下穿古城墻超前導管支護敞口式頂管施工技術

韓 東 平

(山西六建集團有限公司，山西 太原 030000)

0 引言

近年來，隨著城鎮的快速發展和人民對美好生活的向往，國家對環境治理的強化，老舊城區改造工作迫在眉睫，而對歷史文化名城進行提升改造更顯的尤為重要。歷史文化城區，區域內文物建筑眾多，文化內涵深厚，由于其歷史性，隨著時代的推移與發展，區域內市政配套設施不足、管網規劃不能滿足發展需要、原有管線老化嚴重、消防安全隱患大等等問題，落后的市政基礎設施不僅難以滿足廣大居民日常需求，也嚴重制約了區域整體功能品質的提升。

1 工程概況

某歷史文化名城建設年代久遠，較完整的保留著明清時期縣城的基本風貌，是中國漢民族地區現存最為完整的古城，本次基礎設施提升改造項目包括古城內雨水管線、污水管線、電力管線、給水管線、弱電管線新建與改造以及道路鋪裝工程和新建配電室工程等。根據已有地勘報告數據了解，地勘揭露場地滯水水位埋深介于自然地坪下9.30 m～13.40 m之間，本次施工不涉及地下水。

古城北門出城門雨水管道設計為DN1 600(K9)球墨鑄鐵管，長度48 m，雨水管坡度為0.2%，埋深4.5 m，管道上方1 m處有一雨污箱涵(寬×高=2 000×1 400)，施工過程中須保證箱涵不破壞，施工難度大。

2 頂管施工方案選擇

根據設計要求和主雨水管段所處周邊狀況及地質情況，加之對古建筑與古城墻的保護，頂管施工保護措施采取頂管前完成對地質結構加固的管棚施工，且待管棚強度達到設計指標和驗收規范標準后開始實施頂管作業。

古城道路、城門及城墻對于變形沉降要求很高，因此，施工過程中避免采用帶水濕作業，經研究后確定采用敞開式人工掘進頂管施工，以有效提高土體結構的穩定性，規避和減少擾動土層及引起的沉降，確保古城墻和既有設施、管線的安全。

3 施工工藝原理及工藝流程

敞口式頂管施工技術應用時間較長，技術成熟，其工藝原理是：頂進管前端增設與管道外徑同等直徑的鋼套筒作為前刃腳(鋼刃腳)，以達到吃土頂進和穩定管道環向土體，管后端配置與頂力相匹配的頂鎬進行頂推，待前刃腳頂進土體500 mm，人工挖土300 mm(不超出鋼套筒長度)，循環往復，直至頂進結束。其顯著的特點是掘進過程前端土體始終可以直觀了解和掌握，頂進方向可以精準控制，地下各類障礙也能及時發現，可有效保護地下不明的管線或文物，并能有效控制管道軸線間與土體空隙范圍，頂進過程周邊塌陷現象幾率較小(工藝流程見圖1)。

4 主要施工要點

4.1 工作坑和接收坑施工

根據圖紙設計要求及施工現場實際情況，將頂管工作坑設置在城門外，方便吊車、頂管設備、出土堆場等設置；將接收坑放置在城門之內，占據空間小，對古城居民生活及旅游影響較小。

工作坑尺寸為內徑7 500 mm×4 000 mm，壁厚為500 mm，底板厚600 mm，坑深6 350 mm；混凝土標號C30,P6，坑邊設置兼擋水作用的鎖口冠梁，寬×高=750 mm×400 mm；接收坑尺寸為內徑φ6 000 mm圓形，壁厚400 mm，底板厚500 mm，坑深6 000 mm；混凝土標號C30,P6，坑邊設置兼擋水作用的鎖口冠梁，寬×高=750 mm×250 mm；工作坑及接收坑采用逆作法施工，確保坑邊建筑物、原有管線、道路變形沉降符合規范要求，確保施工安全，其中接收坑采用組合式定型圓鋼模施工。

4.2 超前導管支護施工

擬建雨水管線埋深3 260 mm，距頂管1 000 mm為原有污水箱涵，箱涵底距離地面1 800 mm。根據設計要求，在擬建雨水管線兩側及上部距離管線外壁500 mm施打11根φ108無縫鋼管，管長18 m，每根管間距 500 mm，注漿擴散半徑200 mm。管棚成孔布置見圖2。

管棚成孔順序為6→5,7→4,8→3,9→2,10→1,11；管棚成孔采用螺旋定向微頂鉆機(自帶激光導向系統，自動調節頂進方向)，鉆桿直徑φ140，長度1.5 m，絲扣連接；管棚成孔方向為主雨水管軸線方向，坡度0.2%，距主管外壁500 mm；管棚注漿采用水灰比為0.8∶1～1∶1、注漿壓力為0.2 MPa～0.4 MPa水泥漿，注漿加固土體擴散半徑200 mm。水泥采用有效期內合格的 P.O42.5，注漿用水pH值不得小于4；注漿順序為先下后上，左右跳注，即按前示意圖管口編號 1→11,2→10,3→9,4→8,5→7,6；管棚采用后退式二次分段注漿，第一次注漿結束，停滯5 min～10 min，待水泥漿收縮后，再進行第二次注漿，且注漿壓力保持10 min不掉壓為止，確保注漿飽滿，若注漿時發現注漿壓力出現大的變動，應采用間歇反復注漿處理。管棚用鋼管如圖3所示。

4.3 頂管施工

4.3.1鋼刃腳入洞

待準備工作完成，設施設備完備，經復核驗證，即可進入頂管施工階段。

鋼套筒前刃腳為長1.2 m，即吃土深度為1.2 m，由上部向下取土，挖取土時距前刃腳內壁環向100 mm處開始，待大面積土挖完后，進行修邊至內壁。每頂一鎬結束，按上述要求繼續挖取土，挖土時嚴禁傷及球墨鑄鐵管內保護層。

開始頂進時，先將洞口封門破除，人工向前挖土500 mm～800 mm，各項指標參數符合管線軸線數值時，啟動頂鎬，將連接完成的鋼刃腳和第一根球墨鑄鐵管緩慢推進洞口，頂進速度控制在15 mm/min以下，并使鋼刃腳進入吃土頂進狀態，待第一根管道1/2長度進洞，再次檢查復核各項指標：軸線、高程、頂力、測量儀器等是否符合設計和頂進要求。

4.3.2管道頂進施工

第一根管道及鋼刃腳按要求進洞后，各項指標經檢查合格后，即開動高壓油泵，使千斤頂產生頂力，通過傳力設備，借助于后背的反作用力，推動管體前進，一鎬結束后，回鎬使千斤頂復原，然后在空檔處填放頂鐵，以待下次頂進。如此循環往復，直至整根管道頂進完成。頂進過程中應注意以下幾點：

1)每次頂進前對設備情況進行檢查。挖土時禁止隨意超、欠挖，挖土自上而下進行，挖土中隨挖隨頂，同時杜絕帶水頂進。

2)管道頂進過程中注意防止“叩頭”或“抬頭”，前刃腳始終保持吃土頂進。

3)為確保周邊環境安全，頂進時采用少挖多頂的方法，每次開挖頂進長度控制在30 cm～40 cm，勤挖快頂。

4)規范中規定敞口式頂管施工時，采用敞口式(手工掘進)頂管機，在一定范圍內可以有一定的超挖量，但出于本工程特殊性，本次頂管施工完全禁止超挖，確保古城安全。

4.3.3監視測量及糾偏

為較好的控制頂管過程中管道行走方向和管道軸向符合設計要求，在頂管設備安裝就位后，合理設置頂進測量控制點和測量儀器安裝。

1)中心測量:頂進過程中要時刻對頂管頂進準確度進行監視測量，每頂進30 cm采用經緯儀或激光導向儀測量。

2)高程測量:用水準儀及特制高程尺，根據工作井內設置的水準點標高(設2個)，測第一節管制走向趨勢。測量后應與工作井內另一水準點閉合。

3)激光測量:用激光經緯儀(激光束導向)安裝在工作井內，并按照管線設計的坡度和方向調整好，同時在管內裝上標示牌(接受靶)，當頂進的管道與設計位置一致時，激光點即可射到標示中心，說明頂進質量無偏差，否則應根據偏差量進行矯正。

4)測量記錄內容：分部分項工程名稱，測量時間，儀器型號/精度，坐標高程給定值測量位置，誤差量、測量人等。

4.4 管外注漿

4.4.1注漿施工工藝

場地清整→封堵雨水管側→安裝注漿設備→連接注漿管→注入漿液→封堵注漿孔→清洗注漿管。

4.4.2注漿施工

現場將雨水管和工作井壁的縫隙采用M10摻防水粉水泥砂漿封堵，達到不滲水、不漏水，待達到設計強度后進行注漿作業。注漿時，將根據現場實際情況適當加入特種材料(硅酸鈉)以增加可灌性和早期強度，水灰比按1∶1.5,注漿孔采用管道預留的注漿孔，注漿壓力0.2 MPa～0.4 MPa,以注滿管壁周圍縫隙為準，注漿過程中隨時觀察空壓機的壓力儀表的壓強以及相鄰注漿孔出漿情況，同時考慮到水泥漿液滲透特性，采用二次注漿方式壓力注漿，確保雨水管與周邊土體緊密結合無空隙，保障工程安全。

注漿結束后，采用配套堵絲對注漿孔進行封堵，防止漿液流出，并清洗注漿管，做到工完場清。

4.5 文物、周邊建(構)筑物監測

由于古城城墻年代久遠、文物價值大，因此制定了比常規施工過程中對周邊建(構)筑物要求更為嚴格的監測頻率及報警值，隨時掌握其變形情況，將監測數據與預警值進行比較，以判斷頂管施工工藝和施工方法是否對文物安全造成威脅。周邊建(構)筑物監測報警值見表1。

表1 周邊建(構)筑物監測報警值

4.5.1文物監測

1)為了保證在頂管施工過程中古城城墻、城門等文物安全，我們制定文物專項監測方案，主要針對文物沉降、傾斜(如圖4所示)、裂縫(如圖5所示)等變形監測以及施工期間振動進行監測。

2)本次頂管工程采用自動化在線監測系統，運用無線智能傾角計、無線智能振動計、靜力水準計、深度傾斜儀、振弦式應變計、表面裂縫計等多種智能傳感器設備，并將各點位監測數據實時上傳至云平臺，可隨時調取查看，預警能力強，為施工提供安全保障。智能監測設備布置見圖6。

4.5.2周邊建(構)筑物監測

在保證古城城門、城墻等文物安全同時，為了保障城門居民生活、古城旅游、交通運輸等正常運行，在頂管兩側各1倍頂管埋深且不小于2倍頂管外徑的范圍累計確定了9個觀測點。經過施工過程中沉降觀測，沉降量最大為2.286 mm，符合圖紙及規范要求。

1)沉降觀測點布置圖見圖7。

2)施工過程中沉降監測數據見圖8。

5 質量、安全控制

1)頂管正式施工時，先對頂管設備、測量設備、起重設備等均進行試運行，確保施工質量。

2)開始頂進第一根雨水管時，必須保證管道與導軌的中線、標高、預設起坡符合設計及規范要求。

3)采用人工挖土時，嚴禁從管中直接開挖，應采用自上而下分四個區域進行分層開挖，頂進過程中嚴禁超挖。

4)雨水管管節之間采用橡膠密封圈進行連接，橡膠密封圈安放位置應正確，需要時應按要求進行管道密封檢驗。

5)管道工程軸線及標高由測量人員放出后，經施工技術人員校核無誤，并經監理工程師簽字認可，方可進行下道工序施工。

6)作業人員，進場必需進行安全生產教育，經考試合格后方可上崗作業。

7)特殊作業人員上崗必須具備相關工種操作合格證書或崗技證書，嚴禁無證上崗操作，杜絕違章作業。

8)安全撤離現場，恢復施工現場的本來面目，做到不留隱患，對環境沒有破壞和污染。

9)頂進過程中確保管道內通風、照明良好，嚴格控制頂管作業人員在有限空間內作業時間，保證工人施工安全。

10)現場施工用電嚴格按照臨時用電施組及相關規范執行，實行“一機一閘一漏保”的原則，施工現場的臨時照明采用220 V電源照明，井坑及管道內24 V安全電壓。

6 結語

采用下穿古城墻超前導管支護敞口式頂管施工技術在歷史文化城區提升改造項目中的應用，通過特定可微調頂進方向的切土機頭，在避免濕作業給文物建筑帶來不安全因素的同時還保證了常規手掘式大直徑頂管作業中糾偏能力差的缺點，經過在本項目施工過程中成功的應用，為以后在類似歷史文化城區改造或下穿保護等級高的建(構)筑物施工過程中起到很好地借鑒作用。