基于頂管法的綜合管廊施工關鍵技術研究

萬磊

摘要：頂管法是地下綜合管廊暗挖施工的主要形式之一，能較好的解決傳統(tǒng)的開挖施工所產生的諸多弊端。文章在闡述頂管法基本原理和優(yōu)勢的基礎上，結合南京市江北新區(qū)綜合管廊項目，對施工關鍵技術分三階段進行細化研究，重點明確了頂進推力的計算、優(yōu)化了管節(jié)接口防水構造，分析了J0-J1區(qū)間沉降觀測值，并針對性的總結了頂管施工中易出現(xiàn)的問題，提出應對措施，旨在為類似頂管法施工提供借鑒參考。

Abstract： The pipe jacking method is one of the main forms of underground excavation of underground integrated pipe gallery， which can better solve many disadvantages caused by traditional excavation. On the basis of expounding the basic principles and advantages of the pipe jacking method， combined with the integrated pipe gallery project in the Jiangbei New District of Nanjing City， this article studies the key technologies for construction in three stages， focuses on clarifying the calculation of jacking thrust， optimizing the waterproof structure of the pipe joint interface， analyzing the settlement observation values in the J0-J1 interval， and summing up the problems that are prone to occur in the construction of the jacking pipe， and proposes countermeasures， to provide reference for similar construction with pipe jacking method.

關鍵詞：頂管法;綜合管廊;頂進推力計算;管節(jié)接口防水

Key words： pipe jacking method;integrated pipe gallery;Jacking thrust calculation;pipe joint waterproof

中圖分類號：TU990.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）14-0141-03

0? 引言

頂管法施工技術最早應用于19世紀末美國北太平洋鐵路建設中，隨后相繼在英國、德國、日本等國家發(fā)展起來。20世紀50年代我國北京和上海開始應用頂管法施工，北京首次在鐵路線路下頂進鋼筋混凝土管節(jié)，而上海則在穿越黃埔江時頂進了鋼結構管節(jié)。直到20世紀90年代，我國開始在多個城市應用頂管法施工并取得成功，如表1所示。此后，頂管法施工技術才真正意義上得到了實質性的發(fā)展與進步。

頂管法施工是通過一系列機械設備將各類管節(jié)依次從始發(fā)頂管井，利用掘進機頭和頂進推力穿越土層至接收井的暗挖管線施工方法，主要應用于軟弱土地層，在不阻斷交通、不破壞既有道路和植被的前提下穿越地表及地下障礙物，具有機械化程度高，工期短，造價低，無噪聲、綠色環(huán)保等顯著優(yōu)勢。

1? 工程概況

南京市江北新區(qū)綜合管廊二期工程位于國家級江北新區(qū)核心地段及其周邊地區(qū)的18條路段下，建設總長度53.41km，工期五年。入廊管線包括有燃氣、電力、通信、給水、雨水、空調熱力管等十余種類型。

頂管法施工主要集中在A2+568-A3+585范圍內，共計五段，直線長度約1公里，需下穿豐子河、浦濱路、浦口大道、鎮(zhèn)南河路及上穿地鐵10號線。管節(jié)為鋼筋混凝土材質，強度等級C50，抗?jié)B等級P8。管節(jié)內徑尺寸包括3.6m和2.4m兩種，如圖1和表2所示。

2? 施工關鍵技術

2.1 施工前準備階段

2.1.1 頂管井施工

本項目J0-J5共計6座頂管井，其中J0井為“方型井”，J1-J5均為“圓形井”（如圖1所示）。頂管井采用鉆孔灌注樁+高壓旋噴圍護形式。以J3井為例，按“分層開挖”原則，其主要施工順序為：放坡開挖→灌注樁施工→高壓旋噴樁施工（止水帷幕+地基加固）→一次開挖→冠梁施工→二次開挖→圍檁施工→三次開挖→墊層施工（鋼筋凝土+素凝土+碎石）→內襯施工。

此外，頂管井井壁需進行初始洞門鑿除，即先在洞門范圍內打4個深1.2m探孔，觀察孔內滲水情況;然后由上往下分層鑿除混凝土、切除鋼筋，清理工作面;最后，在洞門周圍安裝止水圈密封橡膠板，提高洞口止水效果，防止外部水土涌入頂管井。（圖2）

2.1.2 頂進推力計算

頂進推力的計算是現(xiàn)場施工順利進行的關鍵，計算結果將直接影響到千斤頂?shù)囊?guī)格數(shù)量及組合、后靠墻的尺寸設計和最大頂進長度等。頂力設計過大會造成后靠墻過厚、中繼間過多等問題，造成浪費，增加成本;頂力設計過小則會造成頂進緩慢或中斷。

目前，各類頂進推力的計算方法多種多樣并不統(tǒng)一。本項目選取最長距離段進行頂進推力F估算，具體如下：

F=πD1Lfk+NF

其中：D1—管道外徑;L—管節(jié)設計頂進長度;fk—管節(jié)外壁和土的平均摩擦力（kN/m2，觸變泥漿減摩擦后，取2kN/m2），NF—頂管機迎面阻力。

封閉機頭的迎面阻力：

NF=（π/4）Dg2×rs×Hs

其中：Dg—機頭外徑;rs—淤泥質粉質黏土容重（取17.5kN/m3）;Hs—管節(jié)覆土深度。

經過頂進推力的計算，最終確定最大頂進推力F取12333kN。

2.1.3 頂管機選型與安裝

本項目根據(jù)管徑的不同分別選用？準4350和？準2910兩種泥水平衡式頂管機。此種頂管機是集機械、液壓、電控、激光和測量等多種現(xiàn)代化技術于一體的暗挖管廊頂進設備，其在土層中利用自身系統(tǒng)平衡切削接觸面的土體壓力，自動化程度高，配備操作人員少，安全可靠。

頂管機共包括千斤頂、基座、機架和后靠墻四部分。頂力由頂管井允許頂力和管節(jié)允許頂力共同決定，且千斤頂要沿管節(jié)中心軸線方向左右對稱布置，確保受力均勻;基座必須正確定位，牢固，頂進過程中不變形、不沉降;機架通過高強螺栓在工作井內拼裝完成，其上兩根軌道必須等高、平行;后靠墻中心與頂進軸線重合，且需表面平整，滿足頂進工作要求。

2.1.4 頂管管節(jié)接口防水

頂管法施工的管節(jié)接口連接處是防水薄弱環(huán)節(jié)。本項目創(chuàng)造性的在管節(jié)連接處應用“F型承插口+兩道0型聚異戊二烯密封橡膠圈”接口構造措施，解決了傳統(tǒng)接口處止水效果差、無法做到事前檢測的問題。管節(jié)在安裝到位頂進施工前和施工完成，應分別進行兩次打壓試驗，打壓壓力為0.6MP，穩(wěn)定恒壓3min。（圖4）

2.2 施工過程階段

2.2.1 觸變泥漿控制

利用注漿泵將由膨潤土、水和摻合劑三種材料按一定配比混合而成的觸變泥漿壓至管節(jié)與土體的縫隙中，通過觸變泥漿良好的流動性，減小頂管頂進過程中的摩擦阻力，壓漿按照“先壓后頂、隨頂隨壓、及時補漿”的原則，確保頂進的順利進行。此外，觸變泥漿還能在一定程度上控制沉降。

2.2.2 頂進過程控制

在頂管正常頂進過程中，需重點控制頂進速度、出泥量、動態(tài)糾偏等參數(shù)。頂進速度，初始值一般應控制在10mm/min，正常工作時則可控制在20-30mm/min;出泥量，理論上切削下來的土體混合轉化為4倍體積的泥漿，防止超挖或欠挖，正常情況下出漿量控制在理論出漿量的98%～100%;動態(tài)糾偏，利用四個動態(tài)糾偏千斤頂，通過激光經緯儀的激光束照射在位于鉆掘系統(tǒng)的光靶上判斷是否發(fā)生頂進偏差，操縱液壓糾偏系統(tǒng)，調節(jié)掘進系統(tǒng)機頭產生偏擺，確保頂進方向的正確性。

2.2.3 中繼間控制

中繼間是將長距離管線分成若干短距離，采用接力逐段頂進的方式增加頂進距離的長距離頂管施工重要措施。中間繼的設置位置和數(shù)量應根據(jù)總頂進推力和管材允許頂進推力來共同確定，一般用鋼材制作，沿環(huán)向設置千斤頂。其中，每個中繼間只負責前面區(qū)間的管節(jié)頂進，后面區(qū)間的管節(jié)由下一個中繼間負責。

2.2.4 地表沉降控制

以J0-J1區(qū)間為例，頂管施工由J0頂管始發(fā)井開始，依次經過1#-7#監(jiān)測點，最終達到J1頂管接收井，共97.86m，7個沉降監(jiān)測點。

根據(jù)圖6可知，1#、2#和7#監(jiān)測點位于地層較堅固區(qū)域，頂進過程中沉降速率較小;3#、4#和5#監(jiān)測點位于地層軟弱區(qū)域，頂進過程中沉降速率較大。現(xiàn)場管理人員可根據(jù)實時沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)對頂管的頂進推力、頂進速度等進行及時調整，確保順利頂進，必要時可對局部監(jiān)測點加密布置。

2.3 施工結束階段

頂管頂進施工結束后，管節(jié)與土的孔隙應及時注入固化泥漿替換之前的觸變泥漿，利用之前的觸變泥漿注漿系統(tǒng)及管路實現(xiàn)漿液置換，以防后期引起地面不均勻沉降。固化泥漿注漿要求為：42.5級普通硅酸鹽水泥，壓密注漿水泥漿液水灰比1：1，經過壓密注漿的加固注漿壓力0.3～0.5MPa。

3? 結論

當前，頂管法施工現(xiàn)場應重點關注以下幾方面：

①頂管進出洞門極易出現(xiàn)流砂、流泥等現(xiàn)象，造成頂進失敗。在頂進前，應做好洞門加固和防水處理，做好事前防控。

②頂進過程中不可控制因素多，經常遇到未知障礙物的影響，使得頂推力出現(xiàn)異常值，造成機頭過載燒壞。在頂進前，應仔細研究地勘報告，必要時增加測點的數(shù)量，準確預估頂推力。

③管節(jié)安裝過程中，防水膠圈易產生脫落、錯位、破損等問題。在接頭安裝時應做好膠圈完整性和氣密性檢測。

④易引起地面不均勻沉降，需時刻觀察地表沉降變化情況。當遇到軟弱地層時，應加快頂進速度，快速通過該地層，減少停留時間。此外，應及時調整機頭前進方向，避免過程中出現(xiàn)“抬頭”和“低頭”現(xiàn)象。

4? 展望

隨著我國城市地下空間開發(fā)利用的持續(xù)加快，頂管法施工技術的發(fā)展將迎來新的歷史機遇。在管節(jié)方面，向大口徑管和新材料管節(jié)方向發(fā)展，提升管節(jié)空間利用效率;在頂進距離方面，向長距離頂管發(fā)展，將微電子、工業(yè)傳感、實時控制、液壓技術綜合應用于頂管機械。

參考文獻：

[1]王雪，王成虎.國內外頂管施工技術對比分析[J]施工技術，2017，12（46）：1018-1023.

[2]趙明，姚喜民.如何選購頂管掘進機與液壓頂推機械[J].工程機械與維修，2011，2：158-161.

[3]祁峰，沈曄.長距離頂管減摩措施探討[J].特種結構，2007，4：99-101.

[4]吳建軍.頂管法在污水管網中的應用技術研究[D].重慶交通大學，2013.

[5]雷升祥.綜合管廊與管道盾構[M].中國鐵道出版社，2017.