人工頂管施工技術在下穿高速公路頂管施工中的應用

徐宇龍

摘 要：以某防洪達標整治工程為例，從施工作業準備、人工頂管頂力計算、工作井施工以及頂管施工等方面，詳細研究人工頂管施工技術在下穿高速公路頂管施工中的應用，以期科學、合理地運用人工頂管施工技術，從而有效提升下穿高速公路頂管施工質量。

關鍵詞：人工頂管;頂力計算;工作井施工;監測監控

中圖分類號：TU992 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）23-0070-03

Abstract： This paper to a standard of flood control regulation engineering as an example， from the artificial calculation of the force of pipe jacking construction preparation， construction and pipe jacking construction and so on， work well on a highway wear artificial pipe jacking construction technology application of pipe jacking construction has carried on the detailed research， scientific and rational use of artificial pipe jacking construction technology， effectively improve the wear highway pipe jacking construction quality.

Keywords： manual pipe jacking;calculation of jacking force;working well construction;monitoring

1 項目概況

本工程治理范圍起于廣東省深圳市東部某小（二）型水庫，終至大鵬灣入海口，河道整治全長約1 km。由于現高速公路橋涵尺寸不滿足設計標準，需要在高速公路原排水涵旁邊增設一條DN2400排水涵管，以滿足設計的過流標準。由于高速公路紅線區域無法開挖施工，本工程中采用人工管前掘土的方式進行頂進施工（人工頂管）穿越高速公路。頂管長度為95 m，頂管施工管道設計為頂管工程專用內徑為2 400 mm×230 mm的C50鋼筋混凝土管（Ⅲ級），頂管最小埋深約12.98 m，最大埋深約14.74 m。本文主要分析該處頂管的施工情況[1]。

2 施工作業準備

在進行人工頂管施工前，必須在綜合考慮各項基礎因素的前提下做好施工作業準備，確保人工頂管施工能夠順利進行[2]。人工頂管施工前期的準備工作較多：①項目組織施工圖紙和各專業圖紙會審，做好施工技術交底工作;②根據施工現場條件和相關資料，繪制管道頂進途徑，避免施工過程中受到周邊環境和地質因素的干擾;③確定管線范圍內及施工需用場地內所有障礙物，如管線、樹木及附近房屋等;④按施工平面布置圖修建臨時設施，安裝臨時水、電線路，并根據頂管作業需要準備好各類機具，分期分批組織材料進場。

3 人工頂管頂力的計算

在土質良好的頂管地段，管道下部135°范圍內不得超挖，管頂以上超挖量不得大于15 mm，確保管壁與土基表面吻合，以減少頂進阻力。本工程管道頂進長度為95 m，在人工將洞口挖至1 m深時，用千斤頂將管道頂入洞口，然后人工進入管道進行施工。。

根據經驗公式，人工頂管頂力計算為[3]：

[P=P0+RπDL]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式（1）中：[P0]為初始頂力，kN;[R]為綜合摩擦阻力，kN/m2;[D]為管道直徑，取2.86 m;[L]為管道頂進長度。[P0]與[R]取值如表1所示。

根據本工程地質資料，[P0]取值80 kN，[R]取值8 kN/m2。將相關數據代入式（1），得到人工頂管頂力[P]=80 kN+8 kN/m2×3.14×2.86 m×95 m≈6 905 kN。

由于頂管頂進施工過程中經常受到地下工程的復雜性或不可預見因素的干擾，頂管設備取1.5倍左右的儲備能力，即6 905 kN×1.5=10 358 kN。結合實際情況，取總的頂力[F]=10 000 kN。本工程中選用規格為300 t的千斤頂，則共需要準備4臺千斤頂設備。

4 工作井施工

本工程頂管工作井為方形工作井，尺寸為9 200 mm×7 200 mm，采用沉井結構，排水下沉施工。

4.1 沉井地基處理

在沉井地基處理施工中，首先根據設計圖紙坐標和甲方提供的基準點進行測量定位，并布置坐標控制點和臨時水準點，要求建立的控制點精度為±1 mm。其次，平整施工場地后，先開挖沉井約1 000 mm深，沉井地基開挖面積為10 200 m×8 200 mm，并根據地質情況在土層上鋪上一層砂漿墊層（必要時先鋪碎石墊層），以滿足第一節井壁自重，擴大沉井刃腳的支承面積。工作井墊層的厚度為20 cm，砂漿寬度為井壁外30 cm。此外，墊層誤差控制在5 mm以內，以便模板施工，且表面抹光以此作為刃腳的底。

4.2 沉井下沉

工作井下沉工作方法采用井外井點降水排水法，工作方式為長臂挖機配合人工取土，同時采用排水法混凝土干封底。

4.2.1 沉井下沉前的準備。沉井下沉前必須確保沉井強度符合設計要求，其中第一節時沉井強度須達到設計強度規范要求100%，第二節時沉井強度須達到設計強度規范要求70%。在沉井四周的井壁上畫出測量標準尺寸，并設立水平指示尺，用水準儀復測。

4.2.2 排水下沉。在沉井混凝土達到設計強度后，排干井內的水，用挖土機配合人工開挖土方，控制好初沉。同時，測量人員在下沉過程中用水準儀持續觀察，指導沉井下沉，以保證沉井均勻下沉。

4.3 沉井護壁施工

由于泥土不具有結構強度，因此在沉井建設部位的土方挖掘后，要快速進行沉井護壁施工。沉井護壁采用逆作法施工，每節護壁高1 000 mm，搭接200 mm，工作井護壁厚450～550 mm，尺寸為9 200 mm×7 200 mm。護壁采用C30混凝土，混凝土抗滲等級為P6。

本工程基坑內土方開挖采用分層法。機械無法直接挖掘的部位，進行人工開挖、清理以及歸堆。根據設計要求，在定位好的井位上先挖一個約一節護壁墻高的土坑，然后按設計要求綁扎好鋼筋，搭設好第一節模板，而后澆筑混凝土并進行養護，接著繼續挖土進行第二節護壁墻施工。以上步驟循環進行，直至設計井底。

5 頂管施工

沉井封底后澆筑底板，即可進行人工頂管施工。本工程頂管施工管材采用頂管工程專用的內徑為2 400 mm×230 mm的C50鋼筋混凝土管，頂管長度為95 m。在頂管施工前，應先做好工作井內的設備安裝工作。設備主要有高壓油泵、液壓油缸、液壓管路控制系統、頂鐵和壓力表、千斤頂以及鼓風機等。

5.1 管道頂進

井內設備安裝、試運行完成后，開始進行管道頂進施工。首先，在管道頂入的頭部安裝第一節排水管，將排水管吊裝至導軌上，測量排水管中心和管底高程。每頂入0.2 m測試一次，及時校準偏差，確認安裝合格后方可繼續頂進。當發現測量偏差在10～20 mm時，采用超挖糾偏法;當偏差大于20 mm時，采用千斤頂糾偏法。當超挖糾偏不起作用時，用小型千斤頂頂在管端偏向的反側內管壁上，另一端斜撐在有墊板的管前土壁上，支頂牢固后施加頂力，同時配合超挖糾偏法邊頂邊支，直至偏差回歸。

管道頂進施工時，管前人工挖掘一部分后啟動高壓油泵和千斤頂進油，將活塞向前頂入一個行程后再將管道向前推進。待這一程序完成后，收回通風管設備[4]。后續的管道頂進施工依據上述步驟進行。在管道人工頂進時應緩慢進行，待各接觸部分密合后再按正常頂進速度頂進。需要注意的是，頂進速度過快容易損傷管道和設備，過慢則容易導致坑壁坍塌。

為了減少頂進時的阻力，增大頂進力度并防止塌方，頂管時在管壁與土壤的縫隙間注入觸變泥漿。本工程使用多個觸變泥漿各成分質量比為膨潤土∶石膏∶工業六糖∶松香酸鈉∶水=100∶42∶1∶0.1∶28。第一節管道每隔一定距離設置補漿孔，及時補充新的觸變泥漿，使觸變泥漿在長距離或超長距離頂管施工中保持性能不變，確保管道能夠順利推入，提升工程人工頂管頂進的施工效果。

5.2 注漿加固

5.2.1 預注漿加固。根據本工程地質勘探資料，在進行頂管施工前對頂管位置進行預注漿加固施工，減少坍塌風險，便于管前開挖成拱。頂管總長度為95 m，注漿分段長度為6 m，注漿孔呈梅花形布置。注漿加固每循環開挖長度為5 m，對沙管體注漿加固，每段開挖長度為5 m，確保管底沙體加固密實。本次預注漿加固采用小導管超前二重管無收縮雙液注漿工藝，雙液為水玻璃和水泥漿液。采用后退式注漿，由下至上、由外至內依次進行。注漿孔位示意圖如圖1所示。

5.2.2 工后注漿加固。頂進就位后對管節接縫進行處理，用水泥砂漿勾縫。在頂管全線完成后，必須嚴格控制注漿量和注漿壓力。注漿施工過程中，應嚴格遵守以下要求：用壓漿機往管節注漿孔內壓水泥漿，工程采用特制頂管，每節管預留8個注漿孔;水泥漿液采用P·O 42.5硅酸鹽純水泥漿液及水玻璃混合液;水泥采用超細水泥，水灰比為1.0～1.1，注漿壓強為0.1～0.6 MPa;擴散半徑按照0.5 m考慮，地基上漿液注入率為30%;注漿加固后地表凸起不得大于20 mm，注漿平面2 m范圍內將施工中的空隙全部注滿，確保頂管加固密實。

5.3 管道閉水試驗

在各項工序均完成且檢驗符合要求后，將全段95 m管道作為試驗段進行管道閉水試驗。管道水壓試驗前，先做好水源引接及排水工作、試驗段后背與堵板（或堵塞）的設置封堵工作。本工程就近在河道抽水取水，將管道兩端封閉注水，觀察24 h內是否有水滲出并做好記錄。如果出現滲水，則需觀察滲水量。如果滲水速度能夠控制在24.55 L/（min·km）內，則表示該管道的密閉性符合相關規范[5]。

6 施工監測

本工程施工區域地質條件復雜，因此施工過程中對高速公路路面位移和沉降進行監測也很關鍵。

6.1 監測點布置及監測頻率

6.1.1 監測點布置。縱斷面觀測點沿頂管軸線每隔10 m布置一個;橫斷面觀測點每斷面為軸線左右各3 m處，共設置5個沉降觀測點，如圖2所示。

6.1.2 監測頻率。為確保施工安全，監測點的布設要滿足隨時可獲得全面信息這一要求。根據施工需要設置相應的監測頻率，在頂管進出洞時增加監測頻率或者進行跟蹤監測。對于基坑變形監測，正常情況下2天1次，如遇暴雨導致變形速率較大時1天2次;對于工區域路面變形監測，出洞/進洞20 m范圍內1天3次，頂管施工中間段1天1次，視施工需要進行跟蹤監測，直至觀測到測點變形達到相對穩定為止。

6.2 監測方法及監控措施

采用水準儀和經緯儀進行靜態連續路面位移觀測和沉降觀測。為確保監測工作的可靠性、穩定性以及連續性，在整個監測區域設立完整的沉降變形監測控制網進行日常的沉降監測控制。

7 結語

通過在下穿高速公路排水涵工程中應用人工頂管施工技術，可以得出以下結論。

①人工頂管施工適用于深度和距離適中的土層，具有施工成本低、難度小以及流程簡單等優點。據估算，本工程采用人工頂管施工節省費用約800萬元。但是，人工頂管作業時存在較大風險，需對施工現場地質環境進行綜合評價后再實施。

②采用人工頂管施工技術，保證了施工質量以及周邊建筑物和構筑物的安全，能夠較好地控制地面沉降，提高特殊區域的施工效率，同時能減少施工作業對環境的污染，具有良好的環保性。

參考文獻：

[1]王鐵.人工頂管的主要施工工藝及方法研究：以成都市新都區龍橋鎮成彭路頂管施工作業為例[J].工程技術研究，2019（11）：26-28.

[2]張應盛，任海峰，王偉，等.特殊地質條件下人工頂管施工[J].云南水力發電，2017（6）：139-142.

[3]魏綱，鄭金濤.頂管施工中頂力計算公式的探討[J].市政技術，2008（5）：404-406.

[4]鄧方園.人工頂管的主要施工工藝及方法分析[J].智能城市，2020（15）：121-122.

[5]劉炳旺.人工頂管技術在北京地區污水管線中的應用[J].建筑技術，2019（11）：93-96.