頂管施工工藝及質量控制

何大鵬 陳 磊

頂管施工是繼盾構施工之后而發展起來的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、地下構筑物以及各種地下管線等,在我國,特別是沿海發達地面逐步普及使用,頂管設備也越來越先進。在各類市政建設項目中,頂管施工技術已被廣泛應用。

1 頂管施工技術概述

1.1 定義

所謂頂管法施工,即是在工作坑內借助于頂進設備產生的頂力,克服管道與周圍土壤的摩擦力,將管道按設計的坡度頂入土中,并將土方運走。一節管子完成頂入土層之后,再下第二節管子繼續頂進。其原理是借助于主頂油缸及管道間、中繼間等推力,把工具管或掘進機從工作坑內穿過土層一直推進到接收坑內吊起,與此同時,把緊隨工具管或掘進機后的管道埋設在兩坑之間。

1.2 頂管技術的必要性

對于繁忙而脆弱的城市交通系統,開挖敷設地下管道勢必會造成交通中斷,特別是敷設橫穿城市主干道下的管道,大開挖埋管必然帶來交通阻斷,造成巨大的經濟損失。在非開挖狀態下對這些管道進行修復和敷設,淺埋頂管技術有了用武之地。當地面建(構)筑物較多,無法采用槽工藝進行地下管線施工,或開槽施工支護費用過大,易造成建筑物的破壞,以及碴土堆放、外運造成市區污染,給市民工作、生活帶來不便時,宜采用頂管施工工藝,進行地下管網施工。

2 頂管施工關鍵質量控制

2.1 在頂管施工前應對場地進行詳細的勘察

勘察內容包括工程地質和水文地質情況,了解土層變化情況及地下水位情況;對地下管線的探查;穿越建筑物時對建筑物基礎的探查。頂管機械的選擇應根據所經過場地的地質情況合理選用。泥水平衡、土壓平衡、氣壓平衡及人工掏土等形式的機頭各有其適用范圍,不同型號的機頭各自的特點也不一樣,在頂管機械設備的選擇上,應事先做好充分的勘察探測工作,區分不同類土質選用合適的機械設備。

2.2 選擇合理的施工工藝

施工工藝是否合理對頂管施工的成敗起關鍵性的作用。頂管施工工藝是指從機械設備開始進入場地到頂進全部結束的整個過程。其包括頂進機械的選擇,頂進線路的選型,機頭的進出洞技術及注漿減摩技術等。要根據頂管直徑選用工具管,可采用頂部前伸式,網格加密式等。塌方的另一個原因是操作失誤。例如,盲目超前開挖,停頂后沒有防塌的措施等,諸如此類的操作、管理不當,造成地面沉降。

2.3 頂推動力控制技術

1)頂推后座設計:精心設計頂推的反力墻,確保頂推時后座安全。2)泥漿減阻、中繼站的采用:配制優質泥漿,壓力注入管體與巖土之間有效地降低兩者間的摩阻力,從而降低了頂推力,有利于頂進系統安全、減小管體偏移、降低地面沉降。3)在管道頂進過程中要處理好管道接頭的密封問題。密封不好會產生滲漏,增加地層損失,也給施工帶來不便。解決密封問題首先要選擇合適類型的管道。4)適速頂進,頂進速度過快,其極易造成地面隆起。頂進過后及時注漿,一方面填充了管體與巖土間的空隙,有效的減小了地面沉降,另一方面起到了注漿減阻的作用。

2.4 頂管施工線形控制技術

1)測量的方法。用坐標法,根據設計給出的工作井坐標,以及接收井中心的坐標,直線頂管部分采用導線法,將控制點定在工作井上。頂管頂進時,在機頭中心設置一個光靶,根據光靶反映的讀數,即可知道目前機頭的方位;對于曲線頂管部分,根據工作井、接收井坐標、圓心坐標以及曲線半徑,使用全站儀測出機頭光耙坐標,即可知道機頭偏差情況。

2)測量設備。頂進的測量與方向的控制,主要是采用全站儀,輔以激光經緯儀和水準儀測量。由于頂進距離長,如觀察困難,可以采用自動跟蹤儀測量。然后通過油缸進行糾編,遵循先糾上下后糾左右的原則。

3)測量與方向控制要點。a.制定嚴格的放樣復核制度,并做好原始記錄。頂進前必須遵守嚴格的放樣復測制度,確保測量萬無一失。b.布設在工作井后方的儀座必須避免頂進時移位和變形,必須定時復測并及時調整。c.頂進糾偏必須勤測量、多微調,糾偏角度應保持在 10′～20′,不得大于 1°,并設置偏差警戒線。d.初始推進階段,方向主要是主頂油缸控制,因此,一方面要減慢主頂推進速度,另一方面要不斷調整油缸編組和機頭糾偏。e.開始頂進前必須制定坡度計劃,對每米、每節管的位置、標高需事先計算,確保頂進時正確,以最終符合設計坡度要求和質量標準為原則。

4)曲線頂管的測量。頂管工程的測量工作是整個頂管工程質量的關鍵,它的實施好壞將直接影響到管線線形的平順,甚至影響到頂管的順利貫通,因此需精心實施,確保無誤。頂管施工測量包括高程測量和左右偏差測量兩部分。高程測量較簡單,在地面上把永久性水準引測至井邊,通過垂直吊鋼尺引測至井下,設臨時水準點,再在管道內架設水準儀測至機關內標靶,即可知道機頭高程偏差。此水準還可從機頭測出來,閉合差按二級水準控制。左右偏差測量較復雜,在直線頂管中,我們可以在后座設一激光經緯儀,在滿足通視的條件下,直接看機頭內標靶就可知道左右偏差,而曲線頂管卻做不到,因為管線線形是弧形的,后座內激光經緯儀不能一下看到底。因此需在管道內布置移動測站。在通過管道內的移動測站測量出機頭內光靶的實際坐標后,計算出光靶中心與該段曲線的圓心距離(實際半徑),與曲線設計半徑相比較,若大于設計曲線半徑的,說明機頭向外側偏出,若小于設計曲線半徑的,說明機頭向內側偏出。在曲線段變為直線段后,根據實際測量出的光靶坐標,使用點到直線的距離計算公式,算出實際偏差距離。

5)曲線頂管管縫控制。曲線頂管的管縫控制尤其重要,因為如果管縫張不開,就形不成曲線;張開過大,將造成頂管偏差或超標,特別是軟土中頂管,在管縫形成后,如果糾偏控制得不好,其趨勢會越來越大,雖然可以通過糾偏千斤頂糾偏,但這種偏差并不是一下子能糾回來的,這樣頂管的線形往往會形成蛇形,而且最大偏差點超過規范允許范圍,并且管縫張開過大,在地下水豐富的地方,會給工程帶來危險。應當把管外最大開口間隙控制在20 mm以內,避免管接口張縫過大造成滲漏。在頂管時,由專人負責量機頭與第一節混凝土管左右兩邊的管縫,并做好記錄,每次糾偏前后均需實測,發現超出規定時停止頂管,研究對策后才能繼續頂進。

2.5 頂進糾偏應急與預防措施

1)利用頂管機傾斜儀和測量數據提供的機頭折角、傾斜儀基數和走動趨勢、前后尺讀數比較、機尾處地面沉降量等數據進行分析。對0.5°以上的大動作糾偏須盡量避免并慎重討論,不得已時也應爭取在非重要地段進行并加強觀測。糾偏動作后如無折角變動應立即停頂,會同電工、機修工檢查電路和液壓管路,盡早排除故障,嚴防軸線超差。糾偏應在下管后盡早進行,注意觀察傾斜儀讀數的糾后趨勢及光點滯后變化,同時通知地面和地下壓漿人員加大同步壓漿量。2)頂進過程中的糾偏可采取調整糾偏千斤頂的方法,進行糾組操作,若管道左則千斤頂采用左伸右縮方法,反之亦然,如同時有高程和方向偏差,則應先糾正偏差大的一面。3)發生較大偏差應分析發展趨勢,采用分次逐步糾正,勤調微糾,若偏差超過質量標準,應通知停止頂進,研究有效措施,方可繼續頂進。4)對頂進中經常發生頂管機頭的旋轉,影響出土、測量等,必須采取措施。防止偏轉擴大,其方法有:改變切削刀盤的轉動方向;在管內的相反方面增加壓重塊,直到正常。

2.6 關于穿越密集建筑群的頂管施工控制

頂管埋深要達到足夠的要求,這樣才能在開挖時形成拱效應,使開挖面上部的土體不至于在地面較大的荷載下發生坍塌。對于某些情況當地表建筑物或地下管線基礎與頂管距離較近時,為保證建筑物和構筑物的安全,就需要對建筑物和管線下面的土體進行加固。一般采取壓密注漿的方式,將漿液注入土中,改善結構物周圍的土體力學性質,以減小施工對結構物的影響。

3 頂管施工時主要安全技術措施

1)在開通預留孔磚墻時,要注意腳手架穩定牢固,同時要注意鑿除順序,操作人員站立位置等,以防磚墻突然倒塌,要有專人監護觀察。2)剛頂進時管子要防止反彈,因剛頂進管子還沒有一定距離和摩阻力,很容易被洞外泥土壓力擠出。因此在頂進到位收泵時,要注意觀察反彈現象,如有反彈停止收泵,采取止回措施,方可收泵。3)由于頂進距離長,管道內的防火措施也相當重要。主要作好以下幾點:a.管道內,未經許可不得動用明火;b.管道內任何人都不準吸煙;c.用于管道內的所有材料,都應是非燃材料或具有延遲起火的性能;d.管道內的氣體含量需經常檢測,發現可燃氣體超標,應立即停機,加強通風。4)用電安全必須注意。5)管道內設置走道板供工人及有關人員安全進出。6)電纜、鋼管、通風管、高壓油管等在中繼間處應安裝一截軟管,防止使用中繼間時,拉斷有關管子造成不必要的損失。7)管子吊裝安全措施:吊管必須有人指揮,并持有有效證件;吊機停放要平穩,基實牢固的位置;吊機駕駛必須持有有效證件(特殊工種操作證);吊管鋼絲繩要選擇標準規定的材質,吊管時管內與鋼絲繩接觸點要墊好木塊,以免擦傷鋼絲繩和管口鋼套環;在吊裝管子時,沉井下垂直點不準站人,與管體平衡點不準站人,防止懸空慣性而碰撞傷人。

4 結語

頂管技術是一門綜合性的技術,頂管施工隨著管道建設的發展已越來越普及,應用領域也越來越寬,相信隨著頂管施工的普及和專業化,頂管施工會在不斷實踐中成熟。

[1] 中國地質大學(武漢).頂管施工技術及驗收規范(試行)[M].北京:人民交通出版社,2007.

[2] 韓選江.大型地下頂管施工技術原理及應用[M].北京:中國建筑工業出版社,2008.

[3] 魏 綱,徐日慶.頂管施工中注漿減摩作用機理的研究[J].巖土力學,2004(6):48-49.