非開挖頂管技術(shù)的應(yīng)用

成曉君

在世界范圍內(nèi),頂管施工技術(shù)發(fā)展至今有100余年的歷史,在我國(guó)也有56年的發(fā)展歷史了。在最近的30年中,頂管施工技術(shù)無論是在施工理論,還是在施工工藝方面,都有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,在我國(guó)也不例外,其中有些方面還居于世界領(lǐng)先水平。

頂管施工是繼盾構(gòu)施工之后而發(fā)展起來的一種地下管線管道施工方法,它不需要開挖面層,并且能夠穿越公路、鐵路、河川、地面、建筑物、地下構(gòu)筑物以及各種地下管線等。頂管施工分為非開挖頂管和開挖頂管。

非開挖頂管與開挖頂管相比較具有以下優(yōu)點(diǎn):

1)工程質(zhì)量好,穿越管線能夠做到完全滿足設(shè)計(jì)曲線和埋深,不受地下水位變化影響,質(zhì)量可靠。

2)有利于保護(hù)環(huán)境,不影響路面的正常通行,沒有粉塵污染。3)施工人員相對(duì)較少,采用開挖方法進(jìn)行穿越至少需要10人～20人,而采用管道定向鉆穿越技術(shù)只需8人,甚至更少。

4)施工占地相對(duì)較少,工期相對(duì)要短。

5)應(yīng)用范圍比較廣泛,不受水流、氣候和環(huán)境的影響。陸地、海上、市區(qū)以及鐵路、河流的穿越均可采用。

6)由于成孔孔徑僅略大于管徑,空隙率僅10%,且為泥漿充填,不會(huì)造成上部土層等結(jié)構(gòu)下沉。因此該工藝特別適合于公路、鐵路下鋪設(shè)管線。

非開挖頂管施工方案及工藝措施:

定向鉆機(jī)的施工工藝:現(xiàn)場(chǎng)勘查復(fù)合→鉆機(jī)設(shè)備選取→穿越曲線設(shè)計(jì)→鉆機(jī)進(jìn)場(chǎng)就位→鉆導(dǎo)向孔→擴(kuò)孔→管線回拖→撤場(chǎng)。

1)現(xiàn)場(chǎng)勘查復(fù)合。

施工設(shè)備進(jìn)場(chǎng)前,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地下管網(wǎng)布置,地質(zhì)情況進(jìn)行再?gòu)?fù)查,確保安全施工。

2)水平定向鉆機(jī)的工作原理及鉆機(jī)配套設(shè)備選取。

a.水平定向鉆機(jī)的工作原理是:在施工時(shí),按照設(shè)計(jì)的鉆孔軌跡(一般為弧形),采用水平定向鉆機(jī)鉆一個(gè)滿足曲率半徑的導(dǎo)向孔,待導(dǎo)向鉆頭在出土端出土后,逐級(jí)換上擴(kuò)孔鉆頭和直徑小于擴(kuò)孔鉆頭的修孔器,然后進(jìn)行反向擴(kuò)孔,當(dāng)孔擴(kuò)到滿足回拖要求時(shí)將待鋪管線回拉入鉆孔內(nèi),鉆桿被全部拖回,鋪管工作也就完成了。

b.鉆機(jī)設(shè)備選取:鉆機(jī)設(shè)備的選取與工程量,地質(zhì)狀況和施工場(chǎng)地大小三方面有關(guān),依據(jù)本次紅旗街穿越工程現(xiàn)場(chǎng)勘查,本次工程選用FDP-25中型鉆機(jī)及配套的FJ-5泵站。FDP-25鉆機(jī)具有優(yōu)越的鉆進(jìn)性能及機(jī)動(dòng)性,占用施工場(chǎng)地很小,但回拉能力極強(qiáng),可達(dá)到25 t扭矩,達(dá)到 1.6萬N·m足以滿足本次施工需求,鉆機(jī)施工配套的導(dǎo)向儀器采用美國(guó)MarkIV導(dǎo)向儀,控向精度高,抗干擾能力強(qiáng),適合城市管網(wǎng)中復(fù)雜管網(wǎng)的控向任務(wù)。主要材料選用供排水集團(tuán)公司提供的PE600管材。

3)穿越曲線設(shè)計(jì)。

導(dǎo)向孔的施工過程曲線設(shè)計(jì)較為重要,一般情況曲線分為以下階段:入鉆時(shí)的直線段;曲線段;水平過渡段;曲線段;出鉆時(shí)的直線段,但直線與曲線的過渡必須是圓弧的切線,否則,穿越容易失敗。

曲線設(shè)計(jì)的最小曲率半徑為:Rmin=206×D×S/fp。

其中,Rmin為最小曲率半徑,m;206為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),N·m/mm2;D為鋼管直徑,mm;S為安全系數(shù),1.3 N/mm2～2.1 N/mm2;fp為管材料的極限強(qiáng)度,N/mm2。

根據(jù)計(jì)算和經(jīng)驗(yàn),一般情況最小曲率半徑采用Rmin=1 200D～1 500D均能滿足材料的強(qiáng)度及施工工藝要求。

4)設(shè)備就位、安裝、調(diào)試。

鉆機(jī)依照設(shè)計(jì)軸線進(jìn)行就位,根據(jù)設(shè)計(jì)要求的入土點(diǎn)、入土角度對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行定位,連接動(dòng)力系統(tǒng)和泥漿系統(tǒng),安裝完畢后,對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試,確保設(shè)備安全運(yùn)行。

5)鉆導(dǎo)向孔。

a.嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)導(dǎo)向孔軌跡曲線進(jìn)行操作。

b.鉆導(dǎo)向孔的成功與否關(guān)鍵在于如何成功導(dǎo)向的問題,故此在鉆導(dǎo)向孔時(shí)按照地質(zhì)構(gòu)造的不同詳細(xì)制定出合理的泥漿配比方案,規(guī)定在不同的地質(zhì)情況下選用不同的泥漿配比方案,充分提高泥漿的護(hù)壁能力,在造斜段使用的泥漿中增加某種添加劑的含量,降低泥皮的摩擦系數(shù),從而可以防鉆具粘卡。

c.為保證預(yù)擴(kuò)孔及回拖工作的順利進(jìn)行,鉆導(dǎo)向孔時(shí)要求每根鉆桿的角度改變量不應(yīng)超過1.5°,連續(xù)4根鉆桿的累計(jì)角度改變量應(yīng)控制在6°以內(nèi)。

d.經(jīng)過施工負(fù)責(zé)人對(duì)軸線及鉆機(jī)就位情況進(jìn)行校準(zhǔn),檢查無誤后方能開始鉆進(jìn)工作。探頭裝入探頭盒,標(biāo)定、校準(zhǔn)后再把導(dǎo)向鉆頭連接到鉆桿上,轉(zhuǎn)動(dòng)鉆桿測(cè)試探頭發(fā)射信號(hào)是否正常,回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)2 m后方可開始按照設(shè)計(jì)軌跡進(jìn)行穿越。

e.導(dǎo)向孔完成后,經(jīng)施工負(fù)責(zé)人檢查合格后方可進(jìn)行擴(kuò)孔。

6)擴(kuò)孔。

一般情況下,使用中型鉆機(jī),直徑大于200 mm時(shí),就要進(jìn)行預(yù)擴(kuò)孔,本工程為PE600管,孔徑為 640 mm,根據(jù)技術(shù)規(guī)范,預(yù)擴(kuò)孔為管道直徑的1.37倍～1.5倍,才能確保管道順利回拖。故本工程預(yù)擴(kuò)孔將擴(kuò)至φ 820 mm,采用FDP-25型導(dǎo)向鉆機(jī)進(jìn)行邊擴(kuò)孔邊打入泥漿,視旋轉(zhuǎn)壓力及回拖壓力逐級(jí)加大擴(kuò)孔級(jí)別。擴(kuò)孔前要做好泥漿循環(huán)系統(tǒng)的準(zhǔn)備工作,保證施工需要。

7)拖管。

a.拖管采用專門的回拖器,同時(shí)采用邊打泥漿邊旋轉(zhuǎn)回拖的方法。

b.扶正器與工作管的連接要牢固,并要求工作管與拉管器的連接要牢固、安全、密封,做到可靠。

c.在管道回拖前,擴(kuò)孔后孔內(nèi)有充足泥漿,適量增加潤(rùn)滑劑、護(hù)壁劑,以便回拖中起到護(hù)壁潤(rùn)滑作用,減少管線回拖中的阻力,降低回拖拉力。

d.經(jīng)甲方監(jiān)理確認(rèn)PE管道焊接合格后,準(zhǔn)備拖管。

8)施工完畢后,清理現(xiàn)場(chǎng)并撤出施工設(shè)備。

非開挖頂管技術(shù)的應(yīng)用,解決了很多管線施工的難題,大量節(jié)約資金,促進(jìn)了城市建設(shè)進(jìn)程。非開挖頂管施工越來越受歡迎,它將會(huì)迅速地普及開來。

[1] 王 爭(zhēng).非開挖頂進(jìn)施工技術(shù)探析[J].山西建筑,2008,34(11):179-180.