地下管道工程頂管施工工法應(yīng)用

王玲玲

（中鐵二十二局集團(tuán)第五工程有限公司,重慶 400700）

1 項(xiàng)目概述

河源市濱江大道為城市主干道施工,本次進(jìn)行北段(科技三路至科技九路)道路工程改造,改造后的標(biāo)準(zhǔn)為雙向6車道,本次施工路線全長為3km,紅線寬度為52m。道路中心線處敷設(shè)新建污水主管道,設(shè)計(jì)管徑D800mm,管道埋深58m,里程KO+050 至K1+550,該路段路基構(gòu)成差異明顯,主要是填筑土質(zhì)地面,地面1.1 米以下為中、粗砂,1.1 米以上為粘土,不具備高度穩(wěn)定性。

2 施工工法及技術(shù)要求

2.1 施工部署

濱江大道北段屬于道路升級改造。道路施工必須在雨、污水管道施工完畢后進(jìn)行,并盡快安排施工。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況,考慮分段、逐點(diǎn)的施工方法。管道施工采用頂管施工方法。濱江大道K0+033-k1+550 共有10 口工作井。施工采用兩臺泥水平衡頂管機(jī)。其中,1#頂管機(jī)以W39 為工作井的起始井,將其推向W35 方向→W31→W27→W23,2#頂管機(jī)以W19 為工作井,向W15 方向推進(jìn)→W11→W7→W3。平均每天頂管20 米。地面設(shè)有操作室系統(tǒng)、泥漿池系統(tǒng)和環(huán)保車,用于泥漿沉淀后的運(yùn)輸和處理。

2.2 頂管施工流程與方法

頂管相關(guān)工作部署如下,每160m設(shè)計(jì)一個頂管工作井,各個頂管工作井中間設(shè)置頂管接收井用于接收,在工作井和接收井當(dāng)中應(yīng)設(shè)置頂管中間井。微型式掘進(jìn)機(jī)由主頂?shù)挠透籽剌S線方向前行推進(jìn),掘進(jìn)機(jī)的頭部進(jìn)入到止水環(huán),穿過土壤層進(jìn)入中間井。電機(jī)提供動力旋轉(zhuǎn)切割刀盤,并通過切割刀盤進(jìn)入土層。挖出的土壤在旋轉(zhuǎn)切割刀盤中被粉碎,然后輸送到泥漿艙,和泥漿相混合。之后由泥漿泵通過泥漿傳輸系統(tǒng)的泥漿排放管泵送到地面。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)完全進(jìn)入到土層面下,將第一節(jié)管材接頭吊下,放置在掘進(jìn)機(jī)尾套上,使其與掘進(jìn)機(jī)頭部形成連接。第一節(jié)管材接頭頂入后,開挖停止,液壓漸漸收回。另一節(jié)管材接頭被吊放至導(dǎo)軌中,套在第一節(jié)管材接頭后面,連接在一起并再次頂起。整個過程重復(fù)進(jìn)行操作,直到所有管材被頂進(jìn)土層內(nèi),形成一條永久性地下管道。

2.2.1 施工流程：測量放樣出前置點(diǎn)→工作井開始施工→測量并放線→導(dǎo)軌架、液壓系統(tǒng)、止水環(huán)等設(shè)施安裝→地面輔助設(shè)施安裝→頂管掘進(jìn)機(jī)具吊裝就位→激光經(jīng)緯儀安裝→掘進(jìn)機(jī)啟動進(jìn)入土體→正常施工頂進(jìn)作業(yè)→頂管機(jī)穿過土體進(jìn)入接收井。

2.2.2 施工方法及技術(shù)要求

2.2.2.1 頂管機(jī)選型

選擇滿足使用條件的頂管機(jī)是完成項(xiàng)目施工的重要前提。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際需求選擇地面遙控泥水平衡掘進(jìn)機(jī)。根據(jù)管徑要求,選用DN800 泥水平衡頂管機(jī)頂管設(shè)備。

2.2.2.2 配套設(shè)備

主要包括泥漿泵、基坑旁路、泥水管道系統(tǒng)、千斤頂、高壓油泵、頂鐵等。

2.2.2.3 測量控制

（1）測量放線定位：先是需要復(fù)核甲方提供的水準(zhǔn)點(diǎn)、導(dǎo)線點(diǎn)等基礎(chǔ)材料信息。經(jīng)監(jiān)理審批后,在沉井位置進(jìn)行測量定位。并根據(jù)現(xiàn)場布置情況,選擇臨時軸線控制點(diǎn)和水準(zhǔn)控制點(diǎn)的布置點(diǎn)位。合理設(shè)置前導(dǎo)墻和后座墻控制點(diǎn)。并在施工過程中對軸線每日進(jìn)行測量,測量的主要內(nèi)容有工作井前、后壁的絕對位移量,核實(shí)前、后壁是否發(fā)生位置偏移,確保工作井穩(wěn)定安全可靠。

（2）頂進(jìn)過程中前行軸線的復(fù)核：在進(jìn)行現(xiàn)場施工的過程中,由于激光發(fā)射器需要定期校驗(yàn),所以難免進(jìn)行拆裝。原有的定位銷有可能出現(xiàn)少量的位置移動。因此在施工開始后,激光束方向的調(diào)整十分必要,具體步驟如下：a.根據(jù)井位坐標(biāo)放出頂軸方向。首先,根據(jù)工作軸的方向,將兩個釘子固定在墻上。b.利用水準(zhǔn)儀在洞口適當(dāng)位置放樣確定出激光點(diǎn)的高程HJ,在洞口的墻上清楚的標(biāo)記出HJ 點(diǎn)位,然后通過該點(diǎn)位標(biāo)示出一條水平線。高程HJ 點(diǎn)位按以下公式計(jì)算：HJ=H0+D0/2+DH。其中：H0- 設(shè)計(jì)水位高程；D0- 管道內(nèi)徑；DH- 激光束與管道軸線之間的高度差。c.將激光發(fā)射器布置好后,確定出平面位置。調(diào)整激光發(fā)射器發(fā)射的激光束,使其保持設(shè)計(jì)的水面坡度,之后調(diào)整發(fā)射器的縱向位置,使激光束擊中水平線的同時通過HJ 點(diǎn)。d.在鋼釘上懸掛帆線,在適當(dāng)位置懸掛兩條垂直于帆線的垂直線,通過調(diào)整激光發(fā)射器的平面位置和發(fā)出的光束位置方向,使得激光同時穿過兩條垂直線,用直板觀察線后通過調(diào)整直到垂直線的陰影分開,激光投影出現(xiàn)的半圓大小對稱。此雙垂線法簡便易行。

2.2.2.4 頂管設(shè)備的安裝

（1）工作井內(nèi)設(shè)備主要有：后座墊鐵、導(dǎo)軌、油缸支架、油缸、穿墻止水設(shè)備等。a.后座墊鐵：主要作用是將主頂軸向產(chǎn)生的反向作用力均勻的分?jǐn)偟胶笞鶋ι稀Ｒ詼p少對后座墻壁的損壞。通過確定墊鐵四角的位置,做好標(biāo)記,在所需區(qū)域內(nèi)鑿墻,找平底部,然后將墊鐵放置到安裝位置上,調(diào)整平面方向（通常在底部放置2 毫米的橡膠墊）,使得確定的平面與頂管前進(jìn)方向相垂直。誤差可允許范圍為2 毫米。最后,使用混凝土填充后座墊鐵與后座墻壁之間的縫隙。b.導(dǎo)軌：是由兩條相互平行的軌道構(gòu)成的,其主要作用是為了保證推進(jìn)過程中能夠平穩(wěn)向前移動,使得管材沿著既定的軌道方向順利進(jìn)入到土層中。二是給頂鐵提供穩(wěn)定的支撐。基坑底部將設(shè)置前進(jìn)軸線,通過調(diào)整軌道的中心線與前進(jìn)軸線相重合,一般通過工字鋼調(diào)整軌道高度。誤差可允許范圍為2 毫米。兩條導(dǎo)軌之間的距離計(jì)算如下：

圖1 導(dǎo)軌示意圖

式中：A0——兩導(dǎo)軌的中間距(mm)；A——兩軌上部的凈距(mm)；a——兩軌的上頂寬度(100mm)；D——管外徑；h——導(dǎo)軌高度 (140mm)；e——管外底距底板的距離(100mm)；經(jīng)計(jì)算:D800 間距為449mm。

c.油缸及油缸支架：油缸支架采用槽鋼焊接而成,主要功能是固定主頂油缸的軸向。根據(jù)基坑底部設(shè)置的頂進(jìn)軸線方向,調(diào)整支座中心線與其對準(zhǔn),墊起支架調(diào)整高度。調(diào)整完成后,把支架和底板鋼筋焊接牢固,并用混凝土縫隙填充密實(shí)。24 小時后,將油缸提升到支架上,并用鋼板壓緊。要把油缸和其支架的定位誤差控制在2mm以內(nèi)。d.穿墻止水設(shè)備：止水環(huán)安裝必須確保橡膠板中心以及壓橡膠板的鋼環(huán)板中心都必須與頂管孔軸線相重合,使橡膠板切割均勻,確保土和泥漿不會溢出。止水環(huán)結(jié)構(gòu)組成（如圖2 所示）包含鋼制法蘭和壓板,中間為20mm厚的橡膠圈。

圖2

（2）地面配套設(shè)備：主要包括主控室和主要頂進(jìn)裝置的安裝,泥漿棚、泥漿系統(tǒng)設(shè)備和監(jiān)控設(shè)備的安裝。

a.主控室及主要頂進(jìn)裝置：主要頂進(jìn)設(shè)備放置在主控室內(nèi)。包括主頂油缸、主要頂進(jìn)油泵和油管。b.泥漿棚及泥漿系統(tǒng)設(shè)備：泥漿棚由鋼管焊接成支架,上蓋波紋瓦。棚內(nèi)主要設(shè)置泥漿箱（罐）、泥漿泵、電箱等。c.監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備：主要為工具管內(nèi)攝像頭和激光導(dǎo)向裝置。監(jiān)測線路必須在開始頂進(jìn)前校準(zhǔn)和調(diào)試完畢,確保與主控室連接正常。

（3）頂進(jìn)設(shè)備：主要有高壓油泵、千斤頂、頂鐵、頂管機(jī)、泥漿循環(huán)系統(tǒng)等設(shè)備。

a.高壓油泵：由電機(jī)驅(qū)動,額定壓力為31.5MPa。每個千斤頂?shù)倪M(jìn)油管并連,以確保每個千斤頂?shù)幕钊敵黾靶谐滔嘁恢隆.千斤頂：是頂管掘進(jìn)的主要設(shè)備。本工程擬選用400t 液壓千斤頂2 臺。c.頂鐵：是用于傳導(dǎo)和分散頂進(jìn)力的設(shè)施。要求其承受住頂進(jìn)壓力后不會產(chǎn)生變形或受損,并且吊運(yùn)方便快捷。d.頂管機(jī)及泥漿系統(tǒng)設(shè)備：選用密封式泥水平衡頂管機(jī),泥漿系統(tǒng)設(shè)備由攪拌桶、攪拌機(jī)、泥漿泵、泥漿管線和沉淀池等組成。e.其他設(shè)備：工作井旁設(shè)置25t 汽車吊,平時用于吊裝材料和設(shè)備。

圖3 頂進(jìn)設(shè)備布置圖

2.2.2.5 后座墻

是在管材在頂進(jìn)過程中向千斤頂提供相反作用力的一種受力結(jié)構(gòu)。要求其結(jié)構(gòu)必須穩(wěn)定,隨時監(jiān)測,一旦出現(xiàn)變形損壞,頂進(jìn)施工立即暫停。

2.2.2.6 頂進(jìn)施工

（1）頂進(jìn)過程。管道外的控制臺負(fù)責(zé)發(fā)出操作頂管機(jī)指令。頂管機(jī)工具頭的旋轉(zhuǎn)、實(shí)況監(jiān)控、壓力數(shù)量顯示、糾偏操控只要一人完成。頂進(jìn)管道時,千斤頂后部不動,在千斤頂向前推動下,將混凝土管向前推進(jìn)。頂進(jìn)一段混凝土管后,收回千斤頂,拆除水、氣、電、泥漿管道,吊入下一段凝土管,測量校核找準(zhǔn)軸線位置,安裝凝土管接頭止水材料,連接各管路,啟動油泵開始少量頂進(jìn),收回千斤頂,測量軸線并加頂鐵,繼續(xù)頂進(jìn),直至完成一節(jié)混凝土管頂進(jìn),重復(fù)以上過程。主要施工工藝流程如圖4 所示。

圖4 頂管施工工藝流程

頂進(jìn)速度的快慢,需要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際土壤情況而定。以防止路面出現(xiàn)坍塌。在施工過程中,要通過壓進(jìn)泥漿同時頂進(jìn)的方式保證壓力。由于現(xiàn)場突發(fā)狀況,需要暫時停止前進(jìn)施工時,也必須讓工具前端保持留有足夠壓力,以保持壓力能夠平衡。恢復(fù)施工時需要對整個管道補(bǔ)漿。

（2）出土施工。出土過程中需向頂管機(jī)內(nèi)注入所需泥漿,用刀盤切削頂管機(jī)前的原狀土,與注入的泥漿體進(jìn)行攪拌,然后,利用吸泥泵運(yùn)送到地面的泥漿池中,經(jīng)過沉淀后的泥沙要及時外運(yùn)處理,表面的泥漿可循環(huán)利用施工中。

當(dāng)沖、吸泥漿泵工作穩(wěn)定時,沖泥艙內(nèi)部應(yīng)該保持一定壓力,泥水壓力應(yīng)當(dāng)和地下水的壓力相較平衡。泥水壓力如果過大會發(fā)生突頂現(xiàn)象,泥水壓力如果過小容易出現(xiàn)頂管機(jī)前方坍塌現(xiàn)象,因此控制頂進(jìn)和排泥速度非常重要。

（3）注漿減阻。注漿系統(tǒng)是由漿液攪拌、注漿及循環(huán)管道組成。泥漿攪拌指將注漿用的材料與水按比例混合形成所需要的泥漿（需靜置24 小時再使用）。注漿由注漿泵進(jìn)行,注漿的壓力和注漿量可根據(jù)壓力表和流量計(jì)進(jìn)行控制。循環(huán)管道分為總管、支管。總管安裝在管道的內(nèi)側(cè),支管負(fù)責(zé)把總管漿液輸送到各個注漿孔。

灌漿過程：制漿和靜置→注漿→頂進(jìn)中注漿→停止頂進(jìn)→注漿停止。

（4）方向校正、糾偏。糾偏千斤頂,一般安裝在工具頭的糾偏節(jié)位置,當(dāng)掘進(jìn)機(jī)頭部偏離時,相應(yīng)的測量點(diǎn)中心會偏離光斑的中心,發(fā)出偏離的信號,并通過視頻傳輸至控制臺上的監(jiān)視器。控制臺應(yīng)立即對特殊情況進(jìn)行反應(yīng)處理,以控制工具頭的前行方向。一般前進(jìn)方向允許誤差在10 毫米,如果超過此范圍,則應(yīng)立即采取措施予以糾正。

工具頭在頂進(jìn)土層5-10m 范圍內(nèi),允許偏差為：高程30mm、軸線50mm。當(dāng)實(shí)際施工時范圍超過此偏差時,控制臺應(yīng)及時采取措施糾正。糾偏過程同樣需要緩慢進(jìn)行不宜過快,逐步將關(guān)節(jié)恢復(fù)到正常位置。不允許糾偏時速度過快或強(qiáng)度過猛。

在頂進(jìn)長度30-40 米之間時或頂管穿出墻洞時發(fā)生偏差,是對整段偏差造成影響較大的部分。尤其在出墻洞時,由于所選用的管材長度較短、前端工具頭部分自重大,孔徑附近土壤較松弛,容易發(fā)生向下移動現(xiàn)象。此時可通過工具頭的調(diào)整偏差功能結(jié)合調(diào)整千斤頂進(jìn)行方向控制。將每一步的調(diào)整控制在5 毫米為一單元。再次進(jìn)行頂進(jìn)長度為1m時,根據(jù)激光經(jīng)緯儀等設(shè)備測量位置偏移的程度。當(dāng)偏差趨勢未減小時,應(yīng)該加大糾正的力度；當(dāng)偏差趨勢穩(wěn)定或下降時,保持原有的力度不變,繼續(xù)向前,當(dāng)偏差逐漸降低時,同樣需要逐漸降低糾正強(qiáng)度。

圖5 頂進(jìn)方向糾偏示意圖

2.2.2.7 頂進(jìn)注意事項(xiàng)

（1）在頂進(jìn)過程中應(yīng)該遵守：“先啟動切刀挖泥,再頂進(jìn),隨挖隨頂”原則。作業(yè)過程中需要保持持續(xù)性,盡量避免中途停工,避免因停機(jī)造成阻力增大,增強(qiáng)頂進(jìn)難度情況的發(fā)生。

（2）最先頂進(jìn)的管節(jié)方向和標(biāo)高決定著整個管道的施工質(zhì)量,必須在開始就確定符合設(shè)計(jì)要求,同時應(yīng)及時監(jiān)測檢查,出現(xiàn)問題要及時糾正。

（3）頂鐵安裝應(yīng)確保平穩(wěn),無偏斜。每次活塞縮回后,應(yīng)更換可能放置最長頂鐵,以盡量減少連接的頂鐵數(shù)量。頂進(jìn)時,作業(yè)人員不可以站在頂鐵的上面和側(cè)方,且要時時留意頂鐵是否存在異常。

（4）頂管頂進(jìn)的過程中,如果管前土體發(fā)生坍塌、后背發(fā)生傾斜、管體偏位過大或油泵壓力表指針急劇上升,應(yīng)即刻暫停施工。

（5）施工記錄作為施工過程中的動態(tài)憑據(jù),要認(rèn)真記錄填寫頂進(jìn)過程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù),按照規(guī)范填寫交接班記錄,將頂進(jìn)的過程動態(tài)清楚表述、問題明確、對策得當(dāng)、以便能夠采取相應(yīng)應(yīng)對措施。

（6）在頂管注漿和頂進(jìn)結(jié)束后,應(yīng)及時補(bǔ)漿進(jìn)行處理,控制沉降。同時在施工過程中,為了避免沉降的發(fā)生,可以將水參數(shù)降低6%左右,提高泥漿的粘稠度。這樣能有效的控制泥漿流失,從而確保表面不發(fā)生沉降。

3 結(jié)論

通過在本工程中頂管施工的實(shí)際應(yīng)用,我們總結(jié)出,在一定的地質(zhì)條件中和特定的施工環(huán)境下,經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查,考慮到管道施工頂管施工技術(shù)可以更安全、高效地達(dá)成工期目標(biāo),減少對相鄰地下及地上管道和結(jié)構(gòu)物的干擾。這是一種穩(wěn)定、高效的施工工法。