砂卵石地層機械頂管施工技術研究與應用

鞠新杰，董海龍，華天波，馮建華

（1.成都錦江綠道建設投資集團有限公司，成都610094；2.中國五冶集團有限公司，成都610063）

1 引言

近年來，隨著我國城市化進程的不斷加速，各大、中城市均致力于打造一個立體綜合的現代交通體系，舊城區改造和公用事業等得到大力發展，對城市地下空間和地下管線建設的需求和要求也在不斷提高。與此同時，城市內澇災害、雨水徑流污染、水資源短缺等問題日益突出，越來越多的人也意識到城市地下管線建設的重要性和必要性。

頂管施工作為一種常用的地下管道施工方法，在不需要開挖面層的情況下，能夠穿越公路、河流、鐵道、地面建筑物、地下構筑物以及各種地下管線等，同時施工不受季節因素的影響[1]。頂管在地下深埋管道施工中，能夠大大減少土方開挖工作量，加快施工速度，降低工程成本與對周邊環境的污染[2-4]，并適用于多種土層，具有較好的經濟性與適用性。

自20 世紀50 年代頂管施工技術引入我國以來，該技術得到了大量應用。隨著頂管施工技術在我國的不斷發展，其無論在技術上、頂管設備還是施工工藝上都取得了很大的進步，且我國已制定了相關的技術規范[5-7]。

在西南地區砂卵石地質條件下進行機械頂管施工，經常遇到大卵石而出現卡機現象，給施工帶來了極大的干擾。本文研究的工程項目是在砂卵石地層中采用機械頂管頂進，砂卵石地層相較沿海地區的土質地層，存在結構松散、膠結較差、自穩能力差、卵石顆粒點對點傳力、單個卵石強度高、顆粒之間空隙大、黏聚力小及內摩擦角大等特點。在這樣的地層中進行長距離和大斷面機械頂管施工，面臨開挖面穩定性差、頂進效率低、刀盤磨損嚴重、地面沉降大及糾偏困難等諸多問題[8]。因此，開展砂卵石地質條件下的機械頂管設備系統的現場調試和施工技術研究很有必要。

2 工程概況

錦江水生態治理（一期）建設項目-錦江截污管涵工程，位于成都市主城區、府河和南河環抱區域。項目包括兩個子項，均采用機械頂管法施工，分別為：

北段——沿府河左岸建設2.8 km 重力流截污管涵（包括3 處明挖過河段），沿沙河排洪渠建設0.5 km 重力流截污管涵，沿馬鞍路建設1 km 壓力管道。

西段——沿西安路至蜀都大道建設1.1 km 重力流截污管涵，沿西郊河至一環路建設0.8 km 壓力管道，沿通惠門路至蜀都大道建設0.4 km 重力流截污管涵，還包含在西郊河堤岸新建提升排水泵站1 座，在摸底河與二道河交匯處新建補水泵站1座，二、三道河現狀污水管道修復2.5 km。

3 設計參數和工藝流程

3.1 管節參數

本項目頂管采用鋼筋混凝土頂管專用管，柔性接頭鋼承口A 型，混凝土強度等級為C50，抗滲等級為P8。頂管管節標準長度為3 m，曲線段長度2 m，曲線頂管管道木墊片厚度為10～30 mm，鋼筋混凝土管采用環氧防腐涂料體系。

3.2 工藝流程

本工程機械頂管施工采用泥水平衡式頂管機，工藝流程如圖1 所示。

圖1 泥水平衡頂管施工工藝流程

4 工作系統

4.1 主頂系統

頂管施工技術原理是在工作井中利用千斤頂提供的頂推力，將掘進機以及預制管材按照設計軸線頂推至接收井中，從而將具有一定功能的管道埋設于地下。頂管的主頂系統由調平墊鐵、導軌和千斤頂等裝置組成，如圖2 所示。

圖2 主頂設備安裝圖

4.1.1 調平墊鐵

選用裝配式調平墊鐵，該裝置的作用是為頂管的反力提供一個垂直平整的受力面，在每個千斤頂受力面上焊接一塊鋼板，使其受力更為均勻。

4.1.2 導軌

導軌用38 號軌道鋼，下面用雙拼槽鋼制作，下面橫向設置槽鋼橫梁，導軌焊于20＃槽鋼上。鋼橫梁置于工作井底板上，并與底板上的250 mm×250 mm×10 mm 的鋼板預埋件采用M20 螺栓連接，使整個導軌系統成為在使用中不會產生位移的、牢固的整體。

4.1.3 千斤頂和支架

主頂油缸選用200 t 的千斤頂，D2 400 mm 管道設置8個、D1 400 mm 管道設置4 個、D1 000 mm 管道設置2 個，具體布置按照計算數量調整。千斤頂固定在支架上，該支架焊接在井底的預留板上，千斤頂著力點應在管軸圓心高度外壁上，千斤頂安裝如圖3 所示。

圖3 千斤頂安裝圖

4.2 掘進系統

頂管機機頭的作用是在控制頂進方向的同時切削土體，機頭的刀盤選用具備擠壓破碎的滾刀配合刮刀組成復合刀盤，刀盤開口率控制為20%～30%，具體開口率根據試驗段驗證數據進行調整控制。

4.3 排泥系統

排泥系統主要由進排泥漿泵、泥漿管、泥水處理裝置、泥水箱等設備組成，如圖4 所示。排泥系統主要有兩個作用：一是排土，二是平衡地下水。

圖4 排泥系統示意圖

4.4 觸變泥漿系統

觸變泥漿采用膨潤土造漿，其組成材料的配比根據現場情況摻配。觸變泥漿系統主要由攪拌桶、壓漿機和管道3 部分組成，其作用是減少頂進過程中的管節外壁與土體的摩阻力。

4.5 穿墻止水裝置

穿墻止水裝置采用預埋盤根止水穿墻套管，組成部分為預埋穿墻鋼套管、盤根、軋蘭、橡膠圈、鋼壓板（悶板）、擋環和封填料，封填料可采用磚砌或低強度水泥土。盤根止水穿墻管通常安裝在工作井的預留洞口處，可有效防止地下水、管壁泥砂和觸變泥漿從管壁與洞口之間的間隙流到頂管工作井內，從而影響施工。

4.6 測量和糾偏系統

頂管的測量系統主要由激光經緯儀、測量靶和監視器等設備組成，其目的是監測和標識機頭掘進過程中的位置偏差。

頂管的糾偏系統主要由糾偏千斤頂、油泵站、位移傳感器和傾斜儀等設備組成，該系統可在泥水平衡機頭掘進過程中調整前進方向，實時糾偏。

4.7 中繼間接力系統

中繼間接力系統主要由多個小千斤頂、液壓泵站和外殼體等設備組成，其設置目的是將整個頂進段分段推進，以減小千斤頂的頂推力要求。本工程中繼間連接采用水泥管柔性承插口中繼間，前后筒均與水泥管承口連接，兩道密封保證泥水不會泄漏到管道內部。

中繼間的設置和控制要求如下：（1）當千斤頂主頂系統的頂推力達到中繼間設計推力的40%～60%時，應設置第一級中繼間；此后，每當千斤頂主頂系統的頂推力達到中繼間設計推力的70%～80%時，繼續設置一級中繼間；（2）當主頂油缸達到中繼油缸推力80%時，應啟動中繼間；（3）合攏時應拆除中繼間內部組件，借助后部的中繼間或主頂推力完成合攏；（4）合攏應按編組次序進行，合攏后應對中繼間接縫進行處理，并做好防腐處理；（5）鋼管合攏后，宜在薄弱環節或斷面進行加焊內環等加固處理。

5 結語

通過以上頂管系統中的主頂系統、掘進系統、排泥系統、觸變泥漿系統、穿墻止水裝置、測量和糾偏系統、中繼間接力系統的現場調試和施工，在本項目中形成了成熟的砂卵石地層機械頂管施工技術，大大減少了地下管網施工的土方開挖量，縮短了施工周期，降低了工程成本與對周邊環境的污染，可在類似工程中推廣應用。