大直徑鋼管頂管施工技術(shù)研究

黎永索，李珊珊

(湖南城市學(xué)院 土木工程學(xué)院，湖南 益陽 413000)

大直徑鋼管頂管施工技術(shù)研究

黎永索，李珊珊

(湖南城市學(xué)院 土木工程學(xué)院，湖南 益陽 413000)

為研究和完善管幕預(yù)筑法建造地下空間技術(shù)，結(jié)合大直徑鋼管頂管工程施工實(shí)踐，對大直徑鋼管頂管這一關(guān)鍵施工技術(shù)進(jìn)行研究，分析了大直徑鋼管頂管的技術(shù)特點(diǎn)與施工流程，總結(jié)了大直徑鋼管頂管施工各工序的操作方法、施工技術(shù)、注意事項、質(zhì)量控制措施、大直徑鋼管頂管施工控制測量與糾偏糾圓技術(shù)，為制定大直徑鋼管頂管施工方案和施工質(zhì)量控制提供指導(dǎo)，為管幕預(yù)筑法建造地下空間技術(shù)后續(xù)施工提供了保障．

管幕預(yù)筑法；大直徑鋼管；隧道；施工技術(shù)；頂管

管幕預(yù)筑法(Pipe-roof Pre- construction Method，簡稱PPM)自1979年用于修建比利時Antewerp地鐵車站以來[1-3]，國內(nèi)對大直徑鋼管頂管施工開展了一些研究，楊仙等探討了PPM頂管間距優(yōu)化[4]，張可能等對管幕預(yù)筑法豎井開挖與頂管施工過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析[5]，黎永索等分析了弧形密排大直徑管群頂管地表沉降規(guī)律[6]．大直徑鋼管頂管施工技術(shù)作為PPM的一項關(guān)鍵技術(shù)，對其進(jìn)行研究，可指導(dǎo)大直徑鋼管頂管施工，確保施工安全，縮短施工周期，降低工程造價，確保PPM成功應(yīng)用具有重要的意義．

1 管幕預(yù)筑法施工基本原理

PPM施工基本原理如圖1所示[6]，在待建的地下建筑物端部的豎井或通道內(nèi)，首先沿著待建的地下建筑物結(jié)構(gòu)外輪廓線按照一定順序頂入管徑1.8～2.3 m的大直徑鋼管，隨頂隨挖鋼管內(nèi)的土方(圖1(a))．

圖1 PPM主要施工步驟

同時在頂管過程中及時對鋼管外進(jìn)行注漿減阻，頂管結(jié)束后對鋼管外進(jìn)行注漿，加固管外土體和形成止水帷幕，在鋼管內(nèi)沿結(jié)構(gòu)輪廓線先分段切割鋼管、隨后焊接管間防水鋼板，再在防水鋼板間進(jìn)行頂撐，使相鄰鋼管貫通形成完整的鋼管幕廊道(圖 1(b))，然后在鋼管幕廊道內(nèi)進(jìn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的施工(圖1(c))，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的土方掏挖通過豎井或地下通道進(jìn)行，最后完成剩余結(jié)構(gòu)部分施工，形成地下空間(圖1(d))．

2 大直徑鋼管頂管特點(diǎn)

大直徑鋼管頂管施工是 PPM的一道關(guān)鍵工序，與傳統(tǒng)的頂管施工存在明顯區(qū)別，這既增加了施工難度，又易帶來許多問題．只有通過分析研究和解決這些問題，才能確保在復(fù)雜環(huán)境下的管群頂管施工順利，從而為PPM的成功實(shí)施奠定基礎(chǔ)．

大直徑鋼管頂管施工與普通頂管具有的明顯的特殊性：頂管采用鋼管，頂管管徑大，管徑與壁厚之比較大，穩(wěn)定性差，管壁厚度、管壁穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性矛盾突出，相對于較一般的剛性管而言，鋼管的柔度較大，鋼管受力復(fù)雜，對圍巖壓力變化敏感，頂管過程管壁容易變形，管斷面形狀需保持較好的圓度較難，頂管軸線易偏移，頂管阻力計算復(fù)雜，導(dǎo)致對接不順利，頂管軸線控制和管形的控制難度大．

3 頂管施工流程與施工技術(shù)

3.1 頂管施工流程

管群鋼管頂進(jìn)前準(zhǔn)備工作主要包括相關(guān)頂進(jìn)進(jìn)件的加工及相關(guān)設(shè)備的安裝調(diào)試，調(diào)試工作結(jié)束后可進(jìn)行鋼管實(shí)驗性頂進(jìn)施工．頂管施工步驟如圖2所示．

圖2 頂管施工流程圖

3.2 反力構(gòu)件加工

鋼管頂進(jìn)過程中由反力構(gòu)件提供反力，一般采用采用H型鋼制作．為了提高剛度，如圖3，在H型鋼的翼緣間焊接多條加勁肋，加勁肋采用厚鋼板制作．

3.3 頂管基面硬化

為了控制正常頂管過程中沉降和便于施工設(shè)置，采用 C15素混凝土對頂管作業(yè)面硬化，厚度為 150 mm．為排出鋼管頂進(jìn)作業(yè)中底層滲水和相鄰兩節(jié)鋼管對接與焊接，在鋼管洞口處設(shè)置一條排水溝，排水溝寬度不宜小于300 mm．

圖3 H型鋼反力構(gòu)件

3.4 導(dǎo)軌設(shè)置及頂管設(shè)施安裝調(diào)試

鋼管直徑一般為1 500-2 300 mm，圖4所示鋼管導(dǎo)軌布置圖中鋼管直徑為2 200 mm．

圖4 鋼管頂進(jìn)導(dǎo)軌位置

千斤頂配備需根據(jù)鋼管頂進(jìn)距離和頂管阻力計算確定．千斤頂安裝要需確保水平度，千斤頂油缸行程路線與鋼管頂進(jìn)軸線需平行．用水平尺檢查千斤頂水平度，安好后上油調(diào)試千斤頂，確保能正常使用．

3.5 鋼管規(guī)格及質(zhì)量要求

鋼管直徑規(guī)格為2 000 mm、2 200 mm和2 300 mm 3種．每根頂管由1節(jié)先導(dǎo)管和多節(jié)長度為6 m的標(biāo)準(zhǔn)管焊接組成．管材質(zhì)量、機(jī)械性能指標(biāo)和焊接質(zhì)量均應(yīng)符合國家或相關(guān)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)．鋼管焊接應(yīng)平直與平整，凹凸高度應(yīng)小于焊縫突起高度，端面與軸線垂直．鋼管的厚度及外徑允許偏差應(yīng)符合表1要求．

表1 鋼管允許偏差

3.6 先導(dǎo)管加工

整根頂管的最前端是如圖5所示的先導(dǎo)管[7]，其設(shè)計和加工是頂管施工的重要環(huán)節(jié)．先導(dǎo)管加工基本要求：先導(dǎo)管加工時用千斤頂和立柱保證圓度，偏差不超過10 mm．先導(dǎo)管管頭打磨切割刃口，刃口角度45o，刃口切割應(yīng)均勻．先導(dǎo)管前端應(yīng)采用鋼板加固，加強(qiáng)板焊縫應(yīng)飽滿均勻，無夾渣、氣孔、咬肉等缺陷．前端上部采用兩塊弓型肋板焊接加固，肋板間距不宜大于 150 mm，肋板上加蓋板封閉焊接．在易坍塌地層的情況下，應(yīng)在先導(dǎo)管前端加設(shè)支撐，進(jìn)行保圓．先導(dǎo)管與后續(xù)鋼管應(yīng)采用圓環(huán)鋼板焊接連接．

圖5 先導(dǎo)管制作

3.7 頂管準(zhǔn)備

(1)采用H型鋼制作頂管導(dǎo)軌(如圖4所示)，在導(dǎo)軌承重側(cè)焊接加勁肋加固導(dǎo)軌翼緣．導(dǎo)軌兩端高差、左右線偏差和導(dǎo)軌兩端間距差值均不超過 3 mm，導(dǎo)軌邊緣順直無變形、缺陷．

(2)兩導(dǎo)軌應(yīng)平順等高，安裝牢固，在頂管時不能產(chǎn)生變形和位移．

(3)反力墻垂直度要求為偏差不超過5 mm，且應(yīng)垂直頂管軸線，水平方向2 m寬內(nèi)偏差不超過5 mm．

(4)千斤頂可采用液壓驅(qū)動的活塞式雙作用油缸的千斤頂，安裝在反力架正前方，主機(jī)與千斤頂?shù)倪B接可并聯(lián)或串聯(lián)．液壓管接頭應(yīng)堅固，不應(yīng)產(chǎn)生漏油的現(xiàn)象；管連接部位應(yīng)便于安裝油閥．

(5)千斤頂加載前應(yīng)檢查油箱、千斤頂?shù)膲毫Ρ恚_認(rèn)活塞前進(jìn)時的移動狀態(tài)，確認(rèn)油缸行程，根據(jù)壓力表確認(rèn)頂力范圍．

(6)頂鐵應(yīng)有足夠的剛度，可采用鑄鋼整體澆筑或型鋼焊接，相鄰面應(yīng)互相垂直．頂鐵上應(yīng)有鎖定裝置．

(7)頂管施工需配備垂直吊裝和運(yùn)輸設(shè)備，其起重能力必須滿足土方和施工材料運(yùn)輸、頂管設(shè)備的拆卸和鋼管吊裝等各項工作要求．

(8)管內(nèi)土方運(yùn)輸可采用小型機(jī)具進(jìn)行管內(nèi)水平運(yùn)輸，土方以人工開挖為主．

3.8 洞門加固及破除

頂管施工前需對頂管洞門采取加固措施．將先導(dǎo)管安放在導(dǎo)軌上并推至洞口前端，然后進(jìn)行洞口破除，準(zhǔn)備進(jìn)行頂進(jìn)作業(yè)．洞口破除完成后，如圖6所示，再次對導(dǎo)軌平整度以及兩根導(dǎo)軌間距進(jìn)行檢查，確認(rèn)滿足要求，才可進(jìn)行下步鋼管頂進(jìn)工序．

3.9 鋼管頂進(jìn)施工

鋼管頂進(jìn)基本要求：

圖6 頂管準(zhǔn)備

(1)豎井開挖至頂管位置，施做頂進(jìn)平臺，根據(jù)豎井空間大小和鋼管標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長度，確定導(dǎo)軌間距和相關(guān)頂管設(shè)備安裝位置．

(2)頂進(jìn)平臺施做完成后，進(jìn)行反力件、導(dǎo)軌、千斤頂?shù)陌惭b．

(3)千斤頂使用前應(yīng)由有相應(yīng)資質(zhì)的檢測單位進(jìn)行標(biāo)定．

(4)千斤頂軸線要與鋼管軸線方向平行，軸線偏差不得超過5 mm．

鋼管頂管準(zhǔn)備工作完成后，可進(jìn)行鋼管頂進(jìn)作業(yè)．將先導(dǎo)管吊放于導(dǎo)軌上，用千斤頂推至洞口，進(jìn)行測量與復(fù)核，破除洞口前端混凝土，進(jìn)行頂進(jìn)作業(yè)．

千斤頂通過H型鋼反力件將反力均勻作用于反力墻和鋼管，千斤頂每次行程結(jié)束后，在千斤頂前端加入兩根H型鋼頂鐵．頂進(jìn)施工如圖7所示．

圖7 頂進(jìn)施工

3.10 控制測量與糾偏糾圓

大直徑鋼管頂管一般要求保持為直線，頂管過程需要加強(qiáng)監(jiān)控量測，確保頂管線形和頂管不變形，頂管過程中必須勤測勤糾，發(fā)現(xiàn)線形偏轉(zhuǎn)或頂管變形，要及時進(jìn)行糾偏和糾圓．多進(jìn)行小角度糾偏和糾圓，盡量減少大角度糾偏．

圖8所示為頂管監(jiān)控量測圖，圖8(a)為掌子面圓心校核是一道非常重要的頂管施工工序，對頂管的軸線控制至關(guān)重要．如圖8(b)超挖量測所示，掌子面進(jìn)行的超挖控制是先導(dǎo)管管形圓度控制的基礎(chǔ)，超挖形狀盡可能接近圓柱形，超挖深度要求一致，先導(dǎo)管受力均勻．頂管過程還需進(jìn)行如圖8(c)所示的偏轉(zhuǎn)監(jiān)測和圖8(d)所示的圓度監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)頂管的軸線、管形變化，為后續(xù)的頂進(jìn)進(jìn)行指導(dǎo)．

圖8 頂管監(jiān)控量測

鋼管頂進(jìn)過程中要盡量避免大角度糾偏，在頂管過程中多進(jìn)行小角度糾偏，在前15 m的實(shí)驗性頂管過程中，密切觀察鋼管的變形與線形變化情況，及時調(diào)整開挖方法和采取鋼管加固措施．

頂管糾偏根據(jù)需要糾偏的幅度選用合理的糾偏方法．糾偏方法有掏土糾偏、先導(dǎo)板糾偏和先導(dǎo)管糾偏三種．

(1)鋼管偏斜不超過30 mm時可采用掌子面掏土糾偏，即在偏斜一側(cè)留斜坡土邊，另一側(cè)超挖，超挖量為30～50 mm．

(2)鋼管偏斜超過30 mm時，掏土糾偏不理想，可在鋼管前端采用導(dǎo)向板糾偏，為防止鋼管變形過大，需同時附加立柱加固頂管．

(3)當(dāng)鋼管偏斜在50 mm時，且采用掏土糾偏和先導(dǎo)板糾偏均不理想時，采用先導(dǎo)管糾偏．

在頂管施工過程中先導(dǎo)管變形嚴(yán)重時，需對先導(dǎo)管管形糾圓，控制其變形發(fā)展，先導(dǎo)管糾圓的方法主要采取在先導(dǎo)管前端加柱千斤頂矯正、管內(nèi)焊加強(qiáng)肋和先導(dǎo)管頂部應(yīng)采用型鋼加強(qiáng)等方法進(jìn)行糾圓．

4 結(jié)論

為研究和完善管幕預(yù)筑法建造地下空間技術(shù)，對大直徑鋼管頂管這一關(guān)鍵施工技術(shù)進(jìn)行研究，結(jié)合管幕預(yù)筑法建造地下空間技術(shù)中大直徑鋼管頂管工程實(shí)踐，分析了大直徑鋼管頂管技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)、施工流程，以及各工序的操作方法、施工技術(shù)和質(zhì)量控制措施，為制定大直徑鋼管頂管施工方案和施工質(zhì)量控制提供指導(dǎo)，為管幕預(yù)筑法建造地下空間技術(shù)后續(xù)施工提供了保障．

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(責(zé)任編校：徐贊)

Research of Large Diameter Pipe Jacking Construction Technology

LI Yong-suo, LI Shan-shan
(School of Civil Engineering, Hunan City University, Yiyang, Hunan 413000, China)

Based on large diameter steel pipe jacking construction practice, the critical construction of large diameter steel pipe jacking technology were studied to study and improve the building technology with Pipe-roof Pre-construction Method (PPM) in underground space. The technical characteristics and construction of large diameter steel pipe jacking process have been analyzed, the operation of each process, construction technology and matters needing attention and quality control measures of the large diameter steel pipe jacking construction method, and the large diameter steel pipe jacking construction control survey and rectification full circle technique have been summarized, which can provide guidance for the development of large diameter steel pipe jacking construction method and construction quality control, also provide safeguard for the subsequent construction.

Pipe-roof Pre-construction Method; large diameter pipe jacking; tunnel; construction technology; pipe jacking

TU94

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.01.05

1672–7304(2017)01–0001-05

2016-10-12

國家自然科學(xué)基金項目(51678226)；湖南省科技計劃項目(2014SK3180)；湖南省教育廳科研項目(15A035)

黎永索(1974-)，男，湖南汨羅人，教授，博士，主要從事隧道及地下工程方面的教學(xué)與科研工作．E-mail：liyongsuo@126.com