微型頂管技術(shù)在復(fù)雜環(huán)境條件下排水管道工程中的應(yīng)用

孫金昭，周皓雪，吉 馳，聶俊英

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引言

目前，常見的小口徑市政排水管道施工主要為開槽埋管和水平定向鉆施工。開槽埋管施工對(duì)交通影響大，且對(duì)道路的整齊與美觀有較大破壞，其施工周期長(zhǎng)；水平定向鉆施工則主要用于小口徑的塑料排水管道敷設(shè)，相比開槽埋管施工速度快，對(duì)周邊環(huán)境影響也較小。但是在施工場(chǎng)地有限，地下管線復(fù)雜，周邊建筑密集的老城區(qū)中，兩種傳統(tǒng)的小口徑排水管道施工技術(shù)均難以有效地展開。微型頂管作為一種新型的管道非開挖施工技術(shù)，因其施工占地面積小、周期短，精度高，環(huán)境影響小等優(yōu)勢(shì)，近幾年在老城區(qū)排水管網(wǎng)更新與改造過程中逐步推廣應(yīng)用[1-4]?，F(xiàn)通過實(shí)際工程案例，介紹微型頂管技術(shù)在老城區(qū)復(fù)雜環(huán)境條件下排水管道施工中的應(yīng)用。

1 微型頂管技術(shù)簡(jiǎn)介

微型頂管亦稱為地箭式工法、二次頂管工法，分為兩次頂進(jìn)施工。第一次施工先將前導(dǎo)管和擴(kuò)孔黑管推進(jìn)貫通，第二次施工則以先導(dǎo)管作為導(dǎo)體，利用帶有切削裝置的潛盾機(jī)或簡(jiǎn)易機(jī)頭擴(kuò)孔并將管道頂進(jìn)。通過對(duì)改良部分施工方式，可在淤泥質(zhì)松軟土層中采用不排土壓密推進(jìn)，故根據(jù)排土與不排土又將其分為標(biāo)準(zhǔn)地箭式和改良式地箭。標(biāo)準(zhǔn)式地箭施工時(shí)邊推進(jìn)邊排土，改良式地箭施工時(shí)則不排土壓密推進(jìn)。

1.1 第一次頂進(jìn)施工

利用工作井內(nèi)經(jīng)緯儀觀測(cè)覘標(biāo)，扭力轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)向管前端斜面箭頭切面方向，引導(dǎo)導(dǎo)向管推進(jìn)貫通至微型頂管接收井。當(dāng)前導(dǎo)向管推進(jìn)貫通后，在導(dǎo)向管末端安裝大小頭連接內(nèi)推黑管，更換推墊后繼續(xù)將內(nèi)推黑管推進(jìn)貫通至接收井。標(biāo)準(zhǔn)地箭式在內(nèi)推黑管頂進(jìn)結(jié)束后在黑管內(nèi)裝入一定數(shù)量的螺旋出土管，在第二次頂進(jìn)施工時(shí)將切削土排出；改良地箭式則無需安裝螺旋出土管。

1.2 第二次頂進(jìn)施工

（1）標(biāo)準(zhǔn)地箭式在第二次頂進(jìn)施工時(shí)，在內(nèi)推黑管后連接帶有切削裝置的潛盾機(jī)，設(shè)計(jì)管道安裝在潛盾機(jī)之后。用潛盾機(jī)將孔徑擴(kuò)大后推進(jìn)設(shè)計(jì)管道，切削的土壤通過螺旋出土管排出。由于工作井內(nèi)放置推進(jìn)設(shè)備，出土空間較小，因此多通過接收井出土。（2）改良地箭式在第二次頂進(jìn)施工時(shí)利用簡(jiǎn)易擴(kuò)孔機(jī)頭擴(kuò)孔，設(shè)計(jì)管道安裝在簡(jiǎn)易擴(kuò)孔機(jī)頭之后隨其一起頂進(jìn)至接收井。

2 微型頂管施工技術(shù)應(yīng)用案例

2.1 工程概況

某項(xiàng)目位于城市建成區(qū)，施工地點(diǎn)周邊建筑密集，道路寬度為12 m，道路下管線密集，周邊地塊功能為建筑居住小區(qū)、停車場(chǎng)和商業(yè)用地，排水管道施工條件復(fù)雜，如圖1 所示。

圖1 施工場(chǎng)地環(huán)境條件圖示

（1）工程施工的市政排水管道管徑為DN600，雨水管道敷設(shè)長(zhǎng)度為38 m，接入鳳新路DN1000 現(xiàn)狀雨水管，污水管道敷設(shè)長(zhǎng)度為56 m，橫穿鳳新路施工。

（2）根據(jù)物探資料，現(xiàn)狀道路下市政管線包括污水、雨水、燃?xì)狻⒔o水、電力、通信以及軍用光纜等，管線埋深約2.0～4.0 m，工程施工排水管道埋深6.0～6.5 m。

考慮到開挖施工占地面積大，道路交通組織困難，擬采用對(duì)周邊環(huán)境影響較小的非開挖形式的微型頂管施工。微型頂管施工用管材采用樹脂混凝土管，管節(jié)長(zhǎng)度1 m，管道使用年限為50 a，管材本身具備很好的耐腐蝕性能。

2.2 地質(zhì)條件

根據(jù)地勘報(bào)告，該工程非開挖施工段土質(zhì)為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，流塑，高壓縮性土，其地基承載力特征值fak=65 kPa。

為盡可能減少施工占地面積和進(jìn)一步加快施工速度，結(jié)合地質(zhì)條件，該工程采用改良地箭式施工工藝，即不排土，頂管施工。

2.3 施工工藝流程

改良地箭式（微型頂管）的施工工藝流程如圖2所示。

圖2 微型頂管施工工藝流程圖

2.3.1 工作井/接收井施工

該工程微型頂管用工作井和接收井采用鋼護(hù)筒井形式，沉井施工。鋼護(hù)筒常用直徑尺寸為φ1 890 mm、φ2 090 mm 和φ2 590 mm，采用Q235B 鋼板制成，壁厚20 mm。每節(jié)標(biāo)準(zhǔn)鋼護(hù)筒的高度為2 m。為減少鋼護(hù)筒在下沉過程中與土壤的摩擦阻力以及不同土質(zhì)的干擾，刃腳節(jié)鋼護(hù)筒（最下節(jié)接土鋼護(hù)筒）接土一側(cè)需加工成鋸齒狀，鋸齒深度約10～20 cm。不同鋼護(hù)筒之間的連接需在入土之前進(jìn)行焊接，鋼護(hù)筒下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高后用C30 混凝土封底施工。

2.3.2 頂管設(shè)備安裝

微型頂管工作井施工完成后，在井內(nèi)進(jìn)行頂管設(shè)備安裝。根據(jù)頂進(jìn)管道中心軸線，安裝好工作井內(nèi)底座槽鋼，槽鋼底與地板預(yù)留500 mm 空間，作為存儲(chǔ)地下水及少量泥沙的空間。底座槽鋼完成后，根據(jù)管道軸線安裝好底板及推進(jìn)臺(tái)，通過底板上的緊固螺栓固定好頂管推進(jìn)臺(tái)。推進(jìn)臺(tái)后背與弧形鋼護(hù)筒井壁之間的空隙采用三角鐵焊接加固，以保證推進(jìn)工作臺(tái)頂進(jìn)過程中的穩(wěn)定性。

根據(jù)《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》（CECS 246），頂管施工總頂力可按下式估算：

式中：F 為微型頂管施工所需總頂力；D1為管道外徑，取值0.7 m；L 為管道頂進(jìn)長(zhǎng)度，取值60 m；fk為管道外壁與土的平均摩阻力，考慮到微型頂管施工過程中不考慮觸變泥漿減阻，取值10.0 kN/m2；NF為頂管機(jī)的迎面阻力，kN。

改良地箭式微型頂管施工使用的簡(jiǎn)易機(jī)頭頂管機(jī)端面為喇叭口式，采用擠壓式不排土頂管施工，其迎面阻力NF的計(jì)算式為：

式中：Dg為頂管機(jī)外徑，取值0.72 m；e 為開口率，取值0.2；R 為擠壓阻力，取值500 kN/m2。

綜上，計(jì)算微型頂管施工迎面阻力NF為162.8 kN，微型頂管施工所需總頂力F 為1481.6 kN。

參考頂力F 的估算值，該工程所用推進(jìn)機(jī)臺(tái)工藝參數(shù)見表1 所列。圖3 為推進(jìn)臺(tái)及油壓組合系統(tǒng)圖示。

圖3 推進(jìn)臺(tái)及油壓組合系統(tǒng)圖示

表1 微型頂管推進(jìn)臺(tái)工藝參數(shù)表

2.3.3 先導(dǎo)管頂進(jìn)

改良地箭式微型頂管的先導(dǎo)管主要包括斜面箭頭、導(dǎo)向管，以及內(nèi)推黑管（見圖4）。先導(dǎo)管施工前，在頂管工作井內(nèi)設(shè)置好激光經(jīng)緯儀，設(shè)置管道坡度。經(jīng)緯儀目鏡十字絲中心位置照準(zhǔn)斜面箭頭綠燈，若出現(xiàn)十字斜面中心偏離綠燈時(shí)，則需調(diào)整斜面箭頭前端斜面方向進(jìn)行糾偏。導(dǎo)向管根據(jù)激光經(jīng)緯儀設(shè)定坡度頂進(jìn)至接收井后，卸下斜面箭頭，開始進(jìn)行內(nèi)推黑管頂進(jìn)。內(nèi)推黑管直徑為φ220 mm，其頂進(jìn)的目的是對(duì)設(shè)計(jì)管道頂進(jìn)方向進(jìn)一步擴(kuò)孔，鎖定管道頂進(jìn)方向。

圖4 斜面箭頭及導(dǎo)向管圖示

導(dǎo)向管前端箭頭采用斜面箭頭，在推進(jìn)過程中，通過不斷扭動(dòng)斜面箭頭，引導(dǎo)導(dǎo)向管推進(jìn)。由于地層反作用力與斜面箭頭切面法線方向相反，因此在導(dǎo)向管推進(jìn)方向沒有發(fā)生偏差時(shí)，導(dǎo)向管必須不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，扭力維持在80～120 kg/m，保持導(dǎo)向管能夠直線推進(jìn)。當(dāng)導(dǎo)向管推進(jìn)方向發(fā)生偏移時(shí)，則調(diào)整切面方向至適當(dāng)方位后停止轉(zhuǎn)動(dòng)斜面箭頭，利用地層反作用力導(dǎo)正導(dǎo)向管推進(jìn)方向。

2.3.4 樹脂混凝土管頂進(jìn)

當(dāng)內(nèi)推黑管頂進(jìn)至微型頂管接收井后，在微型頂管工作井內(nèi)黑管后安裝簡(jiǎn)易擴(kuò)孔機(jī)頭。樹脂混凝土管安裝在簡(jiǎn)易擴(kuò)孔機(jī)頭之后，沿黑管軌跡緩慢逐節(jié)頂進(jìn)至接收井內(nèi)。先導(dǎo)管（導(dǎo)向管和內(nèi)推黑管）在接收井內(nèi)逐節(jié)拆除。

圖5 為排水管道頂進(jìn)完成之實(shí)景。

圖5 排水管道頂進(jìn)完成之實(shí)景

2.3.5 檢查井澆筑微型頂管施工完成后，在工作井和接收井內(nèi)按要求澆筑鋼筋混凝土污水檢查井。在污水檢查井井室澆筑之前，對(duì)管道口以上500 mm 處的鋼護(hù)筒進(jìn)行切割，以便后期鋼護(hù)筒的拔除，而管道橫穿的底部鋼護(hù)筒則遺留在地下。在檢查井井座施工完成后，進(jìn)行鋼護(hù)筒拔除。在鋼護(hù)筒拔除的同時(shí)向基坑內(nèi)回填中粗砂。

2.4 工藝特點(diǎn)分析

（1）微型頂管施工方式靈活，可根據(jù)地質(zhì)情況，選擇不排土頂進(jìn)或者排土頂進(jìn)。不排土頂進(jìn)施工工序更為簡(jiǎn)便，無土方外運(yùn)，適用于敷設(shè)在地質(zhì)松軟土層的排水管道。

（2）利用經(jīng)緯儀與導(dǎo)向管前端的斜面箭頭內(nèi)覘標(biāo)控制導(dǎo)向管的走向，施工精度成熟可控，單段管道施工誤差為±30 mm。

（3）管道頂進(jìn)施工速度相對(duì)較快，單段管道施工不超過2 d。

（4）單段管道頂進(jìn)長(zhǎng)度一般不超過60 m，每節(jié)管道長(zhǎng)度為1 m，適用于φ600 mm 以下管道的非開挖施工。

（5）可施工用管材有樹脂混凝土管、玻璃鋼夾砂管，以及鋼筋混凝土管，一般采用樹脂混凝土管居多。

（6）通過先導(dǎo)管的第一次頂進(jìn)貫通，避開地下障礙物，完成設(shè)計(jì)管道的敷設(shè)。

3 結(jié)語

微型頂管作為一種新型的小口徑排水管道施工技術(shù)，施工占地面積小，周期短、精度穩(wěn)定可控。相比傳統(tǒng)的開槽埋管或水平定向鉆施工技術(shù)，優(yōu)勢(shì)明顯，尤其是對(duì)于位于施工場(chǎng)地小、地下管線復(fù)雜、周邊建筑密集的老城區(qū)排水管道工程，提供了一種很好的施工方案，在小口徑排水管道工程施工中有推廣應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。