復雜地質條件下長距離頂管施工技術探討

李明華

(中國中鐵四局集團有限公司 市政工程分公司，湖北 襄樊 441000)

1 工程概況

蚌埠第二污水處理廠是國家淮河環境治理項目的一項重要工程，該工程將蚌埠主城區污水全部收集進廠處理，廠外污水主管網需穿越津浦鐵路專用線至污水處理廠，該段管道直徑設計為1 800 mm，埋深9.0～10.5 m，采用頂管施工工藝，穿越鐵路段由于位置特殊，需一次單向頂進距離為340 m，管材采用鋼筋混凝土Ⅲ級“F”管。該段頂管穿越地段地質條件復雜，土體不穩定，土層結構為3層粉質液化土，局部有流砂層，地下水豐富，施工難度大，為確保管道一次頂通和鐵路運行安全，施工中通過采取一些特殊的技術措施，確保了管道順利通過鐵路專用線(見圖1)。

圖1 頂管穿越鐵路剖面(單位:mm，高程單位:m)

2 頂管施工工藝

2.1 施工準備及頂管掘進機的選擇

根據頂管穿越地段地質條件，為保證頂管施工作業安全，施工前對頂管工作坑的尺寸、抗傾覆穩定性、頂力及后備承載力進行計算，作為施工技術可行性的論證參數和控制指標。同時，對頂管穿越的鐵路路面沉降估算，并布設監控點，由專業測量技術人員負責工程監控。

地下長距離頂管施工技術水平的高低，基本取決于頂管掘進機技術含量的多少，根據該工程地質情況采用機械式土壓平衡頂管掘進機。

2.2 施工工藝流程

2.2.1 工藝概述

管道頂進前，在鐵路兩側先建造一個工作井和一個接收井，由于土質差，工作井和接收井均采用圓形鋼筋混凝土沉井，沉井尺寸滿足頂管機械布置和一個頂進行程需要。在工作井內的頂進軸線后方，對稱布置4只主千斤頂，將需敷設的管節，放在千斤頂前面的導軌上，主千斤頂推進時，以機頭開路將管節壓入土中。與頂進相配合，刀盤將切入泥倉中的土體，攪拌成“三性土”后，通過螺旋出土機、土砂泵、管道送出井外。一根管節被壓入土中后，吊入下一管節連接，繼續頂進，反復循環頂進至預定長度，管道敷設完成。

2.2.2 頂管施工工藝

頂管施工有頂進設備安裝和頂進施工兩部分。

1)設備安裝:整套頂管機械由頂管機頭(含糾偏系統)、主千斤頂系統、進排泥系統、觸變泥漿系統、承力鋼構件組成。安裝分井內、井外兩部分。

2)設備安裝工藝流程框圖如圖2。

圖2 頂管掘進設備安裝工藝流程

2.2.3 頂進施工工藝流程

頂進施工工藝流程為頂管施工準備→機頭出洞→入泥頂進→吊下管節、接管→頂進、測量、記錄、糾偏→頂完一節循環頂進→最后一節→竣工測量→機頭進洞、拆吊→結束。

2.2.4 安裝導軌

使用裝配式滾輪支架作為導軌，導軌安放在混凝土基礎面上，導軌定位后必須穩固、正確，在頂進中承受各種負載時不移位、不變形、不沉降。導軌安放前，應先復核管道中心位置。滾輪與管道接觸位置的平行度、高度等參數由制作時保證，但在安裝時必須復核。滾輪接觸管道位置的高程按管道設計高程設置，在頂進中經常復核調整，確保頂進軸線的精度。導軌設置坡度與設計軸線相同。頂進工作坑的混凝土基礎面的高程為設計管底高程減去導軌構造高度和管壁厚度之和(約400 mm)。導軌的兩條滾輪接觸線與管節中心的夾角應為60°，由制作和軌道調整共同保證。

2.2.5 設置承壓壁

安裝在工作坑后座墻與主千斤頂之間的鋼結構件為承壓壁。承壓壁承受和傳遞全部頂力，必須具有足夠的剛度和強度，本工程承壓壁的設計承壓能力為6 500 kN，留有余量1.5倍。工作井在作承壓壁時，將預留的洞口用磚封堵。安裝另一側承壓壁時，可使已完成的管道承受頂力。為使承壓壁受力均勻，在承壓壁與井壁間澆筑C30混凝土，振搗密實。承壓壁的平面必須與頂進軸線相垂直，在頂進中隨時檢查，如發現傾斜，必須重新布置，以保證安全。

2.2.6 安裝主頂設備

主頂設備安裝在承壓壁前方，使頂管掘進機和管道向軸線方向頂進的加力組合裝置。由組合千斤頂架、4只主千斤、油泵站2管閥、馬蹄形頂鐵、環形頂鐵組成。初始頂進時可在組合千斤頂架上先安裝4只主千斤頂，供初始頂進時調整頂進方向使用。數臺千斤頂應共同作用，規格一致，行程同步，每臺千斤頂的使用壓力不大于額定壓力，油路必須并聯，每臺千斤頂均配備有獨立的控制閥，千斤頂伸出的最大行程應小于油缸行程的10 cm左右。油泵站設置在距離主千斤頂的近處，油路安裝應順直，減少轉角，接頭不漏油，油泵站在井口操作間內工作。安裝完畢后必須進行試車，在頂進中定時檢查維護。環形頂鐵外徑與管道直徑一致，利用環的外部推動管節。

2.3 采取的技術措施

由于該段管道地處淮河漫灘，地質條件復雜，為保證管道順利頂進，結合蚌埠地區很多頂管遇到的障礙和經驗教訓，采取了相應的技術措施。

2.3.1 管井降水

由于地下水豐富，為減小地下水壓力對管道頂進的影響，在管線兩側設管井進行降水，管井直徑 φ500 mm、管井深度不小于20 m，內置φ50 mm潛水泵降水，管井降水在管道頂進前10 d進行(圖3)。

2.3.2 采用套管法

圖3 管道中線兩側降水平面布置圖

由于粉質液化土摩阻力大，頂進中土層與管道外壁密切接觸，通常土質條件下由于機頭刀盤要比管外徑大20～30 mm，管外壁與土層有一些空隙，注漿后容易形成一層泥漿套后減小頂進阻力，而液化土無法形成空隙，因而阻力非常大，所以這種土質對長距離頂管產生影響很大，通過頂進阻力計算和結合本地頂管經驗，通常頂段長度都在200 m以內，超過此距離就會出現阻力過大、機頭抱死的現象，有時出現后靠背及工作井井壁損壞而停止頂進。結合該段管道特殊情況，穿越鐵路必須一次頂過，頂段距離又長，為此采取套管法頂進，具體方案如下，先頂進直徑2 400 mm鋼筋混凝土套管，頂進長度約150 m，然后在管道內再穿越頂進直徑1 800 mm混凝土管，這樣將整個頂段頂進阻力分解，頂進結束后將套管內直徑1 800 mm管道拔出，利用于下個頂進管段重復使用，如圖4。

圖4 套管法頂進長距離管道剖面(單位:mm)

2.3.3 減阻措施

管道頂進阻力控制是頂管施工的關鍵因素，也是決定長距離頂管成敗的關鍵，采取了如下減阻措施。

1)外壁打蠟。管道頂進前對每節管道進行打蠟處理，安排專人進行，確保打蠟均勻、全面。

2)泥漿套法。在頂進過程中，以高壓泵向管外壁與土層之間注入觸變泥漿，以減小阻力的措施。

3)選擇良好的注漿材料很關鍵，觸變泥漿的主要成分是膨潤土，使用前應測定膠質比。

4)觸變泥漿的配合比按管道周圍土層的類別、膨潤土的性質以及觸變泥漿的技術指標確定。

5)觸變泥漿套法不僅是長距離頂管的需要而且是減少地面沉降的保證措施之一。在機頭尾部及管節的尾部，分別布置一組注漿孔，以后每隔2根管節(6 m)布置一組補漿孔。正常頂進時，注漿或補漿均以控制注漿量為主。壓漿分A、B兩類分別控制，A類為機頭尾部同步壓漿，以形成原始漿套，填充固有間隙和糾偏間隙，操作遵循“先壓后頂，隨頂隨壓”的程序;B類為沿線及洞口補漿，以補充管道頂進過程中的漿套損失，該操作在頂進時或停止時均可進行;

6)頂進施工完成以后，將粉煤灰水泥砂漿壓人管外壁與土層之間，將觸變泥漿置換出來，以起到減少地面沉降的作用，防止鐵路路基下沉。

長距離頂管時，管道還受到土層的被動土壓力，所以需要減小土體對管道的阻力，注入減阻泥漿是減小阻力的重要措施。頂進時要及時有效地同步注漿，確保形成完整的泥漿套，同時在管道四周定時補壓漿，確保泥漿套不流失破壞。

2.3.4 出洞、進洞技術措施

1)出洞前技術措施。①合理布置施工場地，安排好出土運輸、起重機、水泵等位置。管節堆放處事先清理平整，管節堆碼排列整齊，在堆放管節時須用專用吊具，吊放動作平穩，就位后立即用三角木墊穩。②每批管節到工地后，逐節檢查管節質量。檢查內容包括管口圓度、端面平行度;注漿孔是否暢通;管節端面是否破損等情況，對質量有問題的管節做好標記，通知廠方及時采取修補、更換措施;③機頭在出洞前通電試車正常，復核導軌位置尺寸，檢查機頭糾偏油缸回零情況及洞口止水圈壓板位置與機頭的間隙是否均勻等。④為防止工作井出洞口處的既有管道損壞，必須對工作井出洞口進行壓密注漿加固。注漿加固洞口時，特別注意凝固時間，注漿配合比。合理選擇后應達到洞口土體縫隙被注滿，初凝后能保持短時間不坍塌，機頭可順利推進，注漿“結石”強度低可被刀盤切碎。

2)進洞技術措施。本部分工作包括在接收井搭建托架、導軌就位、洞口止水圈安裝、進洞口地基加固、機頭偏差復測、拆除洞口磚封門、機頭進洞并吊運、管道內清理、洞口井壁與混凝土管節間隙連接處理、拆除井內設備、管道清洗準備交驗。接收井托架是將頂進接收井洞口的頂管掘進機托住，用2根32#槽鋼，按1.2 m寬度、掘進機出洞口的高程(低3～5 cm)設置。在接收井的洞口安裝洞口止水圈止水，止水圈要有密封性，密封地下水和管道與進洞洞口間隙的注漿漿液。掘進機在距進洞口25～30 m時，應對掘進機進行最后的復測，確定掘進機與設計軸線及進洞洞口的相對位置，如果此時偏差不大，可以進行進一步調整、糾偏。拆除洞口在掘進機抵近洞口距離0.5 m時進行。將封閉洞口的墻上部、下部各鑿出二個直徑為50 mm的通孔，檢查土體加固后的強度、漏水情況，確定是否采取補救措施。掘進機破洞進入洞口后，可以加快頂速(此時掘進機不旋轉、不出土)，接收井派專人觀察及時與工作井頂進人員聯系，待掘進機完全停穩后，立即將掘進機與管道分離，分離時應注意電纜和液壓油路管的接頭。確認完全將掘進機與管道分離后，用吊車輕輕起吊晃動掘進機機頭，使掘進機與管道脫開，再次檢查分離情況，確認后將掘進機吊出井外。

2.3.5 糾偏和測量控制

1)糾偏應在頂進過程中進行。在靜止狀態糾偏，首先糾偏力大，土質越硬糾偏力越大。其次，靜止糾偏測點偏差有時反而增大，而頂進中糾偏，糾偏量逐漸增加。第三，靜止糾偏對第1段鋼筋混凝土管會產生較大的不均勻應力。

2)鋼筋混凝土管糾偏比較靈敏，所以頂管的糾偏角不宜過大，否則會造成軸線較大彎曲。

3)第1節管段的質量要好，因為該段承受工具管糾偏的反復應力。故長距離頂管時第1節管段要特殊加工，提高管道配筋或管頭加鋼套環。

4)糾偏采用“校正”、“恢復”兩種方式。“校正”方式是根據機頭軸線與設計中心線之間夾角大小，確定是否需要采取糾偏措施。采用“校正”方式時，機頭糾偏角約0.5°～10.0°。“恢復”方式是根據機頭位置與設計中心線的累計偏差量，確定是否需要采取糾偏措施，這時的糾偏角約0.40°～0.70°。

5)長距離頂管測量非常重要，要勤頂勤測，隨時校正。一般在下管前和下管頂進一次后都應測1次，此時發現偏移容易校正。正常頂進時每頂進1 m測1次。測量采用激光經緯儀和水準儀配合進行，機頭前方有固定光靶，測量時將油缸縮回。

水平、高程的偏差均用激光經緯儀測定，儀器應固定在工作井的底板上，計算機控制的激光接收靶固定在機頭前端，坐標中心在掘進機中軸線上。頂進時激光經緯儀常開啟，機頭操作人員通過觀察計算機顯示屏幕上的激光光斑移動數據及頂進的長度分析偏差發展趨勢，確定應采取的糾偏方法。

3 結語

復雜地質條件下長距離頂管施工應選準頂管掘進機頭，根據不同的土層地質結構和特點，必須仔細判斷準確，選擇合適的頂管機械，機型一旦選錯，頂進就會出現很大困難甚至失敗;減阻措施必須落實到位，施工過程中經常出現因操作人員責任心不夠，注漿減阻措施未能及時跟進導致頂進受阻;特殊地段可考慮采用套管法分解頂進阻力，減少中繼間的使用;做好測量、糾偏技術工作，過程中及時校正各項頂進技術參數，對確保長距離頂管成敗非常重要。

隨著管道頂進技術的不斷進步，通過研究不同地質條件下的長距離頂管施工工藝，將不斷積累復雜地質條件下的長距離頂管施工技術，為我國的長距離頂管技術創新作出貢獻。

[1] 中國地質大學(武漢).頂管施工技術及驗收規范［S］.北京:人民交通出版社，2007.

[2] 孫連溪.實用給排水工程施工手冊［M］.北京:中國建筑工業出版社，1998.

[3] 鮑永亮，鄭七振，唐建忠.軟土地層矩形頂管推進施工措施分析［J］.鐵道建筑，2009(8):75-78.

[4] 鮑永亮，鄭七振，王娟，等.上海軟土地層地下通道矩形頂管施工技術［J］.鐵道建筑，2009(9):68-70.