市政污水頂管遇障礙物處理案例分析

魏斌，高法啟，楊濤

（中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司，武漢 430010）

1 引言

頂管是一種地下管道非開挖施工方法，借助油缸的推力，把掘進(jìn)中的頂管機(jī)及其隨后的一節(jié)節(jié)管道，按設(shè)計要求從一定深度的工作坑開始頂?shù)筋A(yù)設(shè)的接收坑，再把頂管機(jī)取出[1]。這對交通繁忙、人口密集、地面建筑物眾多、地下構(gòu)筑物和管線復(fù)雜的市區(qū)來說是非常重要的。傳統(tǒng)的明挖敷設(shè)管道具有很多缺點：影響交通、損壞路面、破壞地表植被、污染環(huán)境、征地拆遷、影響人民生活等，在市區(qū)內(nèi)已越來越難以實施[2]。

然而從以往的頂管施工情況來看，糾偏失控、管道軸線或標(biāo)高嚴(yán)重偏位、管壁摩阻力過大、地質(zhì)條件變化、機(jī)械故障導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)中途停頓、機(jī)頭遇不明障礙物難以穿越等現(xiàn)象比比皆是。對于頂管遇到障礙物無法繼續(xù)頂進(jìn)，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實際情況，通過調(diào)查與綜合分析，深入剖析原因，提出針對性措施，既快又經(jīng)濟(jì)地解決問題，本文以江門市某市政污水處理廠污水收集管道過河頂管為例，介紹了頂管遇障礙物的處理方法。

2 工程概況

廣東省江門市某污水處理廠首期工程污水收集管道穿越杜阮河，長度約70 m。由于施工期間正值汛期，為避免開挖對河道及河堤造成影響，設(shè)計采用頂管方法施工，管材為DN800 mm 鋼管，型號為Q235B，管道平均埋深約6.7 m。頂管工作井采用沉井法施工，直徑7.5 m；頂管接收井采用逆作法施工，直徑4.5 m。

3 工程地質(zhì)水文條件

3.1 地形地貌

場地位于江門市蓬江區(qū)杜阮鎮(zhèn)，屬珠江三角洲沖積平原地貌區(qū)，污水管道大部分沿著杜阮河兩岸道路布設(shè)，杜阮河寬30～50 m，水深約1 m，河兩岸為漿砌塊石擋土墻護(hù)岸，墻高3～5 m。杜阮路為混凝土路面，交通繁忙，車流量較多。

3.2 工程地質(zhì)

巖土層分布：經(jīng)勘察查明，沿線出露的巖土層按地層時代、巖性、成因和風(fēng)化程度劃分，自上而下依次為第四系人工填土、沖積土、殘積土及寒武系中風(fēng)化混合巖。本項目相關(guān)土層如表1 所示。

表1 工程地質(zhì)特征分層綜述表

4 頂管機(jī)選型及推力計算

4.1 頂管機(jī)型的選擇

污水管道穿越杜阮河，頂管機(jī)位于水位以下，因此，選用泥水平衡頂管機(jī)，泥水從進(jìn)泥管經(jīng)過閥門進(jìn)入泥水倉里，然后將刀盤切削后的土體所形成的泥漿水，經(jīng)過另外的閥門后通過排泥管排出到沉淀池，泥水反復(fù)利用，即在泥水倉中建立起一定的壓力，以平衡挖掘面的泥水壓力。

4.2 頂力估算

根據(jù)規(guī)程[3]，管道總頂力按式（1）估算：式中，F(xiàn)為總頂力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；D1為管道的外徑，m；L為管道設(shè)計頂進(jìn)長度，m；fk為管道外壁與土的平均摩阻力，kN/m2；Dg為頂管機(jī)外徑，m；γS為土的重度，kN/m3；HS為覆蓋土層厚度，m。

將各參數(shù)代入式（1）得：

5 頂管遇到故障概況及處理方案

管道由WJDL20 工作井向WDRA10 接收井頂進(jìn)，頂進(jìn)約60 m 時刀盤扭矩出現(xiàn)較大異常波動，頂力突然增大，疑為遇到較大障礙物。經(jīng)過調(diào)查，靠近接收井一側(cè)的杜阮河堤基礎(chǔ)采用的是大塊拋石，導(dǎo)致頂管機(jī)頭被拋石卡住無法繼續(xù)頂進(jìn)。

頂管工程遇障礙物無法頂進(jìn)時，常用的處理方法有以下幾種[4]：（1）開天窗法。在頂管機(jī)上方通過開挖而解決問題。（2）逆套管法。在接收井反向頂進(jìn)內(nèi)徑大于機(jī)頭外徑的鋼管或其他管道，然后把機(jī)頭從接收井拉出。（3）順套管法。在工作井頂進(jìn)內(nèi)徑大于管道外徑的鋼管，從而確保土體不坍塌或設(shè)法減小管壁摩阻力的方法。（4）內(nèi)套管法。在原來的管道內(nèi)頂入一支直徑稍小的鋼管，并與機(jī)頭連接，從而達(dá)到重啟機(jī)頭的目的。（5）引導(dǎo)洞法。在接收井中，逆向頂入同口徑管道，使兩機(jī)頭對接，然后此頂彼拉，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)的一種解決方法。本工程由于在河堤處遇到拋石基礎(chǔ)，套管法及引導(dǎo)洞法也無法穿越，因此，只能采用開天窗法破除河堤基礎(chǔ)。

在頂管遇障礙處，河堤內(nèi)外均施打12 m 長拉森Ⅳ型鋼板樁作為圍堰兼支護(hù)，破堤并清除河堤拋石基礎(chǔ)障礙后，再由原來的WJDL20 工作井繼續(xù)頂進(jìn)至WDRA10 接收井。河堤外側(cè)的鋼板樁施工后堆放沙包，機(jī)頭所在位置河堤邊回填沙包，坡比為1∶2。處理方案平面圖及剖面圖如圖1～圖3 所示。

圖1 頂管平面圖

圖2 A-A 剖面圖

圖3 B-B 剖面圖

6 方案實施

主要處理工藝如下：測量機(jī)頭位置→工作井處恢復(fù)機(jī)頭轉(zhuǎn)動狀態(tài)→河道填土方→鋼板樁施工→破堤清障→填沙包→繼續(xù)頂管→恢復(fù)河堤→鋼板樁拆除→恢復(fù)路面→清理河道。

6.1 鋼板樁施工

沉樁拔樁均選用的挖掘機(jī)（KATO1250）加振動錘改裝而成振動打樁機(jī)，此機(jī)械施工鋼板樁振壓相結(jié)合，能迅速將鋼板樁打入指定深度，鋼板樁相互之間采用鎖扣打入措施以增強(qiáng)鋼板樁的整體性，樁頂以下1 m 設(shè)槽鋼腰梁、角撐和φ400 mm鋼管組成內(nèi)支撐。

6.2 土方開挖

河堤外側(cè)鋼板樁施工完畢后，在離樁頂1 m 高的位置設(shè)置腰梁和安裝內(nèi)支撐（含角撐）。破堤從內(nèi)側(cè)進(jìn)行土方開挖，破堤寬度約為3.5 m，土方開挖至1.5 m 時，做河堤內(nèi)側(cè)鋼板樁的內(nèi)支撐。再進(jìn)一步開挖土方至機(jī)頭底（約-6.5），清除機(jī)頭前方障礙物，挖出土方須堆放在離基坑邊不少于10 m 處或運走。頂管機(jī)頭開挖圖見圖4。

圖4 頂管機(jī)頭開挖圖

6.3 土方回填

清除完障礙物后，在頂管機(jī)頭前方位置埋設(shè)一段長3 m、直徑1300 mm 鋼管（壁厚10 mm），以便機(jī)頭可順利穿越。將鋼管定位后，采用黏土重新回填至管面頂2.5 m 左右。

6.4 機(jī)械頂管

調(diào)試機(jī)頭正常后，回填土方，在原有工作井按原施工方法繼續(xù)進(jìn)行頂管作業(yè)，頂進(jìn)過程中須先拆除阻擋機(jī)頭前方的鋼板樁，直至進(jìn)至接收井。

6.5 恢復(fù)河堤、路面、河道

當(dāng)管道頂進(jìn)接收井后，重新開挖破堤處土方，河堤底鋼管兩側(cè)先粗砂填滿并加水用振動棒振實，搗100 mm 厚C20 墊層，再做河堤基礎(chǔ)和擋土墻，恢復(fù)原貌。待擋土墻施工完畢后，拆除鋼板樁，回填土方，修復(fù)路面，最后采用長臂挖土機(jī)清理河道。

7 結(jié)語

本工程頂管過程中遇到河堤拋石基礎(chǔ)，通過調(diào)查分析和方案比選，選擇適合工程實際的處理方案，順利完成頂管施工，可為同類工程提供借鑒和參考。