球墨鑄鐵微頂管技術的工程應用

任 盛，景紀國，趙 健，任憲超，李華成

(1.新興鑄管股份有限公司上海銷售分公司，上海 200437；2.新興鑄管股份有限公司銷售總公司，河北 邯鄲 056300)

0 前 言

近年興起的非開挖技術是利用各種巖土鉆掘設備的技術手段，通過導向、定向鉆進等方式在地表極小部分開挖的情況下敷設、更換和修復各種地下管線的施工新技術，因不需要全面開挖，免除了噪音、塵土、污水等污染而被廣泛應用。目前可作為短頂管的管材有：鋼管、鑄鐵管、水泥管、玻璃鋼等，都可以采用非開挖頂進方式，可應用于市政供水、市政雨污水等領域。

1 微頂管技術優越性

1)可以有效縮短管道修復施工工期，減少施工給周圍環境帶來的影響。

2)綜合成本低，具有較好的經濟和社會效益。在相同的條件下，非開挖施工的綜合效益低于開挖的成本，埋深越深優勢越明顯。

2 微頂管選材

微頂管技術一般指管徑小于600 mm的頂管施工技術，主要分為泥水平衡頂管(一次工法)和地箭式頂管(二次工法)。地箭式工法又分為標準地箭技術和改良地箭技術(N指標準貫入試驗錘擊數)：土質硬(N>15)→排土→標準地箭式；土質軟(N<15)→不排土→改良地箭式

3 微頂管種類和使用領域

微頂管按材質分：球墨鑄鐵管、鋼管、樹脂混凝土管、鋼筋混凝土管。其按領域可分為供水、排水。

排水無壓重力流領域可采用球管和樹脂混凝土管、鋼筋混凝土管；供水壓力較小時可采用球墨鑄鐵管、鋼筋混凝土管；供水壓力較大時宜采用球墨鑄鐵管、鋼管。常用幾種短頂管管材對比分析見表1。

表1 常用短頂管管材對比

4 微頂管工藝優勢

1)管道鋪設精度高，誤差±3 cm。經緯儀激光制導滿足排水管道重力流要求。

2)頂進速度快，單段施工不超過兩天，土層越軟施工速度越快。

3)施工占地面積小，工作坑直徑2.6 m，接收坑直徑為2.1 m。(單邊接井)也可只開挖一個工作坑進行接入現況管道的勾頭施工。

4)無空隙、不沉降，頂管時擠土不擴孔，管壁與土層之間不存在沉降隱患。

5 頂管施工工程案例應用

以上海華翔路項目為例，該工程位于上海青浦區華翔路(博馳路-博恒路)，采用非開挖微型頂管施工工藝組織施工，短頂管管徑為DN300。以鋼筒Φ2 090工作井作為頂管工作井、接收井，可以滿足施工及安全要求。

工作井施工采用機械操作，所采用的機械設備名稱為搖管機，型號為Φ2 590型,輔助設備為200型挖掘機。鋼筒的壁厚為20 mm,內徑為2 090 mm,每節鋼筒的長度為2.0 m，鋼筒之間采用焊接方式連接，鋼筒的下部切割為鋸齒狀，齒深為5 cm。搖管機將鋼筒安裝至設計標高后，采用挖掘機將鋼筒內的土取出，取土結束后立即采用C35混凝土封底，厚度為100 cm。為保證頂管過程中封底要求及鋼筒的穩定性，鋼筒底部嵌入土。

6 球墨微頂管生產質量控制

本工程選用k9的DN300球墨鑄鐵管，按照《非開挖鋪設用球墨鑄鐵管》(YB/T4564—2016)的要求，標準要求的最小允許頂推力為1 240 kN。

1)試驗依據：用于制作頂管的球墨鑄鐵管試驗方法參照《水及燃氣用球墨鑄鐵管、管件和附件》(GB/T 13295—2013)或《污水用球墨鑄鐵管、管件和附件》(GB/T 26081—2010)標準的試驗方法。

2)頂管水泥保護層外觀質量采用目測檢驗，混凝土強度的試驗方法參照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)標準中的試驗方法。

3)頂管終飾層和內襯的試驗方法參照《水及燃氣用球墨鑄鐵管、管件和附件》(GB/T 13295—2013)或《污水用球墨鑄鐵管、管件和附件》(GB/T 26081—2010)標準的試驗方法。

4)用于頂管的試驗段(整鑄1 m長)；頂管管壁平均厚度：插口端9.1 mm,承口端8.5 mm；頂管內徑(襯水泥后)平均通徑：插口端300 mm,承口端297.5 mm；頂管重量：理論重量112 kg，實際重量115.2 kg。

5)頂管推力試驗前水壓試驗：測試條件水壓4 MPa，保壓1 min。

6)在液壓油缸直徑300 mm的水壓機上進行對頂推法蘭的加壓試驗。測試數據匯總見表2。

受壓面積S=3.14×0.152=0.07 m2

直管截面積S1=3.14×0.315×0.009=0.009 m2

表2 測試數據匯總

7)測試原理。壓力機逐漸加壓形成對試驗管材的推力，測試頂推法蘭受力數據、需要用油缸受壓面積換算(F=P×S)直至達到《球墨鑄鐵管系統的非開挖應用—產品設計與安裝》(ISO 13470—2012)及《非開挖鋪設用球墨鑄鐵管》(YB/T 4564—2016)的要求，根據標準，DN300頂管最小容許頂推力為1 240 kN(F=127 t)

計算依據：按標準頂推力(kN)=壓力機壓力值(MPa)×油缸受力面積(m2)×1000

即：1 239 kN=17.7 MPa×0.07 m2×1 000

工廠實際試驗頂推力是1 610 kN(161 t)，大于標準值，施工頂管施管安全。

7 短頂管施工過程中的質量控制

在施工過程中特別針對以下兩點進行監控量測，以指導安全施工及保護工程周邊環境，采取必要的施工保護措施，確保其安全：①基坑支護體徑向變形；②地表及路面開裂與下沉。

具體方案如下。

1)基坑施工現場必須組織專職量測小組。量測小組在施工單位項目部技術負責人領導下，負責測點埋設、日常量測和數據處理等工作，并及時向主管技術領導和部門反饋量測數據。

2)五固定：固定觀測人員；固定觀測儀器；固定觀測水準尺；固定觀測路線；固定觀測方法。

3)每次觀測之前將儀器露天放置30 min。

4)烈日下觀測使用觀測傘，溫差變化較大時使用儀器罩。

5)常規水準觀測順序為后前前后。

6)在線路上預先測量距離，水準儀與水準尺之間的距離不超過50 m，分別在水準尺和水準儀擺設處作相應標志。

7)基坑支護過程監控測量。

8 施工應急預案的方針與目標

根據本工程施工特點及地質情況，充分考慮到施工技術難度和困難、不利條件等，經多方討論和分析，確定本項目的突發事件、風險或緊急情況處置方案。

頂管施工主要安全防范重點為：施工過程中的地下管線破壞、頂管受阻、管道頂裂、土質較硬、地下水較大、高處墜落、物體打擊、機械傷害、起重傷害等。

8.1 地下管線破壞

1)施工前積極與相關管線單位聯系，明確工作井及頂管路由位置是否有管線交叉。

2)對照物探資料，采用管線探測儀、導向儀等技術手段，對施工區域內地下管線進行復測。

3)工作井及接收井沉井位置與相鄰管線至少保持1 m以上安全距離。

4)施工中如遇地下管線破壞情況，應立即停止施工，與管線所屬單位聯系，積極配合搶修工作。

8.2 管道頂裂

1)原因分析：管材質量存在缺陷、頂力過大超過管材的破壞強度。

2)預防措施：管材應選擇正規的生產廠家，有完善的出場證明資料如出場合格證及檢測報告。管材進場后應按規范要求及時送檢，現場應檢查每節管的外觀，是否有質量缺陷。為有效地減小管道頂進時的阻力，應配置減阻劑，在推黑管及推管過程中，充分打漿，減小摩阻力。

3)應急處理措施：在施工中如遇管道頂裂情況，在管道破碎處增設一座Φ2 090 mm鋼筒沉井，取出破碎管道。

8.3 頂管受阻

管道頂進時如遇大石塊或其他障礙導致推力異常增大，造成頂管受阻情況，應使用將機頭拔出，在接收井中向工作井進行施工等方法，直至頂通為止。

8.4 土質較硬及地下水較多

施工前，對照地勘資料，選擇合理的施工方法。對土質較硬的地層，采用出土機頭二次工法施工，可有效減小頂管阻力，確保成功率。

如遇地下水較大，防止切割出、入土洞口后，土體與水流入工作井，造成工作井周邊塌陷，可采取以下措施：施工前在工作井周邊進行壓密注漿或旋噴樁，改善地質；在出、入土洞口安裝鏡面框，可有效阻止水土流入工作井。

9 使用案例

球墨鑄鐵管(以下簡稱“球管”)因其卓越性能被供排水行業所認可，在上海區域使用了1 m、2 m等各種長度的球管短頂管，其中1 m長的球墨短頂管具有：管道鋪設精度誤差±3 cm；施工占地面積小，工作坑和接收井直徑僅2.6 m；頂進速度快，單段施工不超過兩天，土層越軟施工速度越快等優點正在被供排水客戶逐步信賴。上海區域使用情況如下：長橋污水處理廠使用DN1000×2 m，臨港新區農污水使用DN300×1 m，寶山區(月浦鎮盛石路)使用DN300×1 m，寶山區張華浜污水使用DN600×2 m；2021年8月華翔路首次在自來水領域使用DN300×1 m短頂管僅用6 h就完成，球墨短頂管安裝簡便、頂進速度快等產品優勢在充分發揮出來，短頂管的應用范圍得到新的突破。

10 結 語

球墨鑄管因其卓越性能被供排水行業所認可，目前已迅速發展成供排水主流管材。鑄鐵短頂管的開發應用有效解決了整條管線同材質、同壽命的問題，從上海地區已使用的案例看，尤其是2021年8月華翔路首次在全國自來水領域使用DN300×1 m短頂管，解決了傳統管材樹脂管頂推力不足，鋼管焊接工藝繁瑣占時間等問題，效果比傳統使用的樹脂砂、混凝土、鋼管等優勢更明顯，球墨鑄鐵管短頂管承插接口安裝方便，防腐性能強，容許頂推力大，管材到現場后可直接快速安裝，是值得推薦使用的一種管材。

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