市政污水頂管遇障礙物處理案例分析

魏斌，高法啟，楊濤

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，武漢 430010）

1 引言

頂管是一種地下管道非開挖施工方法，借助油缸的推力，把掘進中的頂管機及其隨后的一節節管道，按設計要求從一定深度的工作坑開始頂到預設的接收坑，再把頂管機取出[1]。這對交通繁忙、人口密集、地面建筑物眾多、地下構筑物和管線復雜的市區來說是非常重要的。傳統的明挖敷設管道具有很多缺點：影響交通、損壞路面、破壞地表植被、污染環境、征地拆遷、影響人民生活等，在市區內已越來越難以實施[2]。

然而從以往的頂管施工情況來看，糾偏失控、管道軸線或標高嚴重偏位、管壁摩阻力過大、地質條件變化、機械故障導致掘進機中途停頓、機頭遇不明障礙物難以穿越等現象比比皆是。對于頂管遇到障礙物無法繼續頂進，應結合現場實際情況，通過調查與綜合分析，深入剖析原因，提出針對性措施，既快又經濟地解決問題，本文以江門市某市政污水處理廠污水收集管道過河頂管為例，介紹了頂管遇障礙物的處理方法。

2 工程概況

廣東省江門市某污水處理廠首期工程污水收集管道穿越杜阮河，長度約70 m。由于施工期間正值汛期，為避免開挖對河道及河堤造成影響，設計采用頂管方法施工，管材為DN800 mm 鋼管，型號為Q235B，管道平均埋深約6.7 m。頂管工作井采用沉井法施工，直徑7.5 m；頂管接收井采用逆作法施工，直徑4.5 m。

3 工程地質水文條件

3.1 地形地貌

場地位于江門市蓬江區杜阮鎮，屬珠江三角洲沖積平原地貌區，污水管道大部分沿著杜阮河兩岸道路布設，杜阮河寬30～50 m，水深約1 m，河兩岸為漿砌塊石擋土墻護岸，墻高3～5 m。杜阮路為混凝土路面，交通繁忙，車流量較多。

3.2 工程地質

巖土層分布：經勘察查明，沿線出露的巖土層按地層時代、巖性、成因和風化程度劃分，自上而下依次為第四系人工填土、沖積土、殘積土及寒武系中風化混合巖。本項目相關土層如表1 所示。

表1 工程地質特征分層綜述表

4 頂管機選型及推力計算

4.1 頂管機型的選擇

污水管道穿越杜阮河，頂管機位于水位以下，因此，選用泥水平衡頂管機，泥水從進泥管經過閥門進入泥水倉里，然后將刀盤切削后的土體所形成的泥漿水，經過另外的閥門后通過排泥管排出到沉淀池，泥水反復利用，即在泥水倉中建立起一定的壓力，以平衡挖掘面的泥水壓力。

4.2 頂力估算

根據規程[3]，管道總頂力按式（1）估算：式中，F為總頂力標準值，kN；D1為管道的外徑，m；L為管道設計頂進長度，m；fk為管道外壁與土的平均摩阻力，kN/m2；Dg為頂管機外徑，m；γS為土的重度，kN/m3；HS為覆蓋土層厚度，m。

將各參數代入式（1）得：

5 頂管遇到故障概況及處理方案

管道由WJDL20 工作井向WDRA10 接收井頂進，頂進約60 m 時刀盤扭矩出現較大異常波動，頂力突然增大，疑為遇到較大障礙物。經過調查，靠近接收井一側的杜阮河堤基礎采用的是大塊拋石，導致頂管機頭被拋石卡住無法繼續頂進。

頂管工程遇障礙物無法頂進時，常用的處理方法有以下幾種[4]：（1）開天窗法。在頂管機上方通過開挖而解決問題。（2）逆套管法。在接收井反向頂進內徑大于機頭外徑的鋼管或其他管道，然后把機頭從接收井拉出。（3）順套管法。在工作井頂進內徑大于管道外徑的鋼管，從而確保土體不坍塌或設法減小管壁摩阻力的方法。（4）內套管法。在原來的管道內頂入一支直徑稍小的鋼管，并與機頭連接，從而達到重啟機頭的目的。（5）引導洞法。在接收井中，逆向頂入同口徑管道，使兩機頭對接，然后此頂彼拉，達到預期目標的一種解決方法。本工程由于在河堤處遇到拋石基礎，套管法及引導洞法也無法穿越，因此，只能采用開天窗法破除河堤基礎。

在頂管遇障礙處，河堤內外均施打12 m 長拉森Ⅳ型鋼板樁作為圍堰兼支護，破堤并清除河堤拋石基礎障礙后，再由原來的WJDL20 工作井繼續頂進至WDRA10 接收井。河堤外側的鋼板樁施工后堆放沙包，機頭所在位置河堤邊回填沙包，坡比為1∶2。處理方案平面圖及剖面圖如圖1～圖3 所示。

圖1 頂管平面圖

圖2 A-A 剖面圖

圖3 B-B 剖面圖

6 方案實施

主要處理工藝如下：測量機頭位置→工作井處恢復機頭轉動狀態→河道填土方→鋼板樁施工→破堤清障→填沙包→繼續頂管→恢復河堤→鋼板樁拆除→恢復路面→清理河道。

6.1 鋼板樁施工

沉樁拔樁均選用的挖掘機（KATO1250）加振動錘改裝而成振動打樁機，此機械施工鋼板樁振壓相結合，能迅速將鋼板樁打入指定深度，鋼板樁相互之間采用鎖扣打入措施以增強鋼板樁的整體性，樁頂以下1 m 設槽鋼腰梁、角撐和φ400 mm鋼管組成內支撐。

6.2 土方開挖

河堤外側鋼板樁施工完畢后，在離樁頂1 m 高的位置設置腰梁和安裝內支撐（含角撐）。破堤從內側進行土方開挖，破堤寬度約為3.5 m，土方開挖至1.5 m 時，做河堤內側鋼板樁的內支撐。再進一步開挖土方至機頭底（約-6.5），清除機頭前方障礙物，挖出土方須堆放在離基坑邊不少于10 m 處或運走。頂管機頭開挖圖見圖4。

圖4 頂管機頭開挖圖

6.3 土方回填

清除完障礙物后，在頂管機頭前方位置埋設一段長3 m、直徑1300 mm 鋼管（壁厚10 mm），以便機頭可順利穿越。將鋼管定位后，采用黏土重新回填至管面頂2.5 m 左右。

6.4 機械頂管

調試機頭正常后，回填土方，在原有工作井按原施工方法繼續進行頂管作業，頂進過程中須先拆除阻擋機頭前方的鋼板樁，直至進至接收井。

6.5 恢復河堤、路面、河道

當管道頂進接收井后，重新開挖破堤處土方，河堤底鋼管兩側先粗砂填滿并加水用振動棒振實，搗100 mm 厚C20 墊層，再做河堤基礎和擋土墻，恢復原貌。待擋土墻施工完畢后，拆除鋼板樁，回填土方，修復路面，最后采用長臂挖土機清理河道。

7 結語

本工程頂管過程中遇到河堤拋石基礎，通過調查分析和方案比選，選擇適合工程實際的處理方案，順利完成頂管施工，可為同類工程提供借鑒和參考。