市政排水工程手掘式頂管施工技術(shù)研究與應用

張 冕 王 飛

(中國水利水電第十一工程局有限公司,河南 鄭州 450001)

1 工程概況

擬改建工程位于武漢市青山區(qū)某公園，該公園為武漢市的主要公園，其內(nèi)綠樹成蔭、鳥語花香，是青山區(qū)人民休閑的主要場所。根據(jù)武漢市政府要求，在公園西大門靠北向東修建雨水箱涵，原有一雨水d=1 800 mm管涵(埋深為4 m)在某段與新建箱涵重疊，共371 m，工程施工前，需保持該管道排水暢通，因此該段雨水管涵需改遷。改遷后的雨水管為臨時性工程，管徑仍為1.8 m，運行一個汛期，新建的排水箱涵建成投入運行后，該雨水管就另行作廢。公園為人們休閑娛樂場所，采用明挖法施工破壞了植被，影響了城市生態(tài)環(huán)境，增大了開挖量，且于新建的雨水箱涵施工干擾嚴重；而采用頂管法則減少了地表占用面積，保護了地表植被，減少了對環(huán)境的破壞。

2 手掘式頂管施工方法

2.1 工藝流程

測量定位放線→機械開挖土方至地面以下1 m→人工挖刃腳土方→人工夯實基底→澆筑混凝土墊層→扎刃腳及井室鋼筋→立模→澆筑混凝土(一次)→沉井下沉→扎井壁鋼筋→立模→澆筑井壁混凝土(二次)→沉井下沉到位→清底及墊層混凝土澆筑→扎封底鋼筋→澆封底混凝土→頂管→流槽及井內(nèi)設施施工。

2.2 沉井施工

1)基礎開挖及墊層。

在混凝土灌注時，為了防止不均勻沉降的出現(xiàn)，需要在機械設備的幫助下，向地面下方開挖1 m左右的距離。沿刃腳軸線2.5 m范圍內(nèi)開挖原狀地基夯實，并澆筑10 cm厚C15混凝土墊層。

2)刃腳制作。

木模進行刃腳制作,模板上涂刷隔離劑,刃腳的內(nèi)側(cè)構(gòu)造復雜，需精心制作。

3)模板工程。

模板工程的對拉螺栓的間距、模板的數(shù)量經(jīng)計算確定,腳手架井室內(nèi)搭設滿堂紅腳手架，井室外搭設雙排腳手架，為確保腳手架整體穩(wěn)定性設置水平和豎向剪刀撐，井室模板加固采用止水對拉螺桿。

4)混凝土澆筑。

沉井施工按二次澆筑，二次下沉施工，施工縫采用中埋式橡膠止水帶。

沉井預留洞口設橡膠止水條。沉井預留洞口在下沉前用紅磚進行封堵，封堵厚度同井室壁厚，封堵完成后采用M7.5水泥防水砂漿抹面。

當結(jié)束沉井混凝土澆筑，并將模具拆下后，需要打磨外壁，并為了緩解沉井在下沉時所存在的摩擦力，需要將一層潤滑油涂抹其中。

5)沉井下沉。

通過沉井重力作用，使其下沉至圖紙中的標高。隨后，利用人工與機械配合的方式來進行挖土下沉。其中，鑒于地下水位低于沉井底標高，所以基坑降水可不做要求。

在沉井挖土時，需要保持對稱均勻，并且需要以中心為圓點，向四周進行開挖。此外，在挖土過程中，每層的挖土厚度控制在40 cm左右，并在沉井下沉過程中，將垂線與觀測點設置在周圍，以便在下沉過程中可以有效的實施監(jiān)測，有助于第一時間修正扭曲與偏移等情況。

按照“多沉少挖，少沉多挖”的原則來實施糾偏作業(yè)，逐步擴大刃腳下的挖土，切記不可一次掏空，避免糾偏利用大量挖土來實現(xiàn)，同時按照測量數(shù)據(jù)來實施糾偏作業(yè)，做到發(fā)現(xiàn)偏差，及時糾正。另外，如果偏斜值為要求值的25%，便需要實施糾偏作業(yè)，同時對下沉全過程進行勤測、勤糾、緩糾。

當下沉達到圖紙標高位置1 m處后，需要對下沉速度加以控制，當與圖紙標高距離30 cm時，便需要停止開挖作業(yè)，同時對沉井在此時的速度進行監(jiān)測，保證沉井可達到圖紙所要求的標高范圍內(nèi)，少量欠挖采用人工掏土。

6)沉井封底。

沉井下沉至設計標高后，清除基底雜物，等待沉井8 h自沉累計不大于10 mm時即可進行封底。封底時先對基底進行人工夯實，再鋪筑20 cm厚碎石墊層并采用手動夯實。墊層上部澆筑20 cm厚C20素墊層混凝土，最后澆筑30 cm厚C30鋼筋混凝土底板混凝土，其中底板與井壁接觸部位進行鑿毛處理，保證新老混凝土接觸良好。

2.3 頂管施工

1)工藝流程。

測量放樣→井下導軌機架、液壓系統(tǒng)、止水圈等設備安裝→靠背混凝土澆筑→工具管吊裝安裝→預留孔封頭拆除→工具管頂出工作井→正常頂進→頂進過程偏差調(diào)整→工具管頂進接收井。

2)測量放樣定位。

起初，向兩個沉井周邊將測量控制點的引線接入，同時復核預留孔在工作井與接收井中的中心軸線。

3)導軌安裝見圖1。

兩根導軌的內(nèi)距按下列公式計算如下：

A0=A+a。

A=2(D-h+e)(h-e)。

其中，A0為兩導軌中距，mm;A為兩導軌上部的凈距,mm;a為導軌的上頂寬度,mm;D為管外徑,mm;h為導軌高度,mm;e為井外底距底板的距離,一般為200 mm～300 mm。

基礎混凝土達到1.2 MPa，在基礎預埋件上安裝導軌，與預埋件焊接牢固，導軌外側(cè)焊加肋，導軌布放直順、平整，導軌的兩根型鋼的平行度安裝誤差控制在±2 mm內(nèi)，導軌型鋼后背焊接為整體，保證垂直度。

4)主頂液壓系統(tǒng)。

液壓系統(tǒng)采用日產(chǎn)Rrc—10EC型液壓系統(tǒng)，使用100 t油缸4個,行程為1.1 m,最大推動力為400 t。根據(jù)工作井所處位置地質(zhì)的承載力數(shù)據(jù)分析工作井滿足頂進要求。頂管采用φ1 800 mm頂進阻力計算公式如下:

推力計算F=Fo+f×S×L。

Fo=(Pe+Pw)×(Bc/2)2×π。

F=0.2+0.3×(G/100)2+2.7×(G/100)×m2。

其中，F(xiàn)為總推力,t;Fo為初抵抗力,t;S為管外周，m；L為推延長，m；Pe為切削單位推進力，t/m2。

Fe=0.4×擊力。

其中，Pe為切削室內(nèi)的泥水壓力。

Fw=地下水壓+0.2。

其中，Bc為頂管機外徑,m;R為管外周抵抗力,t/m2;G為砂粒，%;M取大粒徑/管外徑。

管節(jié)頂進時正面阻力的計算式為:

Pe=0.4×N=0.4×10=4 t/m2(按土壓平衡式頂管頂進阻力估算)。

Pw=地下水壓=0.2 kg/cm2=(0+2.4/2-2.00)+2=1.2 t/m2。

Fo=(Pe+Pw)×(Bc/2)2×π=11.2 t。

每米頂管直線頂進時周邊阻力計算式為:

R=0.2+0.3×(G/100)2+2.7×(G/100)×

m2=0.2+0.3×(0/100)2+2.7×(0/100)×(0/2 400)2=0.2。

f=R×S=0.86 t/m。

頂進阻力:F=Fo+F×L。

根據(jù)以上公式計算(最大覆土約為2 m),得出φ1 800預制混凝土頂管頂進過程中最大頂進阻力約為288 t。

5)機頭安裝。

此次采用φ1 800 mm,高960 mm，鋼質(zhì)機頭吊裝在導軌與進洞口軸線、高程吻合。

6)管材的選用。

本次頂管段采用“F”型鋼筋混凝土頂管專用管，接口采用橡膠墊片，是一種埋入式的厚壁管,它一端有一個凹形接口、鋼環(huán)套、夾墊圈,另一端為一個凸接口、密封圈。一個永久密封的管接口可在兩者連接為一體后形成。另外，將蠟涂刷在管道外表面，可以降低表面的摩擦力，有助于其順利的穿越土層，同時為了緩解局部擠壓所造成的壓力差，可以在其中設置夾墊圈，并且對彼此管端間所存在的負荷起到一定緩沖的作用。

7)管道頂進。

在下管過程中，禁止坑內(nèi)存在作業(yè)人員。其中，當與導軌距離小于0.5 m后，作業(yè)人員便可繼續(xù)工作。管子到達指定位置后，可將第一節(jié)管子放置在軌道中，并對管子的中心、兩端以及高程等參數(shù)進行測量，待對安裝是否合格進行確認后，方可將管子進行頂進作業(yè)。在頂進過程中，應注意放慢頂進速度，確保所有接觸面均緊密結(jié)合后方可按照設計速度進行頂進作業(yè)，并注意頂進施工需保證連續(xù)頂進。首管頂進時測量間隔不超過30 cm，正常頂進時測量間隔不應超過1 m。頂管掘進接觸或切入土層后，應在機頭內(nèi)自上而下分層開挖，避免正面坍塌，頂進時晝夜兩班不間斷施工。

8)頂管進洞技術(shù)措施。

為防止工具管進洞時機頭下沉,采取機頭固定措施。

在開始頂進前，需將一道環(huán)形橡膠止水圈放置在洞口，以便減少潤滑漿液的流失，有助于降低頂進的阻力。

對可能存在洞口漏水與漏泥等情況進行分析，并將一定數(shù)量的排污泵設置其中，以備不時之需。此外，為了避免機頭下沉情況出現(xiàn)，保證頂進的可靠性，需要將加固措施設置在機頭部位，同時用拉桿將機頭連接，并用手拉葫蘆在導軌中拉緊，確保機頭可在導軌方向中頂進。待工具管頂進結(jié)束后，將第一管節(jié)吊放并進行拼接，隨后將工具管輔助設備安裝在工具管的后管節(jié)內(nèi)。

頂進前管材外壁需涂石蠟處理。一般來說，管節(jié)的頂進與工具管頭進洞后的姿態(tài)、軸線方向有著密切聯(lián)系，所以在進行頂進作業(yè)時，前三節(jié)管子需要與機頭彼此連接，同時用拉桿將機頭位置固定，避免出現(xiàn)下沉。在頂進過程中，油缸的糾偏可在激光點的幫助下來實現(xiàn)，確保將其控制在軸線范圍中。對于糾偏角度來講，每次的糾偏度數(shù)不能大于1°，同時按照“先上下,再左右”的原則進行糾偏，避免大幅度糾偏機頭而導致頂進困難情況的出現(xiàn)。

在頂管過程中，對土壓平衡值需要及時調(diào)整，并將坡度控制在相對合理的范圍內(nèi)，有助于降低土體擾動對頂進工作的影響。另外，以頂進速度為參照，對地層變形的信息數(shù)據(jù)進行控制，以此來對注漿量與注漿壓力進行調(diào)節(jié)，確保將地層變形與軸線保持在合理的范圍內(nèi)。

在頂進時，將一定的潤滑泥漿注入到管節(jié)外壁中，以此來降低與土體的摩擦阻力。與此同時，潤滑泥漿通常采用性能穩(wěn)定的觸變泥漿，并且確保其不出現(xiàn)失水、固結(jié)與沉淀，同時根據(jù)實際情況調(diào)整泥漿的配比，有助于頂進工作可以順利完成。

壓漿可通過壓漿孔球閥得到控制，并且為了及時對壓漿壓力進行調(diào)控，需要將壓力表安裝在地面壓漿的出口位置。

9)頂管進接收井階段技術(shù)措施。

a.頂管機出洞前洞口土體加固。

為了確保接收井中可以順利的完成工具管的進入，需要采取措施避免接收井內(nèi)涌入工具管出洞后的土體，以便井中接頭可以順利實現(xiàn)。此外，當施工現(xiàn)場地質(zhì)存在較差的情況時，可在接收井進入工具管前，通過注漿的方式來對洞口土體進行加固，并注意對加固的具體位置進行合理的布設。

b.頂管機狀態(tài)的復核測量。

為了保證工具管可以精準的進入到接收井中，需要對頂管機的位置進行測量，同時對頂管狀態(tài)進行確認，以便施工方案與施工軸線等可以獲得準確的評估，從而保證施工可以在既定方案下得以順利實施。

c.鑿除磚墻。

在工具管快要進入接收井時，將接收井預留洞封堵磚墻鑿除，以免損壞工具管。

d.頂管機進接收井。

待破壞接收井磚墻封門后，應及時將管節(jié)頂進，以便將出洞時間盡量縮短。同時，機頭和混凝土管節(jié)可在工具管整體進洞后加以快速分離，并按照圖紙要求來處理管節(jié)與接收井的接頭，防止水土出現(xiàn)大量流失。

3 新技術(shù)的應用

3.1 工具管穩(wěn)定進土準備工作

用主頂油缸把手掘式工具管放在安裝牢靠的基坑導軌上，其與第一節(jié)混凝土輸水管及后續(xù)管連接在一起。當工具管進入洞口止水圈后，就可以從工具管內(nèi)將原來用磚墻封堵的預留孔洞破洞，將洞口的磚一塊塊取出。

3.2 工具管初始進洞技術(shù)

工具管在進洞前，需要用水平尺對其頂部的水平狀態(tài)進行檢測，確保其與導軌保持一致。如工具管水平狀態(tài)存在偏差，則必須重新進行工具管的頂進作業(yè)，并對存在偏差的原因加以查明。

3.3 糾偏措施

在初始頂進過程中，應特別加強測量工作。如果存在偏差，則可通過挖土來予以調(diào)節(jié)。與此同時，通過運用多種測量方式來進行測量，并將測量結(jié)果收集起來進行綜合性的分析。此外，盡量在初始頂進作業(yè)期間避免反復多次使用糾偏油缸完成校正工作，同時保證在正常情況下，油缸可對左右、高低的準確性進行有效的控制。

3.4 注漿減阻注意事項

在利用手掘式頂管進行注漿作業(yè)時，注漿孔不得設在工具管內(nèi)，并且第一環(huán)注漿孔在工具管后的第一節(jié)管子中。與此同時，由于注漿壓力較大，導致工具管前的挖掘面會出現(xiàn)漏液問題，影響注漿效果，則截止閥可以在第一節(jié)注漿管中設置，以方便對此加以開啟與關(guān)閉，以此來提升注漿質(zhì)量。

3.5 預防措施

手掘式頂管是一種開敞式的頂管工藝，要預防地下存在有毒和有害氣體，頂進過程中要加強頂管內(nèi)空氣質(zhì)量檢測。還要制定坍塌應急預案，對于地下水位較高的區(qū)域最好采用井點降水。

4 結(jié)語

通過對武漢某排水系統(tǒng)改建工程的手掘式頂管施工技術(shù)的研究與應用，可以減少地表占用面積，保護地表植被，減少了對周圍環(huán)境的破壞，不受淺埋地下土層各類復雜管線的影響，可以有效預防和排除障礙，具有一定的推廣應用價值。