退管法在原水工程鋼頂管施工中的應用

吳永華

（上海城建水務工程有限公司，上海市 200080）

0 引 言

隨著我國城鎮化進程加快推進，城鎮供水安全問題逐步顯現，被稱作“生命水源工程”的原水工程，在全國各地加緊建設。原水工程管道敷設主要采用開槽埋管和非開挖埋管兩種施工工藝，目前在我國城市化進程的城市基礎設施建設中，更多的是采用非開挖埋管這一技術。頂管作為非開挖施工中最常用的工藝之一，是原水工程管道敷設的主要施工工藝。

頂管施工中，不可避免的會出現設備故障、遇到障礙物等特殊情況，導致頂管機無法繼續頂進敷設管道，原水管道無法順利貫通。以上海某原水工程鋼頂管區間穿越河道中途發生頂管機減速器損壞，主軸失去動力，無法繼續頂進的工況為例，采取退管法實現了管道貫通，并詳細闡述退管法在原水工程鋼頂管施工中的應用。

1 工程概況

上海某原水工程鋼頂管區間為該工程2# 至1#段頂管區間，下穿大治河，管道采用DN1400 鋼管敷設，區間長度363 m，其中穿越大治河段長度約102 m，頂管平面圖如圖1 所示。頂管管道覆土9～16 m，穿越大治河時最淺覆土深度為9 m。1# 井、2# 井均采用地下連續墻作為基坑圍護，基坑深度分別為19.5 m、20.0 m。

圖1 頂管平面示意圖

2 頂管施工中設備故障及問題分析

本段頂管區間穿越土層為淤泥質黏土，在累計頂進180 m 時，碰撞不明障礙物，頂管機電機瞬時過載后暫停施工，此時頂管機正處于大治河下方，如圖2所示。

圖2 頂管機位置示意圖

施工人員嘗試轉動刀盤時，減速器內發出“咯噠咯噠”聲響，初步判定減速器內齒輪間咬合不良，刀盤無法正常運轉。施工人員拆卸減速器檢查問題，發現齒輪前端的軸承保持架，均發生不同程度的斷裂破壞，導致齒輪間無法正常咬合，主軸無法轉動，頂管機主軸箱體結構如圖3 所示，頂管機主軸總裝圖如圖4所示，軸承位置如圖4 中標注⑨所示。該軸承安裝在頂管機胸板上，需從前側拆除維修，現頂管機位于大治河底部，現場不具備更換軸承的施工條件。因此，如何繼續實現管道貫通是本段頂管區間急需解決的難題。經考慮實際工況，決定采用退管法，將已頂180 m管道全部拔出。

圖3 頂管機主軸箱體結構

圖4 頂管機主軸總裝圖

3 方案論證和比選

頂管施工過程中發生設備故障，當頂管機內部不具備維修條件時，通常在故障發生點，新建一座臨時井，從接收井反頂一條新管線，在臨時井內與故障管線對接，實現管道貫通，亦可從接收井新進一臺頂管機，反頂至故障頂管機位置，采取地下對接工藝，實現管道貫通。而該頂管區間實際工況是頂管機已頂進180 m，位于大治河底部，無法施做臨時井，亦無法確保安全地下對接。綜上所述，擬采用頂管退管法實現管道貫通。為此，共提出三種退管方案：方案一，在2# 井實施故障管線退管后，更換新的頂管機原位重新頂進；方案二，在1# 井內新進一臺頂管機頂進至故障管線位置后，同步頂退，1# 井退出一節管道、2# 井頂進一節管道，直至貫通；方案三，在1# 井內新進一臺頂管機頂進至故障管線位置后，同步頂退，2# 井退出一節管道、1# 井頂進一節管道，直至貫通。三種退管方案比選見表1。

表1 三種退管方案比選

經過以上三種方案的比選，綜合考慮技術難度、施工可行性后，確定退管方案三更符合現場實際工況，可作為本段頂管區間實現貫通的實施方案。

4 退管法實施及效果

4.1 施工流程

退管方案總體流程主要包含頂進、同步頂退兩個階段，階段一在1# 井內布井，新頂管機頂進至故障頂管機，階段二在2# 井內布置退管裝置，當兩個頂管機對接后同步頂退，最終實現管道貫通，如圖5所示。

圖5 退管方案示意圖

4.2 施工準備

4.2.1 新頂管機選型及保養

頂管口徑小、穿越淤泥質黏土層，故選用與故障頂管機同型號的DN1200 泥水平衡頂管機，外徑1 440 mm，配備2 臺15 kW 電機，刀盤扭矩系數為31.3 kN·m，滿足頂進動力需要。新頂管機刀盤面板環向增設12 把鎢鋼切混凝土刀，保證全斷面具備清障功能，應對不明障礙物。

為避免新頂管機再次發生設備故障，造成更為嚴重的工期、成本影響，新頂管機進場前，在廠內由專業機修工進行全面的檢查、維修、保養，重點關注施工中不可維修部分，如刀盤刀具磨損、主軸轉動異常、減速器故障、密封圈裂紋變形、潤滑油脂滲漏污染等情況。

4.2.2 測量控制系統

不同于常規的工作井頂向接收井，故障頂管機位置與原設計軸線已發生偏離現象，新頂管機需精準對接故障頂管機后，再根據接收洞門同步頂退。頂進軸線和頂管機凈距控制非常困難，因此建立測量控制系統特別重要，出洞、碰接、頂退、進洞各個環節測量的精準度直接關系到頂管區間能否順利貫通。繪制故障管線實際線形，擬合出新頂管機頂進軸線，因鋼頂管管節間剛性連接，糾偏較為困難，應勤測勤糾指導頂進參數修正，使偏離值不斷趨于0。同步頂退時，頂管機間凈距控制≤20 cm，一方面，凈距偏大會造成水土流失嚴重，另一方面，凈距偏小時兩個頂管機會發生磕碰、錯位風險。

4.2.3 洞門止水系統

接收井需改造洞門止水，以滿足頂管出洞要求。U 形法蘭連接的雙道襪套止水，是目前廣泛應用在埋深較深的頂管洞門的止水處理方式。

工作井需改造洞門止水滿足退管要求，故障管線長時間停機、觸變泥漿套失效導致背土效應，退管中會造成橡膠板外翻止水失效、水土流失。故障管線停留在洞門內，無法拆卸原單道止水板后進行改裝。為避免隱患發生，在現有洞門外安裝DN1600 鋼管作為內模，重新澆筑洞門，形成雙道鋼絲刷配合兩道橡膠板止水形式，如圖6 所示，同時洞門處設3 口降水井，減少水土壓力。鋼絲刷普遍應用于盾構施工止水中，止水效果好，安全系數高，在鋼頂管退管過程中可避免外翻現象。

圖6 工作井洞門改造示意圖

4.2.4 故障頂管機改造

故障頂管機前后殼體采用4 根50 t 糾偏油缸鉸接，頂進過程中通過調整4 根油缸行程，達到糾偏目的。鉸接的連接形式，在頂管正常頂進過程中，受正面水土壓力作用，前后殼體不會發生脫落。采用退管工藝時，頂管機前方變為主動土壓力，前后殼體會發生脫落，造成大量水土進入管道。為保證前后殼體的有效連接，在頂管機環向設置8 塊20 mm 厚筋板進行加固，使之由鉸接連接變為剛性連接，并在退管過程中實時監控筋板連接情況，避免發生脫落事故。

4.3 同步頂退關鍵技術

4.3.1 退管裝置

大量鋼筋混凝土管退管案例中，因管節大都是采用承插口形式的柔性接頭，退管多采用的是鋼絞線連接故障頂管機進行退管的方式，而本工程鋼頂管管節采用焊接形式的剛性連接，不會發生類似脫落事故，因此在退管井內洞門位置布置退管裝置，如圖7 所示，在鋼管上設置牛角，借助2 根200 t 油缸提供推力，將故障管線所有管節逐節退出到井內，最終完成退管施工任務。

圖7 退管裝置示意圖

4.3.2 退管前搖管

故障頂管機長時間停機產生背土效應，開始退管前利用退管油缸和原頂進油缸來回搖管，并同步向管壁外注膨潤土泥漿，當摩阻力系數f≤3.5 kN/m2后，停止搖管，開始退管施工，根據上海市工程建設規范《頂管工程施工規程》（DG/TJ08-2049—2016）中頂管總頂力公式，計算出此時退管力F=2 850 kN，即退管力逐步減少到2 850 kN 時停止搖管施工。

4.3.3 故障頂管機姿態控制

退管是利用退管油缸將管節退至井內，過程中故障頂管機處于停機狀態，無法依靠糾偏系統進行軸線控制，會發生水平、豎向偏移。當發生水平偏移后，通過調整2 個退管油缸的行程差，緩慢糾偏。當發生豎向偏移后，在故障頂管機正上、下方各開設1個2 寸孔并安裝球閥，頂管機上漂時，從上方孔壓入厚漿，輔以下方孔放土進行糾偏；頂管機磕頭時，從下方孔壓入厚漿，輔以上方孔放土進行糾偏。應增加頂管機姿態監測頻率，勤糾緩糾，嚴禁急糾，造成軸線失控、摩阻力劇增等事故。

4.3.4 同步頂退控制

同步頂退時，新頂管機與故障頂管機間凈距控制≤20 cm，頂進和退管兩套控制系統應同步聯動，同時頂退，協調一致。安排兩組專業技術人員，實時溝通頂進參數，保證聯動機制，重點監測開頂時間、終頂時間、頂進速度、頂進距離和退管距離等，避免頂管機凈距過小引起的磕碰事故或頂管機凈距過大引起的坍塌事故。如此反復逐節退出所有管節、同步頂進新的管節。

4.3.5 填充泥漿施工

退管填充泥漿，可避免退管過程中引起的水土流失、地面坍塌事故，借助原泥漿循環系統的進泥管，根據泥水壓力表數值，適時向頂管機前方補充泥漿，達到水土壓力平衡的目的。根據土層特性，選用黏度大、失水量小的優質泥漿，確保退管過程中泥水平衡面穩定，泥漿坍落度控制在180～220 mm，黏度控制在22～26 s，由注漿泵注入到進泥管中。

4.3.6 貫通應急預案

當退管完成退出故障頂管機后，新頂管機與洞門仍有近20 cm 的距離，此時洞門處于敞開狀態，洞門止水失效，受地下水侵擾，易發生滲水、管涌、流土的現象，搶護不及時將引起大量水土流失，造成漏洞險情。險情發生后，應立即啟動貫通應急預案：水下進洞法，向井內回灌水平衡基坑內外水頭。新頂管機進入洞門后，潛水員水下探摸涌水涌砂情況，用高壓水槍將洞口沖刷干凈，并預制月牙形鋼板，采用水下焊接工藝，將鋼管和井壁套筒間隙焊接封閉。封閉完成后從地面打設注漿管，在管道外側注雙液漿，漿液固化3 d 后，抽水拆除頂管機。

4.4 實施效果

頂進階段同常規頂管施工，在同步頂退階段，兩頂管機凈距控制與地表沉降關系密切，發現當兩頂管機凈距30～50 cm 時，地表發生1～2 cm 不均勻沉降，當兩頂管機凈距10～20 cm 時，地表沉降保持在1 cm 以內，佐證前述頂管機凈距20 cm 的合理性。頂進耗時6 d，同步頂退耗時8 d，順利解決管道無法貫通的難題。

5 結 語

區別于鋼筋混凝土管頂管，原水工程鋼頂管管節剛性連接，更便于退管法的實施，結合某原水工程鋼頂管設備故障無法貫通的工況為例，優化退管方案，創新提出同步頂退工藝，通過適時填充泥漿減少水土流失、故障頂管機開孔注厚漿輔助糾偏、合理控制頂管機凈距20 cm、利用原油缸主動止退、洞門止水改裝及制定針對性的貫通應急預案等一系列措施，成功完成管道貫通任務，具有工期短、成本低、影響小的特點，為今后類似原水工程鋼頂管施工提供一些可參考的措施。