泥水平衡式頂管施工方法

王曉東,仇志峰,魏松

（山東省膠東調(diào)水局,山東濟(jì)南250100）

［摘要］頂管施工是一種地下管道施工方法,，它不需要開挖面層，并且能夠穿越公路,、鐵道,、河川,、地面建筑物,、地下構(gòu)筑物及各種地下管線,。文中通過山東省膠東地區(qū)引黃調(diào)水工程管道頂管穿越S302省道施工應(yīng)用為例,，介紹了泥水平衡式頂管施工方法的優(yōu)點(diǎn),，詳細(xì)闡述了沉井施工,、頂推力計(jì)算和頂管施工的工藝流程和主要技術(shù)措施，對同類工程施工具有一定借鑒意義,。

［關(guān)鍵詞］泥水平衡式頂管,；穿公路；施工技術(shù)；膠東調(diào)水工程

頂管施工是一種借助于主頂油缸及管道間中繼間等的推力,，把工具管或掘進(jìn)機(jī)從工作井內(nèi)穿過土層一直推到接收井內(nèi)吊起,，同時(shí)把緊隨工具管或掘進(jìn)機(jī)后的管道埋設(shè)在兩井之間，以期實(shí)現(xiàn)非開挖敷設(shè)地下管道的施工方法,。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是不開挖地面,；不拆遷，不破壞地面建筑物,；不影響交通,；不破壞環(huán)境；施工不受氣候和環(huán)境的影響,；不影響管道的段差變形,；省時(shí)、高效,、安全,，綜合造價(jià)低,；近年來在管道施工中得到大量應(yīng)用,。泥水平衡式頂管是一種以全斷面切削土體,，以泥水壓力來平衡土壓力和地下水壓力,，又以泥水作為輸送棄土介質(zhì)的機(jī)械自動化頂管施工方法。下文通過該工法在山東省膠東地區(qū)引黃調(diào)水工程管道穿越S302省道工程中的應(yīng)用,，對泥水平衡式頂管施工工藝及主要技術(shù)措施進(jìn)行闡述,。

1 工程概況

山東省膠東地區(qū)引黃調(diào)水工程是山東“T”字形調(diào)水大動脈的重要組成部分,，工程從濱州打漁張引黃閘引取黃河水，利用現(xiàn)有引黃濟(jì)青工程輸水至濰坊昌邑市宋莊鎮(zhèn),，在該鎮(zhèn)新建宋莊分水閘分水,，經(jīng)青島、煙臺部分區(qū)市至威海米山水庫,。工程自高疃泵站至米山水庫段主要為管道工程,，全長90 km。管道線路在牟平段樁號3+525處穿越S302省道,，該道路是當(dāng)?shù)亟煌ㄒ?，往來車輛多，破路施工協(xié)調(diào)難度大,。該段工程設(shè)計(jì)采用頂管方式,，按照工程地質(zhì)條件，頂管需穿越壤土,、砂壤土,，淤泥質(zhì)中細(xì)砂、中粗砂土層,，土質(zhì)情況復(fù)雜,，經(jīng)綜合比選，施工采用封閉式泥水平衡機(jī)頭頂管工藝,，頂管長183 m,，地面至管底深6 m左右。該管段管材為螺旋鋼管,，鋼管管徑DN2 200 mm,，壁厚20 mm。

2 沉井施工

沉井由工作井和接收井組成,，采用沉鋼筋混凝土井工藝施工,。工程工作井尺寸為7.5 m×4.5 m，接收井尺寸為4.5 m×4.0 m,，沉井施工采用一次制作一次下沉的方法進(jìn)行,。沉井施工是一個(gè)技術(shù)要求高、難度較大的項(xiàng)目,，且是24 h下沉,，施工管理人員要現(xiàn)場值班，做好現(xiàn)場記錄,，對沉井下沉要做預(yù)先估算,，同時(shí)考慮應(yīng)變措施，加強(qiáng)現(xiàn)場管理協(xié)調(diào),，以保證沉井按要求下沉到位,。

2.1 工藝流程

沉井施工主要工藝流程為：測量放樣→平整場地→基坑開挖至地下水高程以上→砂墊層回填,、密實(shí)→沉井制作→沉井下沉→沉井封底→鋼筋混凝土底板→頂背安裝、鑄鐵踏步等→工作井頂蓋施工,。

2.2 沉井制作

2.2.1 平整場地,、測量放樣

基坑開挖前先平整場地，隨后根據(jù)設(shè)計(jì)井位座標(biāo)將井位放出,，利用周圍環(huán)境做好井位控制點(diǎn)并加以保護(hù),，同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)提供的水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測，根據(jù)施工需要,，設(shè)2～3個(gè)水準(zhǔn)控制點(diǎn),，并加以保護(hù)。施工中所設(shè)的座標(biāo)控制點(diǎn),、高程控制樁需復(fù)核無誤后方可進(jìn)行下道工序施工,。

2.2.2 基坑開挖

工作井開挖前應(yīng)先查明工程范圍地質(zhì)構(gòu)造和地下水情況。該處工程位于辛安河壩基外側(cè),，地下水埋深在4 m左右,，沉井開挖需分步實(shí)施。水面線上基坑開挖以液壓挖掘機(jī)配合人工開挖并修整邊坡,，當(dāng)開挖還剩20～30 cm時(shí)采用人工修挖坑底,，以保證坑底不被擾動及保證坑底的平整度。在坡腳處設(shè)20 cm×20 cm盲溝,，并設(shè)集水井以抽排明水，保證基坑干燥,、穩(wěn)定,。基坑周圍不堆放土方,，基坑坡腳至井壁的空間要滿足搭設(shè)腳手架,、支模及扎筋等的處理空間。

2.2.3 墊層制作

墊層采用中粗砂回填,，需分層回填,、分層振搗密實(shí)，墊層表面應(yīng)保持平整,，平整度誤差控制在±10 mm以內(nèi),，在其上間隔鋪墊枕木。

2.2.4 沉井澆筑

沉井澆筑混凝土采用商品混凝土,?；炷翝仓驼駬v分層實(shí)施，每層厚度不超過50 cm,，插入式振搗器按30 cm平面有效直徑布置振搗,，施工過程應(yīng)控制在混凝土初凝時(shí)間內(nèi)完成該層混凝土的澆筑,。澆筑前在井的四角設(shè)置沉降觀測點(diǎn)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)沉井在澆筑和振搗過程中造成的不均勻沉降,。如澆筑過程中發(fā)現(xiàn)不均勻沉降現(xiàn)象,，應(yīng)及時(shí)采取措施，調(diào)整澆筑的順序和部位,，避免造成偏差影響工程質(zhì)量,。

2.3 沉井下沉

2.3.1 準(zhǔn)備工作

下沉前，在井壁外側(cè)用漆噴涂高度標(biāo)識,，高度標(biāo)示每50 cm設(shè)置1處,，同時(shí)標(biāo)示明確下沉完畢后標(biāo)高。井頂設(shè)置測量中心位移的標(biāo)識,，井內(nèi)壁上由刃腳至頂部也需設(shè)明顯的高度標(biāo)志,。沿內(nèi)外井壁安裝爬梯，爬梯應(yīng)有安全圍欄,，井上搭設(shè)工作平臺,。

2.3.2 下沉方法

沉井下沉采用人工挖土下沉，卷揚(yáng)機(jī)吊土方式進(jìn)行,。沉井下沉前應(yīng)計(jì)算沉井各階段的下沉系數(shù),，沉井挖土的順序和方位應(yīng)根據(jù)下沉系數(shù)的不同，加以調(diào)整,。

沉井下沉深度每次按50 cm控制,，挖土下沉應(yīng)遵循對稱、均勻開挖原則進(jìn)行,。開挖順序應(yīng)先中間開挖然后向兩邊進(jìn)行,，逐步擴(kuò)挖至刃腳附近，使沉井平穩(wěn)下沉,。中心深度應(yīng)從嚴(yán)控制,，并防止開挖深度過大出現(xiàn)突沉現(xiàn)象。

沉井下沉過程中,，應(yīng)重視和加強(qiáng)觀測,，如發(fā)現(xiàn)偏斜應(yīng)及時(shí)糾正。沉井下沉困難時(shí),，在井頂均布加荷或在沉井外壁摻入適量黃沙減少摩擦阻力,；沉井傾斜時(shí)，可采取高側(cè)多挖土,、低側(cè)少挖土或高側(cè)增加荷載等方法糾偏,。

2.3.3 終沉控制

當(dāng)沉井刃腳踏面下沉至離設(shè)計(jì)標(biāo)高還剩1 m左右時(shí)，沉井進(jìn)入終沉階段,，此時(shí)應(yīng)切忌“深鍋底”,，因?yàn)檫^深的鍋底,，可能導(dǎo)致刃腳下土體大量向井內(nèi)涌入，易發(fā)生突然下沉或超沉,。應(yīng)先挖刃腳附近的土體,，形成“反鍋底”，然后視情況再挖中心部位土體,，控制好下沉速度,，務(wù)求沉井緩緩擠土下沉到位。

2.3.4 封底

沉井下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高,，經(jīng)24 h觀測累計(jì)下沉量小于10 mm時(shí),，即進(jìn)行沉井封底。封底前,，應(yīng)對井底進(jìn)行修整,，出現(xiàn)超挖部分回填碎石至要求標(biāo)高，井底排水干燥后,，澆筑C15素混凝土墊層,。在底板施工前，先對與底板連接處井壁混凝土進(jìn)行鑿毛處理,，后澆筑鋼筋混凝土底板完成封底,。

3 掘進(jìn)設(shè)備選型

3.1 頂力計(jì)算

推力的理論計(jì)算：（按DN2200 mm管徑計(jì)算）

式中：F——總推力，t,；F1一—迎面阻力,，t；F2——頂進(jìn)阻力,，t,。

式中：D——管外徑，m,；P——控制土壓力，kPa,。

式中：K0——靜止土壓力系數(shù),，一般取0.80；γ——土的濕重量,，t/m3,；H0——地面至掘進(jìn)機(jī)中心的高度，m,。

式中：D——管外徑,，m；f——管外表面平均（根據(jù)頂進(jìn)距離）綜合摩阻力,，取0.45 t/m2,；L——頂距,，m。

3.2 裝置選型

通過計(jì)算得出,，該段頂管理論總推力為430 t,。根據(jù)總推力、工作井所能承受的最大頂力及管材軸向允許推力比較后,，取最小值作為油缸的總推力,，工作井設(shè)計(jì)允許承受的最大頂力為400 t，管材軸向允許推力250 t,，主頂油缸選用4臺200 t（2 000 kN）級油缸,。工作井和鋼管強(qiáng)度不能滿足200 m頂管，因此中間需要額外增設(shè)頂進(jìn)系統(tǒng),，減少對工作井和鋼管壓力,，施工中按每70 m設(shè)立1個(gè)中繼間。

4 頂管

4.1 施工準(zhǔn)備

4.1.1 地面準(zhǔn)備工作

在頂管頂進(jìn)施工前,，按常規(guī)完成施工用電,、水、道路,、排水及照明等設(shè)備的安裝,。施工材料、設(shè)備及機(jī)具須備齊,，以滿足工程的施工要求,，管材應(yīng)有足夠的余量?？由?、坑下建立測量控制網(wǎng)，并經(jīng)復(fù)核認(rèn)可,。

4.1.2 坑下準(zhǔn)備工作

工作坑后部采用方木,、鋼板組裝成座，工作坑后靠背與鋼板之間用砂填充密實(shí),。

頂管導(dǎo)軌安裝,，按測量放樣的頂管設(shè)計(jì)軸線吊入坑下就位焊接。頂管機(jī)吊裝就位,，千斤頂固定在支架上,，并與管道中心的軸線對稱，其合力的作用點(diǎn)在管道中心的垂直線上,，圓形頂鐵與管道和千斤頂?shù)妮S線平行,。頂鐵與管道之間設(shè)連接墊，使頂力均勻地分布在管端，避免應(yīng)力集中對管端造成損傷,。

4.2 頂進(jìn)施工

4.2.1 頂進(jìn)穿墻

頂進(jìn)前所有頂進(jìn)設(shè)備須全部安裝就位,，并試運(yùn)轉(zhuǎn)。在穿墻前通過沉井井壁上的預(yù)埋螺栓安裝好橡膠板,、圓環(huán)板,、扇形后板等止水裝置。將掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭頂進(jìn)至工作井墻面,，拆除封門板后,，啟動主頂千斤頂和頂管掘進(jìn)機(jī)開始頂進(jìn)工作。

4.2.2 頂管軌跡控制

初期頂進(jìn)頂管掘進(jìn)機(jī)先行入土,，然后在其尾部拼接特殊糾偏段,。初期頂進(jìn)應(yīng)均勻出土，控制好初始偏差,，并及時(shí)調(diào)整后座千斤頂合力中心來控制初始偏差,，確保工具頭初始狀態(tài)穩(wěn)定和軸線順直。

4.2.3 頂管外周空隙注漿

對于長距離頂管,，為了減少土體與管壁間的摩阻力,，在管道外壁壓注潤滑泥漿。注漿一般選用優(yōu)質(zhì)的觸變泥漿材料,，并取樣測試,，主要指標(biāo)有造漿率、失水量和動塑比,。為減少管道外壁的摩阻力,，需保證潤滑泥漿在施工期間不失水沉淀、不固結(jié),，合理布置壓漿孔,。每個(gè)注漿斷面設(shè)置4個(gè)壓漿孔以采用多點(diǎn)壓漿，相鄰注漿斷面的孔位平行布置,。在管節(jié)斷面一側(cè)安裝壓漿管,，每6 m處接三通閥門至管節(jié)注漿孔，總管與閥門用軟管連接,，壓漿時(shí)須堅(jiān)持“先壓后頂,，隨頂隨壓，及時(shí)補(bǔ)漿”的原則,，泵送注漿壓力控制在0.1～0.6 MPa,。

4.2.4 頂管糾偏

糾偏應(yīng)在下管后盡早進(jìn)行,，糾偏操作方案的依據(jù)為測量提供的機(jī)頭折角,、傾斜儀基數(shù)和走動趨勢、前后尺讀數(shù)比較,、機(jī)尾處地面沉降量等,。須盡量避免0.5°以上的大動作糾偏,，不得已時(shí)應(yīng)安排在非重要地段進(jìn)行并加強(qiáng)觀測。糾偏動作后,，如無折角變動應(yīng)立即停頂,，檢查電路和液壓管路，盡早排除故障,，嚴(yán)防軸線超差,。注意觀察糾偏儀讀數(shù)的糾后趨勢及光點(diǎn)滯后變化，同時(shí)通知地面和地下壓漿人員加大同步壓漿量,。

4.2.5 管道軸向測量

工作井,、接收井施工結(jié)束后，按工作井穿墻孔與接收井接收孔的實(shí)際坐標(biāo)測量放線,，定出管道頂進(jìn)軸線并將軸線投放到工作井測量平臺上和井壁上,。在工作井四周建立測量控制網(wǎng)，并定期復(fù)核各控制點(diǎn),。泥水平衡段施工管道軸向的測量采用高精度激光經(jīng)緯儀,，測量主要用導(dǎo)線測量法，測量平臺設(shè)在頂管后座處,。測量光靶安裝在掘進(jìn)機(jī)尾部,，測量時(shí)激光經(jīng)緯儀直接測量機(jī)頭尾部測量光靶的位置，并根據(jù)機(jī)頭內(nèi)的傾斜儀計(jì)算機(jī)頭實(shí)際狀態(tài),。

4.2.6 頂管接收井進(jìn)洞

當(dāng)頂管掘進(jìn)機(jī)接近接收井洞口時(shí),，應(yīng)加強(qiáng)測量精度和頻率，減少軸線偏差,。在頂管到達(dá)距接收井10 m左右時(shí),，應(yīng)減慢頂進(jìn)速度，在接收井內(nèi)做好接收的準(zhǔn)備工作,，復(fù)核洞門中心坐標(biāo)及高程,，對洞口槽壁混凝土進(jìn)行鑿除，在接收井內(nèi)搭設(shè)接收平臺,。掘進(jìn)機(jī)頂進(jìn)到井壁后,，停止壓漿，拆除接收井的封門,，頂管掘進(jìn)機(jī)穿過井墻上接收架,，馬上采取臨時(shí)措施止水堵漏，并繼續(xù)頂進(jìn),，待完全上架后對出洞口采取永久性止水封堵,。

4.2.7 加強(qiáng)施工監(jiān)測

在工作井制作和頂管施工階段，應(yīng)注意實(shí)時(shí)對鄰近建筑、道路及地下管線水平和垂直位移進(jìn)行跟蹤監(jiān)測,，如監(jiān)測數(shù)據(jù)超過預(yù)警值,，應(yīng)及時(shí)采取應(yīng)急措施，防止發(fā)生工程和環(huán)境事故,。

5 結(jié)語

在山東省膠東地區(qū)引黃調(diào)水工程管道施工過程中,，采用頂管施工技術(shù)穿越S302省道,減少了基坑開挖破路施工對當(dāng)?shù)亟煌ǖ挠绊懀档土耸┕f(xié)調(diào)難度,，加快了施工進(jìn)度,；同時(shí)，施工方案也大大節(jié)約了征遷和專項(xiàng)設(shè)施補(bǔ)償費(fèi)用,，降低了綜合造價(jià),。管道安裝完成后，一次性充水打壓成功,，安裝質(zhì)量滿足規(guī)范要求,。目前工程一直安全運(yùn)行，實(shí)踐證明該工藝是一種先進(jìn)和有效的施工方法,，在非開挖方式管道施工中有廣泛應(yīng)用前景,。

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［中圖分類號］U445.4

［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］B

［文章編號］1002－0624（2017）06－0005－03

[收稿日期] 2016-12-30