小口徑頂管技術在市政污水管道施工中應用

盧純青

(1.福建省煤田地質局 福建福州 350001； 2.福建東辰市政工程有限公司 福建福州 350001)

0 引言

通常所說的非開挖技術以頂管法和定向鉆拖拉管法居多，常規(guī)的頂管法主要應用于Φ800mm及以上口徑的管道施工，常規(guī)的定向鉆拖拉管法主要應用于Φ800mm以下口徑的管道施工[1]。但由于受工藝特性制約，定向鉆拖拉管的施工較易造成地面塌陷以及管道倒虹現(xiàn)象，不利于保持施工范圍內路面完好性以及造成所施工的重力流管道使用容易淤積。因此相關政府職能部門對定向鉆拖拉管工藝產生了質疑，特別是在Φ800mm以下口徑重力流管道不適合開挖施工的時候，急需有一種新的技術來取代原有的常規(guī)定向鉆拖拉管技術。正是在這樣的情況下，小口徑頂管技術應運而生。

在Φ800mm以下重力流管道非開挖施工中，小口徑頂管技術與定向鉆拖拉管技術相比較，主要優(yōu)點有：①由于采用頂進工藝，不像定向鉆拖拉管工藝需擴孔，不會形成孔道內壁與管道間的空隙，大大降低了路面的塌陷幾率；②基本能實現(xiàn)保直頂進，完工后的管道平直度高，不容易出現(xiàn)淤積；③不需要進行一次性的管道焊接，減少了管材的占道空間，降低了對交通的影響。

1 工程實例

“福州市體育運動學校排水接駁工程”是福州市體育運動學校改造工程配套污水排放的一部分，施工地點在福州市倉山區(qū)上三路。該工程設計為小口徑頂管鋪設D400mm排污管道一根，需要穿越一條內河及半幅道路，長45m，為福州市首條小口徑頂管試驗段。經過勘察得知現(xiàn)場地質情況自上而下依次為：雜填土、淤泥質土，頂管穿越斷面土層主要在淤泥質土層。同時，由于需要穿越一段河道，因此，河道兩側的駁岸下有樁基礎可能性較大。該工程的頂管施工路段范圍內地處繁華市區(qū)，交通流量較大，施工干擾較大，且現(xiàn)有地下管線繁多，道路沿線地下分布有電力、通信、國防、雨水、污水、煤氣等管線，因此如何減少施工給交通帶來的影響和保護地下管線，也是該工程重點需要考慮的問題。

2 施工方法的選擇

現(xiàn)行的小口徑頂管工法有：泥水平衡頂管法和水平螺旋頂管法兩種。這兩種技術各有優(yōu)缺點，泥水平衡頂管法優(yōu)點：管道頂進線性精度控制良好，對不同地質條件適應性較強，頂進施工速度較快，采用循環(huán)泥漿系統(tǒng)能有效保護穿越區(qū)上方路面安全且節(jié)約成本；缺點：無先導孔施工因而無法預先探知穿越區(qū)地下障礙物，基本為“一管徑一機頭”設備投資大，受設備體積制約占用場地較大。水平螺旋頂管法的優(yōu)點：設備操作簡單投資少，設備體積小，場地占用少,先導孔施工便于預先探明穿越區(qū)地下障礙物；缺點：只適用于不含較大障礙物的可擠密地層中施工，只能適合短距離頂進施工(一般不超過80m)。

考慮到該工程施工地段為淤泥地層，且鋪設排污管道距離短、施工場地狹小，特別是穿越內河兩側的駁岸基礎深度及維護木樁深度不明。綜合以上現(xiàn)場實際情況，并結合上述兩種工法的優(yōu)缺點，決定選擇水平螺旋頂管法施工。原因有以下3點：

(1)穿越地層為淤泥層，為可擠壓的軟土地層，與水平螺旋頂管法的施工原理符合。

(2)在穿越河道的駁岸下方可能有木樁基礎且深度不明，可以通過水平螺旋頂管法中的先導孔和排泥管的施工來探明兩側駁岸木樁位置及深度，若遇阻可及時調整頂進軌跡。

(3)水平螺旋頂管法的接收井需要的空間比較小，且在已有沉井中施工可以通過該工法減少出土方量，降低井內工作時間長度，保證了施工安全和減少對道路交通的干擾。該工程選用的機械設備主要技術參數如下。

2.1 頂管主機參數

(1)導向扭距：6500N·m；

(2)導向轉速：3r/min；

(3)主頂油缸推力：100T×2；

(4)主頂油缸行程：650mm×2；

(5)排泥掘進扭距：10 000N·m；

(6)排泥掘進轉速：23r/min；

(7)掘進機頭規(guī)格：Φ400；

(8)頂進速度：40～70mm/min；

(9)整機重量：2300kg。

2.2 雙動力液壓泵站

(1)外形尺寸：1200mm×1200mm×1500mm；

(2)主電機功率：30kW；

(3)輔電機功率：18.5kW；

(4)齒輪泵排量：63ml；

(5)柱塞泵排量：25ml；

(6)油箱容積：500L；

(7)回轉壓力：20MPa；

(8)給進壓力：25MPa。

3 水平螺旋頂管施工

把工作井設置在體育運動學校內，利用上三路原有的沉井作為接收井。工作井需保證井內凈空直徑不小于Φ2000mm，將頂管主機吊入工作井內并安裝到位。

3.1 頂進阻力的計算

(1)頂進阻力計算公式：

Fp=摩阻力+迎面阻力

=πD0Lfk+NF

式中：Fp——頂進阻力(kN)；

D0——管道外徑(m)；

L——管道設計頂進長度(m)；

fk——管道外壁與土的單位面積平均摩阻力(kN/m2)，值取5；

NF——頂管機的迎面阻力(kN)。

(2)頂管機的迎面阻力計算式：

Dg——頂管機外徑(mm)；

α——網格截面參數，值取0.6～1.0；

R——擠壓阻力(kN/m2)，取300～500kN/m2。

(3)把各參數代入式中計算得：NF= 62.8kN，進而可得Fp= 45.85T。

3.2 工作井及接收井施工

該工程工作井采用人工挖孔的方式進行施工，接收井則是利用原有的污水管道沉井。由于接收井是利用使用中的污水井，如何在滿足施工的同時不影響現(xiàn)有的排水功能成為接收井施工的難點。采用的做法是：先把井內的水封堵抽干，然后在頂管施工前采用D500mm紋管將原管道內污水進行導流作業(yè)，確保開頂管洞口和頂管施工時不影響施工作業(yè)。在進入原污水井前做好安全防護工作，并進行井內有毒氣體檢測后方可安排施工作業(yè)人員進入井內施工作業(yè)。在接收井內做好導流管道后，利用金鋼鉆在沉井內鉆取一個直徑約D600mm的孔洞作為頂管進洞通道，如圖1所示。

圖1 接收井內引流管道及鉆孔示意圖

3.3 先導孔施工

安裝好導向鉆頭并標定好參數，在無線導向儀的引導下，通過導向鉆頭前段斜掌實現(xiàn)鉆進時深度和方向的改變，同時導向孔注入泥漿，最終導向鉆頭在接收井伸出完成導向孔施工，如圖2所示。

圖2 先導孔施工現(xiàn)場圖

3.4 頂入排泥套管

將排泥套管通過渡頭與導航鉆桿連接并頂進導向孔，當接收井中排泥套管過渡接頭露出后將其拆下，完成排泥套管頂進工作。頂入排泥管相當于在管道頂進之前，對土層進行一次預先擴孔，減少后續(xù)頂管的阻力，降低了偏差的風險，同時也形成了一個新的導向柱，如圖3所示。

圖3 排泥管施工現(xiàn)場圖

3.5 安裝螺旋排泥鉆桿

在工作井頂管主機設備上安裝好螺旋鉆桿后，將其逐根頂進排泥套管內直至從接收井的排泥套管中伸出來，完成螺旋排泥鉆桿安裝，如圖4所示。

圖4 螺旋鉆桿安裝現(xiàn)場圖

3.6 裝入頂進掘進機頭

排泥套管到達接收井后，將螺旋排泥鉆桿與掘進機頭對接，安裝上頂水泥管座，然后將水泥管座頂入機頭支承處。通過螺旋排泥鉆桿旋轉起來將機頭頂入泥土中，螺旋排泥鉆桿將掘進機頭切削下泥土逐步向接收井輸送排出，如圖5所示。

圖5 出土排泥現(xiàn)場施工圖

3.7 頂入水泥管

將D400mm水泥管吊放入工作井內，前端止口套入機頭尾端，將排泥管座頂入水泥管尾端止口，監(jiān)控基坑設備上旋轉壓力和頂進壓力，控制頂進速度。在頂入第二條水泥管啟動水泵，向排泥管注入水；在頂入第三條水泥管，啟動注漿泵，向機頭外殼和水泥管外殼注入泥漿。水泥管在工作井頂進一節(jié)，排泥管在接收井拆卸回收一節(jié)，如此反復操作，當排泥管、螺旋排泥鉆桿、掘進機頭全部出土進入接收井后，即完成整個管道頂進作業(yè)，如圖6所示。將該部分鉆具從接收井內取出，把接收井洞口進行封堵，壓密注漿，并清理好接收井內的泥土等垃圾，做到工完料盡場清。

圖6 機頭到達接收井

4 沉降觀測措施

根據以往經驗，頂管過程中的沉降是不可避免，因此，通過技術手段加強監(jiān)測，以確保及時發(fā)現(xiàn)問題及時處理[2]。該工程中主要監(jiān)測點可分為路面、河岸和現(xiàn)有管線及構筑物。監(jiān)測數據如下：

(1)水平位移：沿管道走向及工井周邊設置5個監(jiān)測點，觀測沉井及頂管過程中土體側向變形及對周邊環(huán)境的影響。

(2)沉降：沿管道走向和沉井各角點共布置6個沉降觀測點，觀測沉井(降水)及頂管施工時的地面沉降或隆起情況。

(3)觀測頻率：水平位移及沉降觀測，沉井下沉過程中，每2d觀測1次；鋼筋砼管道頂進過程中，每天觀測1次。

(4)監(jiān)控預警指標為：沉井、管道等結構個別出現(xiàn)開裂，位移突變：最大水平位移已大于20mm，或其水平位移速率已連續(xù)3d大于3mm/d。周圍建筑物的不均勻沉降已大于現(xiàn)行建筑地基基礎設計規(guī)范規(guī)定的允許沉降差，或建筑物的傾斜速率已連續(xù)3d大于0.0001mm/d，道路路面水平位移大于20mm或附近地面裂縫大于10mm。沉井底部或周圍土體出現(xiàn)可能導致剪切破壞的跡象或其它可能影響安全的征兆(如少量流砂、涌土、隆起、陷落等)。地面隆起或沉隆量大于20mm。

最終，該項目在規(guī)定的工期內保質保量完成了施工任務，保障學校的污水排放，也為今后類似工程施工積累了經驗借鑒。

5 結論

該項目的成功實施，為小口徑頂管施工積累理論和管理經驗。通過項目實施，得出以下結論：①采用不對稱性導向鉆頭和給進導軌相結合的辦法，可以控制和細微糾偏鉆進方向；②采用先導孔的導向指引下，能夠完成管道的直線頂進；③采用排泥管和螺旋鉆桿相結合的方法，實現(xiàn)接收井內排土；④沉降量經觀測，施工后短時間內沒有發(fā)現(xiàn)路面沉降現(xiàn)象。

同時，在工程施工過程中，發(fā)現(xiàn)水平螺旋頂推法施工還存在以下3個問題：①該工法主要是采用擠密法進行頂推鉆進的，能夠應用的地層較有限，對于一些較硬的地層無法施工；②碰到不能夠被頂推力擠到邊上的孤石或飄石時，目前未有效的應對辦法；③考慮到導向精度，該工法鋪設的管道不宜超過80m。

[1] 馬保松.非開挖工程學[M].北京：人民交通出版社，2008.

[2] GB50268-2008給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范[S].北京：中國建設工業(yè)出版社，2008.