城市道路下埋管道的頂管施工技術(shù)研究

向炎標(biāo)

（中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040）

0 引言

在我國城市化大力發(fā)展的背景下，各類市政設(shè)施的建設(shè)要求越來越高，需要滿足各種惡劣環(huán)境及使用年限下城市的完好性。近年來，突發(fā)暴雨及連續(xù)降雨等氣候特征發(fā)展愈加頻繁，很多城市因?yàn)榕潘O(shè)施設(shè)置不完善，導(dǎo)致城市主干路、重要居住與生活區(qū)等被淹埋，因此城市排水問題是市政建設(shè)的關(guān)鍵之一[1]。

城市排水管道一般與道路同時(shí)建設(shè)，下埋于道路結(jié)構(gòu)層下，當(dāng)下埋深度較大時(shí)，往往采用頂管施工技術(shù)，保證上部路基的完整性，同時(shí)能夠設(shè)置較為完善及安全的管道圍護(hù)結(jié)構(gòu)。本文以孝感市乾坤大道的下埋管道頂管施工為工程依托，詳細(xì)總結(jié)和論述了頂管施工的主要工藝流程與方法，對本工程特別采用的泥水平衡施工工藝、全斷面觸變泥漿減阻技術(shù)等進(jìn)行了深入總結(jié)，為類似工程的施工提供參考。

1 依托工程概況

乾坤大道東延伸段是孝感市東部新區(qū)路網(wǎng)規(guī)劃最重要的一條東西向城市主干路，施工起訖里程K0+000～K7+060，全長7.06 km。區(qū)域范圍內(nèi)地形變化較大，總體高差約為8.5 m，地貌單元為龍崗平原和沖、湖積平原地形。

乾坤大道東延伸段K0+513～K3+400左側(cè)污水管道長2 887 m，管道埋深為7.93～12.95 m，根據(jù)本區(qū)域的地形特點(diǎn)和埋深狀況，采用頂管施工工藝對施工質(zhì)量的把握、施工進(jìn)度的控制等都是最好的選擇。頂管施工的工作井和接收井均采用鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)，設(shè)20個(gè)工作井、19個(gè)接收井；污水管道采用D1000 mmⅢ級鋼筋混凝土管，管道接口形式為F形鋼承口。

頂管施工涉及頂進(jìn)方法選擇、管道設(shè)計(jì)選型、觸變泥漿系統(tǒng)、頂進(jìn)中糾偏等關(guān)鍵問題，以下詳細(xì)論述頂管施工的上述關(guān)鍵問題及基本施工流程。

2 頂管頂進(jìn)施工方法的確定

頂管施工方法很多，在選擇合適的施工方法時(shí)，首先應(yīng)考慮各類工法的適用條件，然后根據(jù)現(xiàn)場情況及設(shè)計(jì)要求，確定采用何種施工方法。選擇工法的原則是要求該工法同時(shí)具有適用性、安全性、經(jīng)濟(jì)性。然后通過對比、優(yōu)化，選出最好的工法[2-3]，常見頂管機(jī)型和適用條件見表1。

根據(jù)不同頂管機(jī)型及其適用條件，結(jié)合本工程頂管地質(zhì)勘測資料以及從施工安全、質(zhì)量、進(jìn)度等因素綜合考慮，擬選用泥水平衡施工工藝，并采用全斷面觸變泥漿減阻技術(shù)，選擇上述技術(shù)的原因分析如下：

（1）泥水平衡適用的土質(zhì)范圍較廣，在地下水壓力很高以及變化范圍較大的條件下也能適用。

（2）可有效保持挖掘面穩(wěn)定，對所頂管子周圍的土體擾動(dòng)比較小，引起地面沉降也比較小。

（3）與其他類型頂管相比，泥水平衡頂管施工時(shí)的總推力比較小，尤其是黏土層中表現(xiàn)更突出，施工安全與質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)相對較小。

（4）泥水平衡施工速度較快，棄土采用管道運(yùn)輸，可以連續(xù)出土。

（5）封閉式頂進(jìn)施工采用泥水管道輸送棄土，不存在吊土、搬運(yùn)土方等容易發(fā)生危險(xiǎn)的專業(yè)。作業(yè)環(huán)境相對較好，施工也比較安全。

3 頂管施工工藝流程及技術(shù)要點(diǎn)

采用泥水平衡式頂管施工，其主要通過主頂千斤頂推動(dòng)管道前進(jìn)，推進(jìn)過程中通過頂管機(jī)的刀盤切削土體，切削下來的土體擠壓在泥土倉內(nèi)，通過刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)攪拌均勻進(jìn)入泥水倉與進(jìn)漿管送入的泥漿攪拌成濃泥漿，再通過排漿管道將濃泥漿排出機(jī)頭。泥水平衡式頂管施工的基本工藝流程如圖1所示。

圖1 頂管施工的基本流程工藝圖

根據(jù)上述頂管施工的基本工藝流程，頂管洞口加固、管道接口方式、觸變泥漿系統(tǒng)、管道頂進(jìn)與糾偏是施工中的關(guān)鍵難題，通過本工程實(shí)施，相關(guān)技術(shù)要點(diǎn)總結(jié)如下。

3.1 頂管洞口加固

洞口的止水性能及穩(wěn)定性對于頂管施工總體工藝是基本前提條件，為了提高洞口土體的強(qiáng)度，使洞口保持穩(wěn)固，不發(fā)生坍土現(xiàn)象，在工作井洞口范圍預(yù)埋注漿管，管道進(jìn)入土體之前預(yù)先注漿。為了使頂管機(jī)進(jìn)出洞口順利進(jìn)行，沉井洞口的封門根據(jù)土質(zhì)條件及掘進(jìn)形式來決定。本工程中洞口采用磚砌封門，在出洞時(shí)可以用頂管機(jī)直接將磚封門切削掉。當(dāng)頂管機(jī)在接收井中進(jìn)洞時(shí)，同樣將磚封門切削掉，完成進(jìn)洞過程；同時(shí)還需要采用止水圈對洞口進(jìn)行密封處理。

3.2 管道接口方式

本工程頂管采用強(qiáng)度等級C40的鋼筋混凝土型式，鋼筋混凝土頂管接頭一般有企口式、平接口式、雙插口式和鋼承口式四種形式。其中雙插口（即T形接口）和鋼承口（即F形接口）使用范圍較廣泛。本工程頂管接口選擇鋼承口接頭，這種接口克服了雙插口密封性差的缺點(diǎn)，根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)證實(shí)，該接頭形式最為可靠、效果最好。

管道接口按插口在前、承口在后的原則頂進(jìn)。接口頂合前，承口的木墊板應(yīng)榫接成環(huán)形粘貼到位，插口的橡膠圈應(yīng)平順安裝到位。管端插口應(yīng)對中承口緩慢頂入。橡膠止水圈應(yīng)均勻擠壓到位，無扭曲、擠出外露，與鋼套環(huán)或承管壁密貼，木墊板無松動(dòng)脫落，與端口接合緊密，接口間隙應(yīng)均勻一致。

3.3 觸變泥漿系統(tǒng)

表1 常用頂管機(jī)型及其適用條件分析

頂管施工過程中隨著距離增加管道與土體的摩擦阻力越來越大，所需要的頂推力也增大，當(dāng)頂推力超過混凝土管道所能承受的受力極限時(shí)就會(huì)發(fā)生破壞問題，后果非常嚴(yán)重。因此觸變泥漿系統(tǒng)就可以起到下列作用：

（1）潤滑作用，將管土之間的干摩擦變?yōu)闈駶櫮Σ粒瑴p小摩阻力。

（2）支撐作用，在注漿壓力下使管道周圍土體變得穩(wěn)定。

（3）改良土質(zhì)，通過泥漿向管道周圍土體的滲透作用來改良不好的土質(zhì)。采用膨潤土就是起到觸變效應(yīng)。

本工程在每個(gè)斷面設(shè)置三個(gè)管道注漿，頂面一個(gè)，兩側(cè)各一個(gè)。底部不設(shè)注漿孔，泥漿可自動(dòng)流下。一般補(bǔ)充泥漿的孔道數(shù)量和間距根據(jù)管道頂進(jìn)的速度、土質(zhì)情況等因素來確定。通常情況下每隔2～5節(jié)管道設(shè)置。注漿孔布置如圖2所示。

圖2 注漿孔的布置

注漿施工中需要注意的要點(diǎn)是：

（1）攪拌均勻的泥漿應(yīng)靜置一定時(shí)間后方可灌注。

（2）注漿前，應(yīng)通過注水檢查注漿設(shè)備，確認(rèn)設(shè)備正常后方可灌注。

（3）注漿壓力可按不大于0.1 MPa開始加壓，在注漿過程中的注漿流量、壓力等施工參數(shù)應(yīng)按減阻及控制地面變形的量測反饋資料調(diào)整。

（4）不能過早注漿，否則機(jī)頭易偏轉(zhuǎn)；注漿晚，頂力過大，一般2 h后再補(bǔ)漿一次。

（5）注漿壓力不宜過高，太高了容易產(chǎn)生冒漿，不易形成漿套。

（6）應(yīng)遵循“同步注漿與補(bǔ)漿相結(jié)合”和“先注后頂、隨頂隨注、及時(shí)補(bǔ)漿”的原則。

3.4 管道頂進(jìn)與糾偏

管道初始頂進(jìn)應(yīng)控制推進(jìn)速度，不宜過快，在此過程中應(yīng)摸索推進(jìn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，為正常頂進(jìn)提供依據(jù)。若機(jī)頭入洞即遇到異物、機(jī)頭下沉“磕頭”等現(xiàn)象，應(yīng)緩慢頂進(jìn)，查明原因經(jīng)處理后頂進(jìn)。在頂管掘進(jìn)機(jī)后接入第一節(jié)管道時(shí)，頂管機(jī)尾部至少有20～30 cm處于導(dǎo)軌上，并立即進(jìn)行管道和頂管掘進(jìn)機(jī)的連接。管道入土正常后，每頂進(jìn)1 m，測量不應(yīng)少于一次，糾偏時(shí)應(yīng)增加測量次數(shù)。在頂進(jìn)即將到位時(shí)，放慢頂進(jìn)速度，準(zhǔn)確測量出機(jī)頭位置，當(dāng)機(jī)頭到達(dá)接收井封門時(shí)停止頂進(jìn)，在接收井內(nèi)安裝好接引導(dǎo)軌，將機(jī)頭送入井內(nèi)，拆除動(dòng)力電纜、進(jìn)排泥管和壓漿管路等，分離機(jī)頭與管節(jié)，吊出機(jī)頭，將管節(jié)頂?shù)筋A(yù)定的位置。

在管道頂進(jìn)過程中，應(yīng)控制頂管機(jī)前進(jìn)的方向，并根據(jù)測量結(jié)果分析偏差產(chǎn)生的原因和發(fā)展趨勢，確定糾偏的措施[4]。可以通過軸線測量方法并且配合頂管機(jī)前進(jìn)趨勢預(yù)測，對管道進(jìn)行糾偏。在實(shí)際頂進(jìn)中，頂進(jìn)軸線和設(shè)計(jì)軸線經(jīng)常發(fā)生偏差，因此要采取糾偏措施，減小頂進(jìn)軸線和設(shè)計(jì)軸線間的偏差值，使之盡量趨于一致。頂進(jìn)軸線發(fā)生偏差時(shí)，通過調(diào)節(jié)糾偏千斤頂?shù)纳炜s量，使偏差值逐漸減小并回至設(shè)計(jì)軸線位置。在施工過程中應(yīng)貫徹“勤測、勤糾、緩糾”的原則，不能劇烈糾偏，以免對管節(jié)和頂進(jìn)施工造成不利影響。

此外，在頂進(jìn)過程中還需要對地表進(jìn)行監(jiān)控，避免因?yàn)轫斖剖┕?dǎo)致地表沉降等問題。沿途設(shè)置沉降觀測點(diǎn)，同時(shí)設(shè)幾道斷面觀察點(diǎn)，每天兩次觀測地表沉降量，將數(shù)據(jù)及時(shí)反饋施工人員，以便根據(jù)沉降量調(diào)整頂參數(shù)。頂進(jìn)的前20 m作為試驗(yàn)段，采集盡可能詳盡的數(shù)據(jù)，掌握在當(dāng)?shù)赝翆又许斶M(jìn)的適宜頂進(jìn)參數(shù)，同時(shí)控制好軸線，為以后頂進(jìn)創(chuàng)造一個(gè)良好的導(dǎo)向。頂管機(jī)穿越后，會(huì)存在一定的后期沉降，此時(shí)頂進(jìn)仍在進(jìn)行，必須不斷進(jìn)行定點(diǎn)補(bǔ)壓漿，支護(hù)土體，補(bǔ)充失水的泥漿，直至頂進(jìn)結(jié)束，補(bǔ)壓漿的地點(diǎn)和壓漿量均應(yīng)根據(jù)沉降觀測數(shù)據(jù)來確定。

4 結(jié)語

目前在城市化發(fā)展的背景下，各類市政設(shè)施的規(guī)劃也愈加完善，很多城市排水管道都沿著城市道路下埋建設(shè)，因此往往采用頂管施工方法進(jìn)行施工。本文依托孝感市乾坤大道東延伸段工程，對城市道路下埋管道的頂管施工系列工藝與施工要點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)分析，提出了相關(guān)的工程經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)要點(diǎn)，可為類似工程建設(shè)提供參考。

[1]邱云祖.市政道路給排水優(yōu)化設(shè)計(jì)分析[J].環(huán)球市場,2017(2)：201.

[2]劉麗波.頂管技術(shù)在城市雨污水管道的應(yīng)用[J].黑龍江交通科技,2015,38(4)：24.

[3]夏以春,汪軍浩.管道施工中頂管施工技術(shù)的關(guān)鍵控制點(diǎn)[J].中國水運(yùn)月刊,2015，15(4)：329-330.

[4]賀昆海.頂管工程關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)施的風(fēng)險(xiǎn)分析與應(yīng)用[D].長沙：湖南大學(xué),2012.