深埋潛水頂管施工技術研究

邵東華

（中鐵二十局集團第二工程有限公司，北京 100000）

1.項目概況

北京市通州區張家灣再生水廠配套管網下穿漁都商業區建筑群及張鳳路主路工程，管道穿越合美漁都東大門、張鳳路，污水采用2600mm鋼筋混凝土管，管線長128m，再生水采用2800mm套管長128m，管道采用泥水平衡法頂管施工。再生水工作井接收井距漁都東大門建筑物最近距離各17m，污水管線中距建筑物最小距離4.5m，再生水套管中距建筑物最小距離3.6m。

2.泥水平衡法頂管施工方法及施工要點

2.1 建筑物周圍地基注漿加固

為防止管道頂進過程中，地下水流失導致地面下沉影響漁都商業區建筑群及張鳳路主路安全，對漁都商業區建筑群及張鳳路主路頂管施工區域路基進行注漿加固。固結土層，提升路基承載力，增加土體強度，填充路基土層裂隙，封堵水力侵蝕等。大大提高路基整體強度，確保漁都商業區建筑群及張鳳路主路在頂管施工過程中安全。

排水管線7號豎井、再生水接收豎井井壁外側周圍5m范圍，長度從污水7號豎井、再生水接收豎井到張鳳路西側路緣，寬度為污水管線中線向北10m到再生水管線中線向南10m范圍內，建筑物周圍1m內不進行打管注漿，注漿鋼管平面間距150cm×150cm，梅花形布置，注漿深度為管道范圍內深度到管道頂以上50cm，其他深度為12m。注漿采用P42.5硅酸鹽水泥。水灰比為1:1，注漿壓力1MPa～2.0MPa，注漿完成后用M30水泥砂漿封管。詳見圖1。

圖1 注漿示意圖

2.2 工作坑（接收坑）施工

頂管需設置頂進坑與接收坑，底部設置30cm厚的混凝土底板，底板高程低于管內頂高程60cm。根據頂管機具的參數及作業要求，確定頂進坑及接收坑的凈空尺寸，本工程工作坑開挖深度8.05m～10.69m，頂進坑及接收坑均采用鋼筋砼墻及封閉梁護壁形式。

2.2.1 施工工藝及流程

測量放樣→止水帷幕施工→鎖口圈梁（C30砼）→格柵安裝→連接筋錨固（加預埋鐵件）→鋼筋網片安裝→C25早強砼噴射→集水井施工→封底→后背墻施工。

2.2.2 測量放樣

根據施工圖紙測量放樣工作坑及接收坑位置，并在工作坑四角釘木樁做好標記。頂管工作坑、接收坑平面尺寸為直徑6m～9m圓形豎井，深約8.05m～10.69m。

2.2.3 止水帷幕施工

止水帷幕采用雙排Ф500mm水泥攪拌樁咬打，做至坑底以下4m，坑底采用單管旋噴樁止水，旋噴樁厚度為坑底以下4m，養護72h后方可開挖。樁的固化劑使用P.032.5硅酸鹽水泥，水泥摻入量15%，水泥攪拌樁水灰比0.6，旋噴樁水灰比1.0，外加劑為木質素磺酸鈣，參量為水泥參量的0.25%。

2.2.4 鎖口圈梁施工

工作坑（接收坑）上部設鎖口圈梁，采用寬800mm，高500mm鋼筋混凝土結構，混凝土強度等級C30。在圈梁外邊緣上砌筑擋土墻，擋土墻為240mm磚墻砌筑，高280mm，在頂部施做240mm×120mm圈梁壓頂，在壓頂梁上部安裝1.2m高防護圍欄，擋土墻兼做雨期施工擋水墻。

2.2.5 土方開挖及格柵安裝

工作坑（接收坑）初襯采取分層施工，其施工工序：挖工作坑（接收坑）土方→對角開挖工作坑井壁土體→安裝環向鋼格柵→焊接縱向鏈接筋→安裝鋼筋網片→噴射混凝土→對稱開挖工作坑短邊井壁土體→安裝環向鋼格柵→焊接縱鏈接向筋→安裝鋼筋網片→噴射混凝土→對稱開挖工作坑長邊井壁土體→安裝環向鋼格柵→焊接縱向筋→安裝鋼筋網→噴射混凝土→進入下一層施工。

工作坑（接收坑）采取分層開挖分層支護的方法進行施工，每層開挖的步距為50cm。每層土體開挖分塊進行，首先對角開挖土方并及時施做該層初襯結構，然后再進行另一對角開挖土方并及時施做該層初襯結構。

2.2.6 鋼筋網片安裝、護壁錨噴

沿內外側主筋外緣滿鋪Φ8鋼筋網片（間距150mm×150mm），并與主筋焊接聯成整體。

護壁錨噴施工時，采用對稱開挖方式，每榀一循環，嚴禁超挖，噴射砼設計強度等級為C25，中粗砂、碎石（粒徑在0.5cm～1.0cm）配比為：水泥（P.S.A 32.5）砂子碎石（配比以試驗室配比為準），速凝劑按水泥用量的6%添加，水泥、砂子、砂石和速凝劑采用人工攪拌，混合料要即拌即用，不摻速凝劑的干料存放時間小于45min，拌料用專門制作的料斗量取，以保證混凝土配比的準確性，同時做試塊，以備檢驗。

噴射分層作業，分片分段按次序實施，噴射順序縱向應自下向上，水平方向螺旋式實施，螺旋直徑控制在30cm范圍，一次噴射厚度≤10cm，分3層噴滿，每次噴1m，嚴禁在一處堆積，要求噴射密實不得露筋，錨噴厚度不得小于350mm厚。

2.2.7 封底、后背墻施工

坑壁施工完畢后，進行工作坑封底施工。因頂管機自重大，為避免下頂管機時，豎井底承受不住機頭等載荷重量，豎井封底300mm厚，內設單層ф16鋼筋網，網眼間距200mm×200mm。

工作坑護壁、封底等支護工作完成后進行后背墻施工，頂管后背結構為鋼筋砼墻，混凝土墻尺寸為4.2m（寬）×5m（高）×0.5m（厚），采用C30砼澆筑，埋入地下1000mm；調整靠背前后以及左右方向，應盡量保證后靠背的中心與軸線相重合。后靠背找正后，綁扎后背梁鋼筋ф16＠200雙向雙層，經綁筋后澆筑后背梁砼并養護。同時需進行后背墻反力計算，本文以再生管網為例進行反力計算，受力情況詳見圖2。

圖2 后背受力分析圖

后座反力計算如下：R=aB[γ(Hq)2Kp/2+2cHq（Kp）1/2+γhHqKp]

式中：

R—后座反力；

a—系數（取1.5～2.5），此處取2；

Bq—后座墻的寬度（m），此處取4.2m；

Hq—后背墻高度（m），此處取5m；

γ—土的重度 （KN/m3），18KN/m3；

Kp—被動土壓系數，（tg2（45°+∮/2））；

∮—土壤的內摩擦角度，取32°；

c—土的內聚力（kPa），取10；

h—后背墻頂至地面高度（m），此處取6.8m。

經計算R=2425.2t，按上式計算，工作井能承受2425.2t頂力＞實際頂力1426.7t（實際使用4臺400t頂鎬，總頂力1600t），完全能滿足要求。

2.3 管道入口施工

管道入口即豎井與管道施工接合點，結構受力多變復雜，施工過程必須確保安全、穩固。施工過程中需在豎井壁破除混凝土及支護形成管道入口，導致豎井完整性被破壞，洞口處應力重新分布，因此破除前需對該處進行換撐措施處理。破除前先在豎井內設置臨時支撐，保證管道入口處土體的穩定性，臨時支撐采用I20a工字鋼，同時與井壁預留環形工字鋼牢固焊接，進洞后方可拆除。

洞口采取換撐措施，先進行管道外輪廓線、超前小導管位置施樣，施作小導管并進行預注漿以加固洞口地層，洞口處第一排小導管要進行加長處理，且平行隧道中線。超前小導管采用ф32長2.5m，小導管前端制作成錐形，并鉆ф6孔，間距300mm。鉆孔長度1.5m～1.8m，超前小導管在洞口沿半徑1.5m～2m環向布置間距300mm，小導管壓入土中2m。壓漿壓力在0.2Mpa～0.4Mpa。

為防止地下水涌入需在頂進方向墻壁上安裝止水環。先放樣止水環安裝位置，再固定止水環底圈并用混凝土填隙，最后固定防水橡膠板、安裝止水圈壓板。

2.4 頂管導軌及設備安裝

澆筑混凝土基礎時預埋型鋼枕鐵，測量控制枕鐵標高及線型。砼基礎頂面與枕鐵面高差為1cm～2cm。基礎強度達到后且枕鐵檢驗合格隨即安裝復合式鋼制導軌。

導軌安裝是一項關鍵工作，精度直接影響頂進精度，本工程選用鋼導軌，保證其有足夠的強度，導軌安裝牢固，不得在頂進過程中產生移位，應經常檢查校對測量導軌的軸線與標高偏差，其允許偏差為見表1。

表1 軌道安裝允許偏差

導軌內距的確定：A=2＊{[D1-(h-e)](h-e)}1/2

式中：

A—兩導軌內距（mm）；

D1—管外徑（mm），D=2800mm；

H—軌道高（mm），h=220mm；

E—管道底距枕鐵面的距離60mm。

則：A=1431.08（mm），導軌安裝內距為1431.08mm。

在工作坑底部C10混凝土找平，砼上設置間距為400mm的方木，規格為150mm×150mm×2000mm，控制平面高程，確保與頂進坡度相同。

爬梯、頂管機、主頂泵站、控制柜、主頂油缸、測量系統、通風系統、注漿系統、泥水輸土系統均按設備安裝相關規定依次進行。

2.5 機頭入洞

鑿除墻壁先采用人工挖土，長度約50cm～80cm，機頭就位，確認刀盤全部入洞后，調整止水圈使其完全封閉地下水，啟動頂管機刀盤，使土倉壓力達到0.1MPa且螺旋輸送機的土壓達到0.07MPa時開始入土。剛入土時機頭容易發生旋轉，因此在入土前2m頂進時，速度＜5mm/min，防機頭整體旋轉。若發生傾角和旋轉變化必須進行糾偏。傾角糾偏采用千斤頂修正調整，旋轉糾偏當角度＞±30時，采用刀盤反轉修正調正。

2.6 頂進

頂進設備使用4臺400t頂鎬，總頂力1600t。機頭尾部被頂到導軌前部續管處后，進行續接管頂進。續接管前，要準備好止退裝置、吊管的吊具、連接器具（如水泥管用的“O”形圈、硅油）。

續接管完成后，重新接好管內進排泥管、機頭的各種電纜，重新處理好防轉、止退裝置，啟動泥水系統的設備，使泥水先進行機內循環，調節進排泥壓力高于泥水艙壓力0.02MPa，方可進行泥水艙循環，每隔1m測量一次機頭軸線的位置，做到“勤糾、緩糾、慢糾”將管尾頂到續接處，確保下一根管有足夠的續接位置時即完成一個頂進循環，如此循環往復。

伴隨頂進里程累加，防轉、止退裝置頂可無需再設置，泥漿置換的輸送阻力增加導致流量、壓力慢慢減小，應及時調整管路中流量與壓力，使泥水參數滿足施工要求詳見表2。

表2 泥水相對密度表

2.7 泥漿置換

采用充填對頂管結束后管道外壁進行加固，置換膨潤土漿，置換材料采用水泥粉煤灰漿。其配比為水泥：粉煤灰：水=1：3：5。使用管道內部的壓漿孔注漿，注漿次數≥3次，每次間隔時間≤24h[2]。

每二節砼管為一組，分為注漿和排漿孔。準備注漿泵、吸漿龍頭，啟動注漿泵，開啟第一組注漿孔進行注漿作業，觀察第一組排漿孔冒出濃漿后，關閉閥門，再開啟第二組注漿孔進行注漿作業，順序進行直至注漿完成。關閉所有閥門，采用1MPa注漿壓力保壓0.5h。

泥漿置換結束后，須拆除漿管并立即清洗，防止堵塞，同時進行雷達檢測確保完整性，如有空洞必須填充相應的置換材料。

3.施工監測

在張鳳路兩側人行步道及路中隔離帶處各布設1個監測斷面，每個斷面11個測點，測點間距由擬建污水管線中線向北側為2m、3m、3m、5m，由擬建再生水管線中線向南側為2m、3m、3m、5m，在2條擬建管線中間布設1個道路沉降測點，斷面之間在擬建管線中線上方各布設1個道路沉降測點[3]，本段共埋設6個土體深層沉降測點，均位于擬建管線中線上方，其中擬建再生水管線上方埋設深度約為4m，擬建污水管線上方埋設深度約為10m。

在張鳳路西穿漁都大門下方布設5個監測斷面，檢測斷面間距5m，每個斷面7個測點，測點間距由擬建污水管線中線向北側為2m、及建筑物墻體，由擬建再生水管線中線向南側為2m及建筑物墻體，在兩條擬建管線中間布設1個道路沉降測點，斷面之間在擬建管線中線上方各布設1個道路沉降測點。詳見圖3。

圖3 沉降觀測示意圖

起算數據采用未頂進施工前的測量參數，利用水準儀進行各點測量。在管道頂進過程中，每次的量測值與之比較得出每個測點的下沉值。量測頻率：開頂后，每天測量一次，管段貫通后，每隔6d測量一次，待各點位沉降基本穩定以后方可停止（20d左右）。在施工過程中及頂管完成后水泥漿置換期間須對頂管作業段進行詳細的地表沉降量測，在頂管施工中地面沉降值應控制在±15mm～0mm。當實際觀測達到±10mm時進入預警狀態，則立即停工，向上級報告情況，采取處理措施[4]。

本項目采用泥水平衡法頂管過程中各工序嚴格按照施工方法及施工要點進行控制，通過自檢、監理檢測、第三方檢測實現了路基及地面零沉降目標。

4.結語

用泥水平衡法進行深埋潛水頂管的施工方法，在北京市通州區張家灣再生水廠配套管網下穿漁都商業區建筑群及張鳳路主路頂管工程中通過線注漿加固，工作坑止水帷幕支護，各工序嚴格按照施工方法及施工要點進行控制，使監控量測檢算等實現了鐵路路基及地面零沉降、工期提前、環保達標、投資可控、質量優質、安全零事故的目標，為同類施工條件下機械頂管施工提供參考及積累經驗。