jìn)機(jī)，可以晝夜不停地進(jìn)行頂管掘進(jìn)施工，可使路面的沉降值不超過(guò)20mm，確保路面的穩(wěn)定性和安全性[5]。頂管成套設(shè)備包括：掘進(jìn)主機(jī)、主頂裝置、泥漿輸送系統(tǒng)、灌漿系統(tǒng)、泥漿和水處理設(shè)備等。

該型頂管掘進(jìn)機(jī)具備良好的雙平衡性能，可及時(shí)糾偏，可有效防止地面沉陷，適用范圍廣，頂進(jìn)距離長(zhǎng)，工作環(huán)境優(yōu)越，掘進(jìn)速度快，施工精度高。將該型頂管掘進(jìn)機(jī)應(yīng)用到排水管道工程施工中，可以提高其施工質(zhì)量。

1.4 軸線測(cè)量與洞口止水圈設(shè)置

1.4.1 管道軸線測(cè)量

在該排水管道頂進(jìn)施工之前，按照設(shè)計(jì)圖、使用全站儀對(duì)該排水管道位置進(jìn)行標(biāo)定，并將標(biāo)定點(diǎn)位作為施工控制點(diǎn)。在施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)立臨時(shí)高程標(biāo)記并加以保護(hù)，時(shí)常對(duì)其進(jìn)行檢查，使其測(cè)量和放線精度達(dá)到規(guī)范要求。

導(dǎo)向器是在工作井底板上設(shè)置的一條導(dǎo)軌，在進(jìn)行頂鉆之前，將管節(jié)置于導(dǎo)向器上。在管節(jié)頂入洞口之前，導(dǎo)向器起到了引導(dǎo)作用，確保管節(jié)按照設(shè)計(jì)高度、斜率向前推進(jìn)[6]。在安裝導(dǎo)向器之前，應(yīng)先仔細(xì)檢查管線的中軸位置，并在施工期間時(shí)常核對(duì)。

1.4.2 洞口止水圈設(shè)置

在泥漿平衡頂管的施工過(guò)程中，洞口止水是關(guān)鍵問(wèn)題。泥漿平衡式上水管與洞口之間存在一定空隙，必須堵塞該空隙。如果密封不牢固，將導(dǎo)致洞口的水、沙從縫隙中流出，從而影響工程的進(jìn)展，甚至有可能導(dǎo)致洞頂坍塌。為此，必須在洞口設(shè)置止水圈，并在洞口周?chē)A(yù)埋4根注漿管。當(dāng)洞口出現(xiàn)泄漏時(shí)，預(yù)埋的注漿管可向洞口周?chē)鷫喝腚p液漿或聚胺脂，以達(dá)到止水作用。

1.5 管節(jié)頂進(jìn)與糾偏

1.5.1 控制管節(jié)頂進(jìn)壓力

在頂管施工過(guò)程中，管節(jié)頂進(jìn)和糾偏是控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在頂進(jìn)施工之前，根據(jù)覆蓋土的深度、土壤的性質(zhì)、工具管外徑和頂進(jìn)長(zhǎng)度等因素，計(jì)算出頂管掘進(jìn)機(jī)承受的理論上的土壓力、摩擦阻力和頂進(jìn)壓力，并以此依據(jù)進(jìn)行頂進(jìn)操作。在頂進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)實(shí)際頂進(jìn)壓力值與理論計(jì)算壓力值相差較大時(shí)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行分析。

泥漿平衡控制器有手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種。通過(guò)人為干預(yù)，可以使實(shí)際頂進(jìn)土壓力的變化幅度減小，從而達(dá)到控制地面沉陷的目的。在頂進(jìn)全過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)上覆土層和地層條件，適時(shí)調(diào)節(jié)頂管壓力，使頂管能夠順利地完成。當(dāng)一根管節(jié)頂完后，將主頂液壓缸收回，將孔口的管道拆除，將另一段管節(jié)吊起，再將洞口的管道與洞口的管道相連，再次進(jìn)行頂進(jìn)。

1.5.2 處理管節(jié)連接面

在頂管過(guò)程中，管節(jié)連接面的處理十分重要，必須對(duì)其連接面上的各個(gè)部位進(jìn)行仔細(xì)地檢查。在施工之前，要對(duì)成品混凝土管，鋼套環(huán)，橡膠止水環(huán)，墊片等進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗(yàn)。要按設(shè)計(jì)要求做好鋼套環(huán)的防腐處理。

在管節(jié)連接之前，應(yīng)該在其滑動(dòng)表面上均勻地涂上一層不會(huì)腐蝕橡膠的硅油等潤(rùn)滑材料，以降低連接部位的摩擦阻力，不允許使用其它油脂和肥皂水等潤(rùn)滑劑。在插入連接部位過(guò)程中，必須平衡各個(gè)受力點(diǎn)位，橡膠環(huán)不能移動(dòng)、不能倒置、不能裸露在管節(jié)連接部位的外面，否則要重新插入。頂管連接完畢后，應(yīng)在其內(nèi)部管壁之間的縫隙中涂上一層橡膠密封膠。

1.5.3 糾正管節(jié)頂進(jìn)偏差

在管節(jié)頂進(jìn)過(guò)程中，需要進(jìn)行一次有效糾偏，這是整個(gè)施工流程中一個(gè)必要的環(huán)節(jié)。按照管節(jié)糾偏方案，在測(cè)量的基礎(chǔ)上，既要對(duì)偏差進(jìn)行合理糾正，又不能操之過(guò)急。為了把握頂管推進(jìn)的總體趨勢(shì)，從上、下、左、右四個(gè)方向的糾偏應(yīng)循序漸進(jìn)。若急于求成，則極有可能造成軸心偏離。若管節(jié)折彎過(guò)大，則會(huì)減少管節(jié)之間的接觸截面，增加管節(jié)間的受力，使管節(jié)末端容易受到擠壓而產(chǎn)生裂紋。糾正方法為在頂進(jìn)過(guò)程中糾正，并采取小角度漸進(jìn)糾偏方法。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

該道路交通擁擠，路面狀況欠佳，且該道路地下排水管道老舊、其排水量不能滿(mǎn)足排水需要。為了改善該道路交通狀況、滿(mǎn)足該城市交通量增加對(duì)道路通行的需求和滿(mǎn)足排水管道的排水需要，有關(guān)方面決定對(duì)該道路進(jìn)行改造，同時(shí)完成對(duì)該道路下方排水管道的更新。

該道路K5+230～K6+150縱向排水管線長(zhǎng)度為920m，管頂沿線覆蓋土體厚度在3.26m～7.23m范圍內(nèi)，采用規(guī)格為DN850mm柔性接頭鋼承口頂管管節(jié)。橫向排水管線長(zhǎng)度為623m，管頂沿線覆蓋土體厚度在3.21m～8.23m范圍內(nèi)，采用規(guī)格為DN650mm柔性接頭鋼承口頂管管節(jié)。

2.2 應(yīng)用效果

結(jié)合該區(qū)域地下土層和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，決定采用本文所述泥水平衡排水管道頂管施工技術(shù)進(jìn)行該排水工程施工，并對(duì)施工方案實(shí)施后的效果進(jìn)行分析。將施工后頂管管道的偏差作為評(píng)價(jià)施工方案應(yīng)用效果的指標(biāo)，若施工后管道頂管偏差能夠控制在允許范圍內(nèi)，則說(shuō)明該施工方案可行；若管道偏差不在規(guī)定要求的允許范圍內(nèi)，則說(shuō)明該方案不可行。

采用頂管誤差測(cè)量?jī)x器進(jìn)行測(cè)定，所選擇的測(cè)量?jī)x器精度可將測(cè)量偏差控制在±0.01mm范圍之內(nèi)。在該管道頂管工程施工過(guò)程中，測(cè)量并記錄了頂管管道偏差值。該市政排水工程頂管管道檢測(cè)偏差值如表1所示。

2.3 應(yīng)用效果分析

由表1 可知，該頂管工程4項(xiàng)實(shí)際偏差值均在允許偏差值范圍之內(nèi)，說(shuō)明采用本文所述泥水平衡頂管技術(shù)進(jìn)行該排水工程施工，其頂管管道的各項(xiàng)偏差控制良好。由此說(shuō)明，采用本文所述泥水平衡頂管技術(shù)具有可行性，能夠有效改善施工質(zhì)量，使排水管道施工質(zhì)量達(dá)到了預(yù)期目的。

3 結(jié)束語(yǔ)

將本文所述泥水平衡頂管技術(shù)應(yīng)用到了市政排水管道施工當(dāng)中，通過(guò)工程實(shí)例驗(yàn)證了該項(xiàng)技術(shù)的可行性。在實(shí)際管道施工中，要結(jié)合工程項(xiàng)目的特點(diǎn)以及施工需要，不斷優(yōu)化具體施工方案，控制頂管過(guò)程中的關(guān)鍵工序、關(guān)鍵部位的施工質(zhì)量，使頂管工程能夠更加安全有序地開(kāi)展，為頂管工程施工提供更有利的質(zhì)量保障。

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