市政污水管道施工中頂管技術(shù)的應(yīng)用

唐愛云　楊耀平

【摘 要】本文結(jié)合曲靖市麒麟?yún)^(qū)污水管網(wǎng)系統(tǒng)管道工程施工案例，介紹了頂管技術(shù)的土壓力平衡盾構(gòu)的基本原理，提出頂管技術(shù)的應(yīng)用分析和施工措施，總結(jié)出管線定位、頂進(jìn)速度是頂管技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，這兩個(gè)環(huán)節(jié)控制的好壞，直接關(guān)系到工程質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】市政工程;頂管;污水管道;應(yīng)用

中圖分類號： TU991.36;TU992.23文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）15-0172-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.15.081

1 工程概述

在市政工程建設(shè)中，長距離管道的敷設(shè)是一項(xiàng)經(jīng)常遇到的工程問題。隨著頂管技術(shù)的應(yīng)用推廣，研究敷設(shè)頂管工藝技術(shù)已成為引人注目的課題。

在一些不允許開挖施工的路段，采用頂管技術(shù)是一種比較理想的施工工藝，它是地下管線施工中穿越障礙時(shí)常用的一種施工技術(shù)。施工時(shí)，首先設(shè)置工作井，并在工作井內(nèi)設(shè)置頂管機(jī)導(dǎo)軌和液壓千斤頂，然后借助頂管機(jī)的掘進(jìn)和千斤頂?shù)捻斄㈩A(yù)制的管段頂入地層，邊頂進(jìn)，邊將管段接長，直到越過障礙物，并到達(dá)接收井中，如頂進(jìn)時(shí)需要克服的阻力大于主千斤頂?shù)哪芰?，可適當(dāng)布置中繼站。

曲靖市麒麟?yún)^(qū)污水管網(wǎng)系統(tǒng)工程（3號泵站污水系統(tǒng)）頂管總長約2500米，其中麒麟東路北段：管徑DN1400，樁號0-020～1+409;南寧北路段：管徑DN1000，樁號0+000～K0+793.301、0+610.891～污水泵站。頂管管材采用鋼筋混凝土內(nèi)襯改性聚氯乙烯排水管。地質(zhì)勘察報(bào)告表明，頂管工程的管位上部位于地表以下4.4-5.8m的雜填土、淤泥質(zhì)土及素填土的混合土層中。該土層較復(fù)雜，含有瓦礫磚碎塊、礫石及生活垃圾。頂管的下部位于砂質(zhì)粉土中，其中個(gè)別路段土層由砂質(zhì)粉土逐漸過渡為粘土夾礫石。該路段地下水位在地表下0.4-1.4m，且隨雨季水位變化。該項(xiàng)目地處交通要道，沿線車流量較大，現(xiàn)狀不允許開挖施工。因此，采用大刀盤泥水平衡頂管法是本工程污水管道施工的一種理想的施工工藝。

2 對高程及軸線位移允許偏差值的控制

（1）該污水管道工程的地質(zhì)條件及定位控制標(biāo)準(zhǔn)的確定：在復(fù)雜地質(zhì)條件下進(jìn)行長距離曲線頂管尚無標(biāo)準(zhǔn)可循，因此，在滿足設(shè)計(jì)的使用功能和不損壞接頭及防水性能的要求下，根據(jù)《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》中“頂管允許偏差表”中高程及軸線位移的參數(shù)，制定本工程的允許偏差。

（2）頂進(jìn)和糾偏的示位系統(tǒng)：本工程在管道頂進(jìn)的過程中利用激光系統(tǒng)作為示位系統(tǒng)。激光系統(tǒng)由激光經(jīng)緯儀、激光架和標(biāo)靶組成。激光架的幾何軸線和頂進(jìn)軸線垂直，便于經(jīng)緯儀對中。同時(shí)在激光架旁做好激光經(jīng)緯儀的對中點(diǎn)，確保激光經(jīng)緯儀架好后在頂進(jìn)軸線上。

（3）頂管定位控制的實(shí)際效果：根據(jù)實(shí)際測量控制的結(jié)果看，管道D1400的軸線最大正誤差為73mm，軸線最大負(fù)誤差75mm;污水管道D1000的軸線最大正誤差為77mm，軸線最大負(fù)誤差為120mm，以上控制均符合要求。測量控制是有效的，達(dá)到了預(yù)定要求。

3 頂管技術(shù)的施工措施

3.1 潤滑材料的選用

潤滑材料一般選用粘土和膨潤土等材料制成的泥漿液體。本工程采用膨潤土制成泥漿作為潤滑材料。泥漿濃度在5%-15%，使用量控制在≤100L/m3，必須使膨潤土泥漿套隨頂管機(jī)向前移動(dòng)，形成連續(xù)的環(huán)狀漿套。出洞時(shí)，洞口土體較穩(wěn)定的情況下，降低潤滑材料的濃度，在離洞口約6m時(shí)，采用清水，并且把泥水壓力降到最低，防止由于正面土壓力減小，過大的泥水壓力造成對洞口土體的擾動(dòng)。

3.2 止水圈的安裝

對于泥水平衡式頂管機(jī)而言，頂管機(jī)本體通過洞口完全進(jìn)入土體的全過程中，頂管機(jī)與洞口建筑空隙的止水密封，是保證頂管機(jī)順利出洞的先決條件，洞口圈的止水密封一旦失去作用，不僅開挖面土體平衡遭到破壞，而且將導(dǎo)致泥水的流失，造成頂管機(jī)周邊的土體損失，從而引起洞口土體坍塌等嚴(yán)重后果，故必須在洞口設(shè)置密封性能良好的止水裝置——止水圈。

止水圈由三個(gè)部分組成：橡膠圈、壓環(huán)、壓板。首先打好膨脹螺絲，然后將橡膠圈套在膨脹螺絲上，再將壓環(huán)壓在橡膠圈上，最后將壓板壓在壓環(huán)上，并上緊螺絲。壓板共有36塊，可以沿徑向在50mm的范圍內(nèi)移動(dòng)，從而控制橡膠圈的壓緊程度。壓板可以保證壓緊止水橡膠圈，并在地下水壓力太大時(shí)防止橡膠圈翻出。

4 施工過程中幾個(gè)控制參數(shù)的確定（以DN1400污水管道為例）

（1）刀盤扭矩和頂進(jìn)長度的計(jì)算

刀盤扭矩。刀盤扭矩設(shè)計(jì)值TC按下述經(jīng)驗(yàn)公式確定： TC=αD3。式中D為頂管機(jī)外徑。α根據(jù)粉質(zhì)砂土含礫石等雜質(zhì)較多，取α=1.35。則TC=1.35×1.53=4.56（kN.m）。這一計(jì)算考慮支撐形式的影響（即土體切削阻力扭矩、刀盤與土體之間的摩阻力扭矩、荷載作用下機(jī)械自身阻力的扭矩的影響），應(yīng)乘以系數(shù)β（取β=1.1）于是TC設(shè)計(jì)=4.56×1.1=5.01kN.m。

最大頂進(jìn)長度的計(jì)算。頂管機(jī)頂進(jìn)時(shí)依靠安裝在工作井內(nèi)的千斤頂提供推力，以克服外壁與周圍土體的摩擦阻力，開挖面土體作用于頂管機(jī)的正面阻力，管面的摩擦阻力等。采用慣用頂推公式計(jì)算：F=πDlc。式中D同前;l為頂進(jìn)長度。c為地層土體的內(nèi)聚力，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告取c=11.80kpa。由于管材允許的最大推力[F]=8000kN取安全系數(shù)K=1.2，求出最大的頂進(jìn)長度

L=120m

本工程采用工作井和接收井間隔100m。但根據(jù)施工過程中的實(shí)際情況來看，由于一次性頂進(jìn)距離過大（沒有布置中繼站），管道的高程和軸線的偏差會(huì)隨著頂進(jìn)管道長度的增加而增加，所以建議頂進(jìn)長度不宜超過80m。

（2）泥水艙壓力值的計(jì)算

D1400污水管頂管施工中泥水壓力大小控制分析。泥水壓力大小的確定是泥水平衡頂管工藝的關(guān)鍵。泥水艙內(nèi)壓力大于地下水壓力，泥水艙泥水向地層空隙滲漏，在泥水艙與土層之間形成泥膜，且泥水艙壓力托住土層，使切削面穩(wěn)定不塌陷。地下水壓力隨深度的增加呈三角形分布，計(jì)算圖式如圖1所示。采用泥水壓力值為管道底部起三分之一直徑處的地下水壓力值。則泥水艙管道基準(zhǔn)面泥漿壓力P按以下計(jì)算：

P=（H+D）γω=（5.45+×1.5）×1.0=64.5KPa

式中D同前，為1500;γω為水的重度。由于軟土中滲透系數(shù)較小，取理論計(jì)算值的65%作為實(shí)際施工中的壓力值，即64.5×65%=42KPa。泥水艙壓力高于地下水壓力值一般設(shè)為20KPa，最終泥水壓力值為62KPa。

5 掘進(jìn)速度與進(jìn)出洞控制

排土量的計(jì)算與掘進(jìn)速度控制。掘進(jìn)的速度控制以保持開挖面土平衡為依據(jù)，對排土量計(jì)算及施工掘進(jìn)速度進(jìn)行管理與控制。

泥水平衡法頂管工藝的一個(gè)特點(diǎn)就是，挖掘出的土經(jīng)過和水的混合后形成泥漿排出。排泥管內(nèi)的流速必須控制在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，過大的流速不僅沒有必要，而且會(huì)對管道造成損害;過小的流速又容易形成淤積。本工程中排泥管的流速控制在2m/s～4m/s。排泥管的內(nèi)徑控制在5D最大顆?！?D最大顆粒，D最大顆粒是經(jīng)過篩選后的最大土壤粒徑。由排泥管的流速以及斷面面積即可得出排土量的理論值。和根據(jù)排土量的理論計(jì)算，由頂管機(jī)掘進(jìn)速度和排泥的效率予以控制。實(shí)際挖掘量可以由受控制的推進(jìn)速度與頂管機(jī)斷面面積確定。排土量可由排泥管的流量計(jì)、密度計(jì)的讀數(shù)來確定。

進(jìn)出洞控制。頂管機(jī)進(jìn)出洞是頂管法施工的最重要的工序之一。在工作井內(nèi)，頂管機(jī)按設(shè)計(jì)高程及方向推出預(yù)留孔洞，進(jìn)入正常土層的過程稱為出洞;反之，頂管機(jī)在地層中完成某一區(qū)間的隧道的施工后進(jìn)人接收井的過程稱為進(jìn)洞。在掘進(jìn)過程中，頂管機(jī)推進(jìn)的方向偏差的施工監(jiān)控是頂管工藝的另一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，由于頂管法施工工藝在糾偏過程中會(huì)造成土體過量缺失，從而引起地層移動(dòng)而使地表隆起或沉降，因此在掘進(jìn)過程中制定量測值信息反饋及施工參數(shù)（如正面艙壓力、出土量、灌漿壓力和灌漿量等）的計(jì)劃是很有必要的。采用泥水平衡式頂管技術(shù)進(jìn)、出洞時(shí)，一般先將工作井、接收井預(yù)留孔前一定范圍內(nèi)的土體進(jìn)行改良，使土體透水性減小，并在開挖后靠自身能力保持穩(wěn)定。本工程在施工初期，曾因地下水位過高，在頂管機(jī)出洞時(shí)，地下水涌入接收井，造成井內(nèi)部分設(shè)施被破壞。后續(xù)的施工過程中，采取了高壓注漿的方法（漿液注入率15%，水灰比1.0）對預(yù)留孔前約15m的范圍內(nèi)進(jìn)行了土體改良，效果良好。

6 結(jié)束語

頂管施工工藝具有以下特點(diǎn)：通過刀盤以及頂速平衡正面土壓力，調(diào)節(jié)循環(huán)水壓力用以平衡地下水壓力。采用流體輸送切削入泥倉的土體，頂進(jìn)過程中不間斷，施工速度快。由施工引起的地面沉降較小，有利于保護(hù)環(huán)境。無須地盤改良或降水處理，施工后地表沉降小。

本污水管道頂進(jìn)施工過程中，我們總結(jié)出管線定位、掘進(jìn)速度是頂管技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，這兩個(gè)環(huán)節(jié)控制的好壞，直接關(guān)系到工程質(zhì)量。由于頂管技術(shù)具有其他工藝技術(shù)不可替代的優(yōu)勢，今后在市政工程建設(shè)中會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。

另在施工隊(duì)伍的選擇招標(biāo)中，由于市政工程具有其復(fù)雜性，地下管線多，建構(gòu)筑物過于密集，在施工隊(duì)伍的招標(biāo)環(huán)節(jié)，應(yīng)在招標(biāo)文件中明確相應(yīng)的業(yè)績要求，選擇具有豐富經(jīng)驗(yàn)的施工單位進(jìn)行施工，以避免頂管過程中引起的地面坍塌及對相鄰建構(gòu)筑物的破壞，從而造成負(fù)面的社會(huì)影響，對業(yè)主單位的建設(shè)產(chǎn)生諸多不良的后果。