微型頂管保護文物建筑地坪的新型技術研究

張 弛， 章 誼， 龍莉波

(上海建工二建集團，上海 200080)

0 引 言

傳統的明挖法施工采用常規機械，工藝簡單；對周邊環境影響大，占用施工場地多；施工速度快，質量好，需要破壞路面，也需要路面再修復。

拉管法施工，對周邊環境和地面沉降影響小，但支護費用高，缺點是偏差大、控制難、施工質量無法保證。

管幕法是一種非明挖工藝，是利用小口徑頂進大斷面空間的施工技術[1]，一般適用于穿越道路、鐵路、結構物，以及不允許開挖的場地等[2]。管幕法以單管頂進為基礎，各單管間依靠鎖口在鋼管側面相連形成管排，并在鎖扣空隙處注入止水劑以達到施工要求。管排頂進完成后，形成管幕[3]。施工管幕時，開挖面有土體移動，土體會擠入機頭尾部空隙、土體與鋼管相互作用，以及受擾動土體再固結等原因，使得地表會產生變形[4,5]。為了降低頂管對地表的土體擾動，頂管尺寸也在變小。

微型頂管一般指管徑小于1 000 mm的頂管施工技術，早期技術均來源于德國。微型頂管技術是非明挖的一種管幕工法，可減小對周邊環境的影響。小管幕開挖是通過在擬建的地下建筑物四周頂入鋼管或其他材質管，且管間鎖口相連，注入防水材料形成水密性空間[3]。微型頂管技術的優點是施工時對周邊環境影響小，尤其是對地質結構的影響小，上部結構的下沉和開裂可以很好地避免。施工質量有保證，且造價不高。在受保護的地坪與下部支撐的管幕之間，會形成具有一定壓力的觸變泥漿[6]。既支撐上部管幕土體，又極大地降低了頂管推進的阻力。觸變泥漿可用不同分子聚合物處理劑、MMH正電膠、增效劑和穩定劑，通過混合土體來形成。同時，小口徑頂管技術也能實現大斷面的地下空間開發與應用[7]。

1 微型頂管技術

1.1 種類

微型頂管技術按施工機械，主要分為泥水平衡頂管[也稱一次工法，圖1(a)]、螺旋出土頂管[圖1(b)]和地箭式頂管[也稱二次工法，圖1(c)]。

圖1 頂管種類

1.2 地箭式頂管

本工程中擬采用地箭式頂管,也稱為二次工法。地箭式頂管系統主要包括液壓頂推系統、前導向鉆頭、前導向管和擴孔切削頭等，如圖2所示。

圖2 地箭式頂管系統

1.2.1 原理

地箭式頂管的原理是先利用液壓裝置將前導管按照設計軌跡推進，然后通過前導管作為導體，在前導管末端連接擴孔切削頭，并將擬鋪設的管道同時頂進，完成管道鋪設。

1.2.2 分類

地箭式工法又可分為標準地箭技術和改良地箭技術。土質硬(N>15) ，需排土，采用標準地箭式。土質軟(N<15)，不需要排土，采用改良地箭式。其中，N指標準貫入試驗錘擊數。

推進機臺，按尺寸分為大、小兩型。大型機臺外觀尺寸為1 950 mm(W)×1 200 mm (L)× 850 mm (H)；小型機臺外觀尺寸為1 450 mm (W)×1 200 mm (L)×850 mm (H)。重量分別為2 250 kg和1 550 kg。油壓缸的最大推力分別為80 t×2和52.5 t×2。推進速度均在1 800～5 500 mm/min。兩者均采用兩段式推進，行程分別為630 mm×2和400 mm×2 。兩組機臺的螺旋回轉裝置能提供850 kg /m和600 kg /m的扭力。轉速均可達到20～50 r/min。

1.2.3 優點

地箭式頂管技術相比于其他兩種頂管，其管道鋪設精度高，誤差在±3 cm之內。經緯儀激光制導可滿足排水管道的重力流要求。頂進速度快，單段施工不超過2 d。土層越軟施工速度越快。施工占地面積小，始發井工作坑直徑為2.6 m，接收坑僅為2.1 m。也可實現單邊接收井，只開挖一個工作坑進行接入現存管道的勾頭施工，不會產生空隙與沉降。頂管擠土時不需要擴孔，管壁與土層之間，不存在沉降隱患。

1.2.4 缺點

受到管材限制，施工時使用的管材為樹脂混凝土管、玻璃鋼夾砂管、鋼筋混凝土管，和球墨鑄鐵管。每節1 m，單段頂距一般大于100 m。

2 材料

在諸如上海等軟土地區，常需要對軟土地基加固，以保證上部地坪在整體平移的過程中不被破壞。管材則根據保護建筑的設計使用年限合理選擇。

2.1 土體固結材料

水泥來源廣，簡單實用，是最常見的土體加固材料。但水泥加固土體時有其局限性。首先，水泥不適用于粉土、黏土、淤泥質土、泥漿、鹽漬土以及有機土等特殊土壤。其次，水泥不適用于高含水率狀態下的土壤加固攪拌樁，較高含水率狀態下攪拌成型難。水泥在加固軟土時會使水化環境惡化，造成水化產物生成不協調。分布弱化引起土體微結構不致密。強度不足使得需要加倍使用水泥。其次，在腐蝕環境(特別是硫酸鹽環境)中耐久性不足。在高含水狀態下，需加倍使用，成本翻倍。

在實際工程中，土體硬化多是采用水泥與水玻璃混合使用，但仍有膨脹不均勻、環境不友好等問題。在本項目中，為了保證固結效果，擬采用一款土體硬化劑。

2.1.1 復合固結土

該型土體硬化劑，本質上是一種改進型水泥。應用該型土體硬化劑加固地基軟土，其加固土的28 d強度，達到普通硅酸鹽42.5型水泥加固土相應齡期強度的1.5倍以上。據土壤特點和工程性能要求，采用復合摻合料加化學激發膠凝材料為基本技術路線，克服了改進水泥固化土壤存在的水化環境惡劣、 Ca2+不足、水化產物難以連續分布、耐久性不足等缺點。水化產物類型和水化產物的時間空間分布有序發生，有利于形成最密實固化體的微結構。可以用其直接代替傳統水泥硬化，施工工藝無須改變。

該型土體硬化劑以復合摻和料為主要原料，加入少量水泥和其他激發劑混合而成。在常溫下能夠通過攪拌直接與地基土顆粒膠結，從而增強土體強度，提高土體滲透性能。該型土體硬化劑生產工藝為水泥、復合摻合料、激發劑等原材料經過烘干、粉磨、混合等工序加工而成。該型土體硬化劑混合攪拌土體初凝時間大于24 h，因此停工1 d以上不會形成搭接冷縫。整體性和止水性好。綠色環保，固廢利用，節能降耗，環境友好，且沒有溫室氣體CO2排放。出現極端低溫時，其產品水化熱緩慢釋放，能有效較長時間抵抗低溫，比水泥土的抗凍性更好。

以上海淤泥質粉質黏土的試塊強度試驗結果為例：當水灰比為1.0，該型土體硬化劑摻量分別為10%、15%和18%時，其固化土強度(無側限抗壓強度)分別為504.36 kPa、1 217.87 kPa和1 536.74 kPa。強度高于相同摻量水泥，固化效果優異。兩者對比見表1。

表1 該型土體硬化劑與水泥的對比

該型土體硬化劑與PO42.5型水泥的綜合對比見表2。

表2 該型土體硬化劑與水泥PO42.5的對比

2.1.2 有機高分子類固結材料

此外，還有有機高分子類型固結材料可選用，如聚丙烯酸、聚醋酸乙烯酯、聚氨酯等。在坡面防護、防治水土流失方面，由于具有摻入量少、運輸及施工方便、易于形成柔性固結層等優點而受到廣泛關注。重要解決途徑是將松散的砂土顆粒就地固結，防止顆粒在外力作用下進一步運移。通過有機大分子形成的超分子體簇團與穿插其中的無機凝膠，有效封閉與強化土體。使其在水浸泡和碾壓的情況下，仍能維持一定承載力，大幅度減少車轍。土壤固結體生物相容性良好，易復原與復墾。

2.1.3 其他類型固結材料

高性能聚氨酯砂土是一種施工便道用土壤固結材料，包括以下以質量分數計的原料：高分子固結材料0.1～0.2份、水泥1～5份、石膏2～10份、粉煤灰0～10份、硅灰0～1份、工業廢渣0～10份、細骨料0～10份、消泡劑0.001份。

高強高耐水土體固結劑是經多組分復合產生的超疊加效應。在常溫下能夠直接膠結土體顆粒表面，并與土體產生較高強度和水穩定性。當使用高強高耐水土體固結劑替代水泥作膠凝材料時，其力學性能遠高于使用525#水泥配制的混凝土，尤其是在劈裂與抗拉方面。

2.2 頂管管材

可用作頂管管道的材料有鋼筋混凝土管、樹脂混凝土管和球墨鑄鐵管。鋼筋混凝土管使用壽命為20年，單位重量大，抗酸堿性能差，防水性能差，但價格低。樹脂混凝土管使用壽命為50年，單位重量輕，抗酸堿性好，防水性能好，但價格高。球墨鑄鐵管則采用金屬鋅層，標準管道防腐；加筋水泥防護層，耐磨；環氧樹脂層，減阻。三種不同材質的頂管如圖3所示。

圖3 頂管管材

此外，根據頂管直徑可以把頂管類型分為DN300、DN400、DN500和DN600等多種類型。

3 工程實例

本工程周邊環境復雜，施工場地狹小，且原有文物保護建筑的地坪還需要加固和保護，如圖4所示。但由于沒有施工場地，只能在周邊孔空場地內增設工作井，通過小管幕掘進取土、置換等方式對原有建筑地坪進行加固和保護。

圖4 工程實例某處重要地坪

本工程是在原有文物保護和優秀歷史建筑下方增設地下室。工程中原有地坪需要妥善地保護。采用頂升及平移等常規工藝需要對花磚地坪和歷史臺階等，進行預拆除保護，施工完成后再重新修繕安裝。

微型頂管所組成的管棚從地坪下方穿過，如圖5所示，將地坪荷載傳遞給兩側托換梁體系。對于無法切割，需要整體原位保護的文保建筑的地坪，擬采用微型管在地坪下方頂進取土。該塊地坪共需14根φ250 mm×7 m、17根φ250 mm×5.45 m，如圖6所示。

圖5 管棚平面范圍示意圖

圖6 管棚法施工

該棟文物保護建筑基礎全部有損。首層地坪大部分有損，局部可采用管棚法原位保護或切割保存。重要地坪，采用管棚法原位保留，無法采取切割工藝時的特殊做法，如圖7所示。

圖7 文保建筑的含重要地坪原位保留要求的剖面圖

4 施工方案

首先，根據設計圖紙或者施工現場要求，選取合適的位置開挖工作井，如圖8所示。工作井要根據土質情況和業主要求采用合適的支護工藝進行支護，確保施工安全。其次，根據設計圖紙將鋪設管道中線測放到工作井內。隨后是安裝推進設備。推進設備主要是液壓油缸系統，要保證頂進時頂進力反作用面的牢固性。經緯儀的安放要與設計中線保持一致。

圖8 開挖工作井

4.1 施工流程

微型頂管施工的主要流程：制作工作井→定線測量→安裝推進設備→前導管頂進→抽換內管→安裝擴孔切削頭→管道頂進→設備拆除→工作井回填。

前導管由內管和外管構成，最前端為導向鉆頭，通過導向鉆頭的斜面調整行進方向。將前導管的內管抽出并同時跟進螺旋輸送管(圖9)。隨后，安裝擴孔切削頭管道頂進。管道鋪設完成拆除設備。安裝導向儀，隨后，在導向儀器定向定位下，頂進前導管。

圖9 出土螺旋管組

先導管和導管的箭頭根據需要頂進的管洞尺寸。比如，圖10中的先導管前端箭頭尺寸(外徑×有效長)為φ89 mm×550 mm；圖11中的先導管中端連接段尺寸外徑×有效長(L)為φ89 mm×750 mm。當然還有更大的尺寸，比如外徑×有效長(L)為φ216 m×800 mm。

圖10 先導管前端箭頭

圖11 先導管中端黑色接管

4.2 具體施工步驟

4.2.1 測量放線、管線復探

根據設計圖紙，確定頂管軸線。對公共管線進一步復探，確定安全后方能開始頂管施工。如果無法避讓管線需更改頂進深度時，必須報業主、設計審批后方能施工。

4.2.2 推進機臺、機臺底座、激光經緯儀安裝

根據設計軸線將頂管機、推進機臺、機臺底座安裝就位，頂管機中心線與設計軸線重合，并調整頂進坡度，符合設計要求；安裝激光經緯儀及導向系統。安裝完導向儀后，安裝經緯儀對準頂進方向。整個流程如圖12所示。

4.2.3 先導管施工

經緯儀根據管線中心、高程架設完畢后，依據設計坡度調整坡比，儀器設定好后開始先導管頂進施工[圖12(a)]。

4.2.4 先導管內安裝絞龍

先導管施工完成后在管內安裝絞龍，并安裝出土螺旋管，用于將切削下來的土運送至接受井[圖12(e)]。螺旋出土管組，外徑與有效長度為∮216 mm×800 mm(L)。

圖12 主要操作流程

4.2.5 安裝出土機頭

出土機頭為土壓平衡式切削頭，切削土進入泥土室后通過出土管絞龍運至接收井。切消機頭有三種，分別為：∮500 切削機頭，外徑∮690 mm×905 mm(L)，重量582 kg；∮400切削機頭，外徑∮560 mm×922 mm(L)，重量480 kg。∮300切削機頭，外徑∮455 mm× 922 mm(L)，重量380 kg。

4.2.6 管身頂進

具備鉆進力自平衡功能的鉆頭鋼管一體化成樁設備(水平頂管機)，在鉆至設計孔深后，可將鉆頭從鋼管中回收。之后再灌注樁身混凝土，形成鋼管混凝土樁。

4.2.7 設備拆除與質量驗收

頂管施工結束后，拆除頂管機。軸線采用CCTV檢測設備進入施工完畢的管道內，觀測管道接口、管材質量、坡度等質量情況。驗收的內容主要包括管徑、缺陷距離、缺陷等級。同時需要記錄監測方向、管道長度，并對缺陷進行描述和拍照(圖13)。

圖13 管道內部檢查

4.3 場布

微型管幕頂進還需要機械的后場場布。主要包括龍門架、水箱、發電機、鼓風機、配電間與注漿泵等(圖14)。此外，施工管幕時，需要做好安全防護措施(圖15)。頂進時對周邊環境的影響要降到最小。完成的管幕，需要進行內部檢查。

圖14 現場機械安排

圖15 工作井井口的安全圍護

5 結束語

小管幕技術不僅可用于文物保護建筑的地坪保護，也可作為一種微擾動技術，運用到其他微創施工項目中，同樣也適合管線更新和給排水等工程，在管線搬遷和非明挖條件下新建排污水管等管線和管道的工程中也值得推廣。