淺覆土富水軟弱地層拉頂管關鍵技術研究

文/中交四航局第七工程有限公司 劉永鴻

0 引言

隨著城鎮化進程加快，城市管網建設已被提上日程。2014年國務院辦公廳提出堅持先地下、后地上的城市地下管線規劃基本原則，用10年左右時間建成較為完善的城市地下管線體系。城中既有建（構）筑物眾多，當新建管線穿越既有建（構）筑物時，往往采用非開挖施工工藝，在不對地表造成破壞的情況下敷設各種地下管線。非開挖管線敷設技術體現工程施工水平及城市的現代化建設進程。

在市政污水管道施工中，施工非開挖工藝主要包括頂管工藝和定向鉆拖拉管工藝。頂管工藝主要用于800mm及以上口徑的管道施工，施工面大，且對管道覆土有要求；定向鉆拖拉管工藝主要應用于800mm以下口徑的管道施工[1]，但該工藝易導致地面塌陷，對施工附近路面和居民的生產生活造成不利影響。針對肇慶市地下水豐富的軟弱地層情況，加之擬敷設的管道覆土較淺，常規頂管和拖拉管工藝無法有效應用于現場施工。

近年來，綜合法小口徑頂管（拉頂管）工藝在珠三角地區多項截污次支管工程中已得到成功應用，該工藝具有其他傳統施工方法無法比擬的優勢：地質適應廣、對管道覆土要求低、次生災害小、施工速度快、精度高、對交通和周邊建（構）筑物的影響較小等，給本項目淺覆土富水軟弱地層條件下的管道施工提供新型可靠的施工工藝選擇。

1 工程概況

肇慶市某污水管網改造工程項目實施排水管網總長約120km，其中綜合小頂管施工工程量為35km，占比29%，主要存在于市政道路和城中村，通過前期現場勘察發現，建筑場地地質情況如下。

工程地質綜合剖面共分主層10層及9個夾層，主層依次是：①人工填土；②粉質黏土、黏土；③淤泥、淤泥質土；④粉質黏土、黏土、粉土；⑤淤泥、淤泥質土；⑥粉砂；⑦殘積土；⑧全風化巖帶；⑨強風化巖帶；⑩中風化巖帶。夾層包括：②1粉砂夾層；③1（淤質）粉砂夾層；③2粉質黏土、粉土夾層；④1淤泥質土夾層；④2中砂夾層；④3礫砂、圓礫夾層；⑤1粉質黏土、粉土夾層；⑨1中風化巖夾層；⑩1全風化巖夾層。

鉆探期間測得初見水位埋深為0.50～2.60m，標高3.410～43.720m；鉆孔終孔24h后測得各鉆孔地下水相對穩定水位埋深為0.65～3.80m，標高2.510～42.920m；地下水水位隨地勢而變，地勢高處地下水位相對較高，沿山坡向低位水位順勢變低，地下水位變化幅度多在0.40～2.00m。

2 拉頂管工藝在污水管網中的應用

2.1 前期準備

按現場環境制定施工方案，定好坑道機井位，裝管井位，提前與當地居民溝通協調，解決用水、相關設備及渣土臨時存放問題。

2.2 制作井位

先施工工作井和接收井，工作井井體可采用圓形或矩形。采用圓形時，直徑為2.5m；采用矩形時，長邊為2.5m（針對軸線方向長一段），短邊為1.5m。接收井一般采用圓形，直徑為1.5m。由于施工管道采用短管節（通常為1.0m），新建檢查井所需空間較小，局部緊張地區也可采用0.5m短管節，從而相應縮小管道安裝井的尺寸（見圖1）。

圖1 2．5m×1．5m綜合法小口徑頂管工作井結構

傳統拖拉管工藝是井完成后，一次拖拉管道穿過多個檢查井；拉頂管工藝是鉆桿一次穿過多個檢查井，從最后1個檢查井裝管拉頂完前兩井之間的距離后，再從前1個井裝管拉頂前一段，保證每個井都可裝管。

2.3 導向鉆孔

設備安裝好導向鉆，在入鉆方向井位中開中心位小洞或安裝定位輪，以保證管道的流水標高。地面放若干絕對標高點，導向時在井內復合標高并計算出誤差值，修正數據后繼續施工至下一井位（見圖2，3）。

圖2 利用定向鉆先導施工中

圖3 斜掌導向鉆進原理

2.4 復測預判

復測到位導向桿的標高，根據土層承載力判斷是否需預擴孔及安裝止泥環。土質抗壓強度較大時，適當擴孔，減少頂進壓力；當進出洞位置位于透水層時（如砂層），必須在井外注漿或施打止水樁，同時在井體進出洞方向增加密封板（見圖4）。

圖4 密封板應用

2.5 回擴掘進頂拉

在末端井安裝掘進機頭，回擴掘進，接著在機頭后安裝管節，利用鉆桿穿過管道中心，在管道尾端拉頂管道。掘進機頭負責掘進扭矩和迎面阻力，設備余力通過機頭后分動裝置和傳力桿傳到管尾，實現頂進目的。前一節管節頂拉完成后，將下一管節從地面吊至井底，與前一管節承插連接，再通過掘進頭繼續進行頂拉，依次完成本步驟，直至掘進頭到達前段井，管道成型。掘進頂拉時，需根據土層情況選擇相對應的化學泥漿，鉆進并回拖頂拉管道施工時應配備真空泥漿車，泥漿直接進管，平衡地下壓力，減輕頂進阻力（見圖5，6）。

圖5 復式頂管安裝示意

圖6 回頂安裝施工

該工藝采用自密封承插接口短管，將傳統的管道回拖改為拉頂工藝，在末端井下安裝管節，利用鉆桿穿過管道中心，在管道尾端拉頂管道。掘進頭與管并不鎖死而達到泥水平衡中繼間的功能。掘進頭負責掘進扭矩和迎面阻力，設備余力通過機頭后分動裝置和傳力桿傳到管尾，實現頂進目的，管材只承受頂進過程中產生的摩擦阻力。

3 拉頂管施工在管網工程中的應用優勢分析

隨著“雨污分流”環保理念日漸推廣，全國各地都在開展管網工程。從客觀角度分析，在非開挖法管道埋設技術中，拉頂管逐漸替代定向鉆牽引管施工，成為800mm以下口徑管道的主流施工工藝。與牽引管施工工藝相比，拉頂管具有較大優勢。

3.1 節省空間資源，有效保護地層

拉頂管施工占用施工場地小，地面機位可靈活擺放，造斜只借道不擴孔。與傳統的拖拉管工藝不同，其采用頂進工藝，無須擴孔，不會形成孔道內壁與管道間的空隙，大大降低路面的塌陷概率[2]，對地層破壞可忽略不計。

3.2 提高施工精度與施工效率

采用拉頂管工藝，單段施工距離短，兩井人為第二次約束，先導桿受旋轉拉伸自動糾偏，有效控制管道標高；且拉頂管工藝采取保值頂進，平直度高，當管道投入使用后，內部也極少出現淤積。

3.3 施工質量好，確保管道施工壽命

回擴掘進拉頂施工為平行推進，無拉伸變形，壓力自平衡。管材自鎖后加鎖緊桿成為相對整體，在相對張拉預應力（作用在傳力桿）情況下形成超長扶正器，除作用在管壁的側摩阻力外，整個工藝無徑向變形外力，確保成品管道的設計使用壽命。

4 拉頂管施工路段的檢測結果

在本工程淺覆土富水軟弱地層段的拉頂管施工路段中抽取29個點進行CCTV檢測，檢測拉頂管的施工質量。其中建設二路10個點，和平路8個點，廠排街6個點，友誼路3個點，躍龍中路2個點。

根據GB 50268—2008《給水排水管道工程施工及驗收規范》中定向鉆施工管道規定：管段的線性應平順、無突變、變形現象，實際曲率半徑符合設計要求；管道內底高程中的無壓管道高程允許偏差是+20mm，-30mm[3]。針對牽引管施工易造成水土流失及引起地面塌陷的問題，亦列入檢查項。如表1所示，從檢測結果可看出，拉頂管工藝在淺覆土富水軟弱地層段管網施工中的成品質量較好，該工藝可用于同類型條件下的管網施工。

表1 現場各拉頂管施工區域標高合格率

5 結語

隨著近年來城市經濟的迅猛發展與環保意識的日益提高，城市雨污水管網的完善勢在必行。大量市政管網工程即將開展，或將遇到地層地下水豐富、管道覆土淺的施工條件。拉頂管工藝具有定向鉆地質適應廣、對管道覆土要求低、次生災害小、頂管標高控制準等優勢，可有效解決傳統施工工藝在此類條件下施工困難的問題。