復(fù)雜地質(zhì)條件下的長頂距小管徑頂管施工技術(shù)

汪 明

(中國水利水電第七工程局有限公司 一分局，四川 彭山 620860)

1 概 述

資陽市老鷹水庫至資陽城區(qū)輸水管道整體遷改工程的近期輸水規(guī)模為16.5 萬m3/d，遠(yuǎn)期輸水規(guī)模為35.2萬m3/d。工程設(shè)計線路總長度約為15 843 m，輸水管道采用雙管敷設(shè)，其中AK段、BK段、DK段主管管徑采用DN1420，CK段主管管徑采用DN1020，沿線設(shè)有一處應(yīng)急取水點(diǎn)，預(yù)留管徑為DN1200；規(guī)劃老鷹水廠預(yù)留取水點(diǎn)與城南水廠預(yù)留取水點(diǎn)，預(yù)留管徑分別為DN1020、DN1420；以及應(yīng)急加藥間一座。設(shè)計單位依據(jù)工程實(shí)際地質(zhì)條件最終決定采用頂管施工法進(jìn)行管道施工。

項(xiàng)目部根據(jù)頂管總進(jìn)度及施工現(xiàn)場條件發(fā)現(xiàn)頂管施工存在以下難點(diǎn)：

(1)資陽市輸水管道項(xiàng)目地質(zhì)條件復(fù)雜。資陽市輸水管道項(xiàng)目頂管施工段土質(zhì)松軟，地質(zhì)條件變化明顯，管道穿越地層較多，地下管線交錯，地下水位較高，透水性強(qiáng)，施工洞段巖體風(fēng)化程度不均勻，巖石類別為極軟巖，破碎且極易在施工過程中沉陷，進(jìn)而影響到主干道的運(yùn)行安全。

(2)頂管管徑小，長距離頂管一次性成功影響因素多，工藝選擇與過程控制是關(guān)鍵。① 該項(xiàng)目的頂管施工采用人工挖土掘進(jìn)頂管，管材為DN1020螺旋縫焊接鋼管，因其管徑較小，導(dǎo)致管道內(nèi)人工開挖、出土作業(yè)面受限；② 管道頂進(jìn)距離長，最大頂距達(dá)150 m，設(shè)計方案為無套管防護(hù)，超長頂距時需增設(shè)中繼站，工作井內(nèi)頂力方向的調(diào)整、頂管總體線形控制、減小摩阻力、高效施工是其控制的難點(diǎn)。

(3)長距離頂管的測量與糾偏控制要求高。由于頂管軸線及管底高程的控制精度要求高，因此，在長距離頂進(jìn)時，常因管道標(biāo)高或軸線嚴(yán)重偏位導(dǎo)致糾偏、頂管失敗。

(4)有效施工時間短，工期緊，因此，需要從工藝上提高進(jìn)尺效率。因該工程頂管施工總長度為4 978 m，沿車城大道占道施工長度為4 290 m，交通壓力大，加之原管線供水緊張，迫切需要該工程加快施工進(jìn)度，要求正常進(jìn)尺達(dá)到3 m/d/井，因此，需要合理應(yīng)用減阻技術(shù)，優(yōu)化中繼間的配置，提高進(jìn)尺效率。

針對以上四個施工難點(diǎn)，項(xiàng)目部開展了對復(fù)雜地質(zhì)條件下長頂距小管徑頂管施工方法的研究，以便為類似下穿城區(qū)長距離頂管工程施工提供參考。

2 頂管施工技術(shù)方案的制訂

為使資陽輸水管道正式頂進(jìn)施工,通過對輸水管道的施工準(zhǔn)備、沉井及后備墻的施工、頂進(jìn)裝置及設(shè)備的安裝、試頂、正式頂進(jìn)輸水管道(出土)、管道精度控制、管道焊接、貫通等各個施工階段和環(huán)節(jié)進(jìn)行相應(yīng)的質(zhì)量控制,施工質(zhì)量得到了有效控制[1]。

2.1 頂管施工工藝流程

測量定位→沉井施工到位→導(dǎo)軌基槽混凝土澆筑→頂進(jìn)機(jī)具及設(shè)備的安裝→工具管的安裝→試頂、工具管的吃土頂進(jìn)→管內(nèi)泥土的人工挖掘→首管安裝、吃土頂進(jìn)和管內(nèi)出土→管道焊接連續(xù)到位→頂進(jìn)前頂管精度的測量→頂進(jìn)后頂管精度的復(fù)測→重復(fù)以上五個步驟→頂進(jìn)后管路貫通→檢查和驗(yàn)收。

2.2 施工前的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作

(1)施工打圍。根據(jù)工作井的位置實(shí)施測量放線、進(jìn)行施工打圍，以確保施工場地滿足后期施工要求。

(2)施工用電。主要通過市政控制箱接入施工作業(yè)面。

(3)沉井施工。頂管施工前，在對沉井施工部位的土方進(jìn)行挖掘后，一定要迅速進(jìn)行沉井壁的施工，施工步驟依然是先進(jìn)行管壁鋼筋的固定，再進(jìn)行管壁模具的安裝，最后進(jìn)行混凝土的澆筑。

(4)施工用風(fēng)。在工作井附近布置1臺6 m3的電動螺桿式空壓機(jī)以滿足掌子面人工開挖的用風(fēng)要求。

2.3 頂管設(shè)備的安裝與調(diào)試

(1)在圓形工作井內(nèi)設(shè)置后背墻，后背墻的設(shè)計寬度×高度=6.48 m×3.7 m(雙管)，寬度×高度=4.36 m×3.5 m(單管)。施工時預(yù)留進(jìn)洞處的穿墻孔。后座(背)墻與管道軸線垂直，所允許的不垂直度為5 mm/m，待達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后方可進(jìn)行頂管施工。后背墻的設(shè)置按設(shè)計要求實(shí)施。

為保證頂管過程中后背墻均勻受力，在后背墻上加鋪了30 mm厚的鋼板[2]。

(2)主頂系統(tǒng)裝置由千斤頂、油泵、操縱臺及油管等四部分組成。為保證獲得合理的工期，該工程分為2個施工段，每個施工段采用4臺200 t的液壓千斤頂對稱布置作為管道推進(jìn)的頂力。

(3)導(dǎo)軌基座焊于20號槽鋼上，導(dǎo)軌采用 45 kg/m重型鋼軌制作；鋼橫梁置于工作井底板上并與底板上的預(yù)埋鋼筋焊接，整個導(dǎo)軌系統(tǒng)在使用中必須滿足強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性要求。

2.4 精度控制系統(tǒng)的安裝[3]

(1)測量系統(tǒng)的主要設(shè)備由激光經(jīng)緯儀、測量靶和監(jiān)視器組成。

(2)測量系統(tǒng)的作用為監(jiān)視頂管施工過程中頂管機(jī)頂進(jìn)的軸線偏差。

(3)安裝與調(diào)試：螺旋鋼管+機(jī)頭安放在工作井內(nèi)的道軌上，調(diào)整測量靶中心與管道中心線基本一致且與管道中心線垂直；調(diào)整激光經(jīng)緯儀座的高度，使激光經(jīng)緯儀激光束的高度基本與管道中心線標(biāo)高一致；根據(jù)測量定位點(diǎn)調(diào)整激光束，使激光束基本與管道軸線重合；調(diào)整測量靶激光束點(diǎn)的大小，根據(jù)測量靶激光斑點(diǎn)的位置調(diào)整測量靶的位置，使激光點(diǎn)與靶中心點(diǎn)重合，精度控制示意圖見圖1。

圖1 精度控制示意圖

2.5 管道頂進(jìn)施工

頂進(jìn)時，應(yīng)先挖土、后頂進(jìn)，隨挖隨頂。應(yīng)組織連續(xù)作業(yè)，防止作業(yè)中途停止、進(jìn)而增加頂進(jìn)的難度。頂鐵的安裝應(yīng)平順，不得歪斜，每次加放頂鐵時，應(yīng)以頂鐵連接塊數(shù)最少為宜。

頂進(jìn)的工作步驟為：安裝頂鐵→開動油泵→頂鎬活塞伸出一個行程→關(guān)油泵→頂鎬停止運(yùn)行→活塞收縮→在空隙處加上頂鐵→再開動油泵。

如此循環(huán)。

首段頂管應(yīng)緩慢進(jìn)行，待各接觸部位密合后，再按正常速度頂進(jìn)；頂進(jìn)中若出現(xiàn)油路壓力突然增高時應(yīng)停止頂進(jìn)，待處理后方可繼續(xù)頂進(jìn)，回鎬時，油路壓力不得過大，速度不得過快；土方應(yīng)及時外運(yùn)，及時頂進(jìn)，以保證將頂力控制在較小的范圍內(nèi)。

2.6 頂進(jìn)測量

在首段節(jié)管頂進(jìn)和校正偏差過程中，為保證管道入土的位置正確，測量間隔不應(yīng)超過30 cm；正常頂進(jìn)時，測量間隔不宜超過100 cm，每次挖土后均需進(jìn)行測量，根據(jù)偏差量修整管前的土弧。

中線測量：頂進(jìn)長度在50 cm范圍內(nèi)，可采用錐形鉛球拉線的方法進(jìn)行測量，要求兩錐形鉛球的間距盡可能地拉大，用水平尺測量頭一節(jié)管前端的中心偏差。一次頂進(jìn)超過50 cm時應(yīng)采用經(jīng)緯儀或激光導(dǎo)向儀測量[4](即用激光束定位)。

高程測量：采用水準(zhǔn)儀及專用高程尺(用于小管徑)根據(jù)頂管井內(nèi)設(shè)置的水準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)高(設(shè)兩個)，測第一節(jié)管前端與后端管內(nèi)底高程，以掌握第一節(jié)管道的走向趨勢。測量后應(yīng)與頂管井內(nèi)的另一水準(zhǔn)點(diǎn)閉合。

激光測量：將激光經(jīng)緯儀(激光束導(dǎo)向)安裝在頂管井內(nèi)，調(diào)整管線設(shè)計的坡度，管內(nèi)貼標(biāo)示牌，以確保頂進(jìn)的管道與設(shè)計位置一致，激光點(diǎn)射到標(biāo)示牌中心時，說明頂進(jìn)質(zhì)量無偏差，否則應(yīng)根據(jù)偏差量進(jìn)行校正。

2.7 校正與糾偏

頂進(jìn)施工時，應(yīng)將管道的校正范圍控制在10 mm以內(nèi)。校正要逐步進(jìn)行，偏差形成后，應(yīng)緩慢將已頂進(jìn)好的管道校正到位，使管道逐漸復(fù)位，禁止猛糾硬調(diào)以保護(hù)管道。該工程人工挖土掘進(jìn)頂管采用超挖校正法：當(dāng)偏差值在20 mm以內(nèi)時，在管道偏向的反側(cè)適當(dāng)超挖以減小阻力，偏向側(cè)則不超挖甚至留土臺形成阻力，使管道在繼續(xù)頂進(jìn)時向阻力小的超挖側(cè)移動、逐漸回到設(shè)計位置；當(dāng)偏差值大于20 mm且超挖校正不起作用時，將圓木或方木的一端頂在管道偏向的另一側(cè)管內(nèi)壁上，另一端斜撐在墊有鋼板或木板的偏向側(cè)管前土壁上，支頂牢固后即可預(yù)進(jìn)，利用頂木分力產(chǎn)生的阻力使管道得到校正。管子“磕頭”時采用此法進(jìn)行糾正。在頂進(jìn)過程中與超挖校正法配合使用，邊頂進(jìn)邊支撐會收到較好的校正效果[5]。

2.8 成立頂管質(zhì)量控制小組

為保證頂進(jìn)質(zhì)量，項(xiàng)目部成立了頂管質(zhì)量控制小組(簡稱QC小組)。QC小組人員定時檢查頂管的頂進(jìn)情況，及時了解并掌握頂管精度。若發(fā)現(xiàn)頂管精度出現(xiàn)異常，應(yīng)立即查明原因并采取相應(yīng)的措施予以處理。

3 結(jié) 語

通過該工程在復(fù)雜地質(zhì)條件下長頂距小管徑頂管施工措施的制定與實(shí)施，其質(zhì)量得到了保證且精度控制滿足設(shè)計與規(guī)范要求，所取得的施工經(jīng)驗(yàn)可為類似下穿城區(qū)長距離頂管施工工程提供借鑒。