頂管技術在管線穿越既有公路中的應用

摘要：為了提高管線穿越既有公路中頂管技術的施工質量，結合工程實例，從施工監測、千斤頂的選型計算、頂管工作井和接收井的施工、反力墻施工、頂進設備安裝、管道頂進、注漿加固、質量糾偏控制等方面，對穿越既有公路的頂管施工技術進行了總結和分析。結果表明，此頂管施工技術有效確保了項目的順利竣工，質量驗收合格，值得在類似項目中推廣和應用。

關鍵詞：頂管技術；公路；頂進；注漿加固；質量糾偏

0" "引言

近年來，很多新技術、新工藝在我國在公路建設領域都得到了應用[1-2]。為了提高管線穿越既有公路中頂管技術的施工質量，本文結合工程實例，從施工監測、千斤頂的選型計算、頂管工作井和接收井的施工、反力墻施工、頂進設備安裝、管道頂進、注漿加固、質量糾偏控制等方面，對穿越既有公路的頂管施工技術進行了總結和分析。

1" "工程概況

1.1" " 跨線路頂管施工技術選擇

某公路工程設計為一級公路，其中K3+917.2設計雨水管道施工橫穿現有國道及支路。現有國道及支路交通量巨大，按當地政府部門要求，必須保證交通不中斷，杜絕污染周邊環境，最大限度減少對周邊居民的影響。結合實際情況，經過方案設計比選，采用非開挖頂管施工技術。液壓千斤頂頂管具有操作簡單、傳力均衡的特點，故選用此方案。頂管用規格為Ф1650mm鋼承口型鋼筋混凝土套管，柔性接口采用楔形氯丁橡膠密封圈。

1.2" " 頂管平面圖

頂管施工設計從跌水井1始，橫穿現有國道及支路，至跌水井2，頂管長度72.8m。平面位置詳見圖1。

1.3" " 施工段地質情況

按地勘報告結果，頂管施工段為粘性殘積砂質巖土層，自上而下是素填土和殘積砂質黏性土，如圖2所示。

2" "穿越既有公路的頂管施工技術

2.1nbsp; " 施工監測

頂管工程施工時，因管道下穿現有國道及支路，施工過程安排專人全程監測，防止路面塌陷，保證國道的正常通行。施工前應事先收集、查明沉井開挖段是否有排水暗溝、地下管網、電力、通信電纜等地下埋設物，避免施工造成經濟損失或工期延誤[3]。

2.2" " 千斤頂的選型計算

假設迎面的阻力為，F1頂進的阻力，F2總推力為，F則各推力計算如下：

F=F1+F2" " " " " " " " " " " " " " " " （1）

F1=π/4·D·2·P" " " " " " " " " " " " "（2）

F2=π·D·f·L" " " " " " " " " " " " " "（3）

P=KO·γ·HO" " " " " " " " " " " " " "（4）

式中，D表示管外徑，取值1.98m；P表示控制土的壓力；KO表示靜止土的壓力系數，正常取值0.55；HO表示掘進設備到地面中心厚度，約為6.34m；γ表示土的濕重量，取值1.9t/m3；f表示管外表面平均綜合摩阻力，取值0.8t/m3；L表示頂距，取最大值72.6m。

通過以上公式和數值，可以求得總推力最小值F為383.84kN，取該最小值作為液壓缸總推力。主頂液壓缸可選用兩臺300t級。采用油泵壓力來控制使油缸的頂力不超過200t。該項目主頂設備用300t的兩臺千斤頂即可符合要求。

2.3" " 頂管工作井和接收井的施工

頂管工作井采用跌水井1的基坑，該基坑長×寬為6.6m×4.1m，采用樁長12m的Φ168@500鋼管樁+一道內支撐支護。基坑的深度為8.16m，按危險性較大工程規定補充安全專項論證方案。頂管接收井位跌水井2，位于國道線南側某江北岸的坡面擋墻位置。該井位置擋墻地面標高約6m，進水口處管道底標高5.24m，出水口處管道底標高3.2m，河岸線標高2.918m，雨水管出水口標高2.885m。

2.4" " 反力墻施工

鋼管樁施工完成后，施工工作井基礎墊層，然后進行C40混凝土反力墻基礎及墻體的施工。反力墻基礎及墻體嚴格設計Φ18配筋，鋼筋間距20cm。反力墻完成混凝土澆筑后，背靠墻預留鋼筋與墻體頂部鋼筋設置剛性連接，保證頂管頂進方向水平面與反力墻垂直面垂直。

在反力墻基礎、墻頂及墻身適當位置設置12個收斂監測點，在頂管施工過程中每6h觀測記錄一次，如發現異常及時停止頂進作業。反力墻完成后增加設置10cm厚鋼板，增大頂管時的后坐力受力面積，滿足最大頂力要求。驗算反力墻的承載力及側壓力，確保其滿足頂管順利施工的反力要求。

2.5" " 頂進設備安裝

2.5.1" "設備軌道及支架安裝、鋪設

頂進導向設備采用導軌作為導向設備。導軌及支架安裝的優劣對頂進施工質量影響很大。導軌采用鋼制材料，導軌安裝除保持在同一水平面，還要做到平行、順直。將支架安裝于鋼導軌下，以支撐頂進設備。頂進施工過程中，對管道軸線和標高進行糾偏控制[4]。

2.5.2" "千斤頂系統安裝

鋼導軌軌道及支架安裝完畢后，按程序開始安裝千斤頂系統。對頂管頂伸力的計算分析，考慮該路段地質情況及現場工作基坑開挖尺寸等因素，結合施工進度計劃情況，按照頂推施工設計方案投入兩臺液壓千斤頂[5]。

開挖工作井，安排技術人員時刻關注周圍土層及地面土質情況，如若出現土質和設計地勘報告有較大區別或者地面有隆起現象，應立即停止施工，經核查做出相應調整后方能繼續進行開挖作業。然后進行傳力設備頂鐵安裝，頂鐵有橫頂鐵、方形頂鐵、環形頂鐵。在退千斤頂時安裝最長的頂鐵，頂鐵安裝要順直，無扭曲、歪斜。頂進作業時，頂鐵正側面嚴禁站人，以防頂鐵崩開傷人。

2.5.3" "其他輔助設備安裝

頂管主要機械設備安裝完畢，即可進行輔助設備的安裝，具體包括空氣壓縮機、風管、水泵、泥泵、測量儀器全站儀及卷揚機等設備[6]。當輔助設備安裝后，再進行其他輔助裝置的安裝，如臨時供電箱、基坑排水泵及照明電路等。

2.5.4" "調試工作

所有進場的設備必須進行維修保養，經驗收合格方能投入使用，使用前必須進行單、整機調試工作。必須確保投入使用的頂管設備性能指標等，符合設計及施工規范要求。調試工具管、液壓千斤頂、污水泵等各種設備的受力性能及技術參數指標。

2.5.5" "頂管電力設備配置

電力設備供電電壓遵循三相四線，變壓器二次側線電壓400V，相電壓為230V，動力機械電壓380V，工作井周圍照明用24V電壓。管道內部照明選用符合規范要求的安全電壓，配電采用安全變壓器，變壓器電容量一般電壓為220V，手把作業燈電壓為12V，其他按施工安全規范要求進行選擇布置。

2.5.6" "通風及檢測設備配置

頂管工作期間，必須經常做管內的氣體檢測及監測工作，增加檢測頻率，提前做好通風措施，排除洞內的一氧化碳、甲烷、二氧化碳等有害氣體，確保頂進施工安全正常，保證洞內作業人員不受有毒氣體的危害。

洞內施工通風要求，按不小于3m3/min/人的新鮮空氣計算。通風設備風機用壓入式，通風管管道直徑0.3m。頂進施工時，在工具管后的第二節鋼管管內安裝壓入式風機，管內二氧化碳等混濁氣體隨風管通風灌入新鮮空氣，沿著管道通風排出井外。

工作實行輪班制，管道內掌子面施工作業人員實行每0.5h輪換班一次。每次換班后開始作業前強行通風排氣5min，保證洞內空氣新鮮。對于施工中的間歇工作，如作業停頓超過2h，必須延長排氣通風時間，每次不少于15min。作業停頓8h以上的，延長排氣通風時間0.5h，作業前必須用空氣檢測儀器進行空氣質量檢測，檢測結果符合規定才能進行施工作業。

2.6" " 管道頂進

頂管設備安裝好后開始進行頂進施工。頂進過程中，通過預留壓漿孔朝向管壁外側注入觸變泥漿。隨著頂進管的尺寸注入適宜的泥漿量，以降低管道頂進的外壁摩擦阻力，同時起到填充管壁空隙，減少土體滑落沉降作用。

頂進主要設備為液壓千斤頂配合有支撐和掘進作用的工具管。頂推管段通過工作井的預鑿墻孔洞把管道壓入土中。用人工持風鎬、鐵鍬等土方開挖工具，對前方土體進行開鑿，進入工具管的泥土經人工和皮帶機裝車，用小車運出掘進管道。在工作井處安裝卷揚機，用于吊運作業。

千斤頂頂推達到規定最大距離后全部縮回，放置頂鐵。千斤頂接著頂進作業，待液壓千斤頂再次伸縮至最大距離行程后，重復縮回初始狀態，接上第一節鋼管，反復進行頂進最大距離縮回及接管工作，頂進管道漸漸延伸入土里。待首節鋼管及工具管全被頂推出洞至預留接收置后，拆除工具管及頂鐵，吊出坑內，清洗干凈，安放焊接預先準備的管道。等焊接冷卻后，重復利用工具管和頂鐵進行操作，直至完成全部管道頂進作業。頂進施工需遵循邊頂邊壓及先壓后頂的原則。

施工鋪設頂管導軌，要考慮平衡重力作用的影響，工具管末端向上微傾一定角度，準確正對預留穿墻孔位置，這樣會使工具管頭在頂進和穿墻孔洞作業中發揮最大優勢。工具管頭與連接管道要采用剛性聯接，能有效避免工具管頭頂進作業發生脫落故障。

2.7" " 注漿加固

考慮土層中地下水情況，注漿加固要使用高強度、止水、不易溶解的注漿材料。對不同的地層，材料的凝結時間可以進行調節。按設計要求做好水泥、水等材料摻配比（見表1）。注漿材料拌制完成，儲存漿筒內發酵一天后方能投入使用。如需提升注漿材料的早期強度和工作質量，可適當摻入一些特種材料，如硅酸鈉等。

頂管頂進施工完成相鄰兩個井段后，為增加管道抗壓強度，必須進行注漿處理。采用空壓機對管道周邊的土層注入漿液，使管道與周邊土體密封粘結，提高管道周邊土質地基強度及穩固性。注漿的標準：注入的漿液要注滿包裹住管道外壁，直至地層與管道外壁無多余空隙為止。

如利用管道上預留的注漿支管進行注漿，每個支管均需設置獨立控制閥門。注漿泵注入壓力宜大于0.1MPa，可調節注入壓力以分次壓注，直至管道外壁與周圍土體密封無空隙。注漿過程，安排專人控制好注漿壓力表讀數，檢查相連通的就近出漿口出漿情況。注漿施工結束后及時做好機具設備的清潔工作。

頂管井段施工結束后，對管道端頭與周圍土體空隙及時加固封堵。如需檢測注漿質量效果，可以在注漿位置鉆孔，通過注水等方法測定地基土層的水滲透系數及水流量。結合地基土質密度及強度判斷注入吸水量大小，以判別注漿質量是否滿足要求。

2.8" " 質量糾偏控制

糾偏是質量控制要點，頂管頂進過程中要勤測量和勤糾偏。工具管掘進時所受土體阻力及管道周邊不均勻摩擦力，以及千斤頂等機具受力偏差不均勻，往往在頂進作業中管道會產生偏差。頂管糾偏方法有襯墊法、支頂法、支托法。

襯墊法選用的襯墊材料，既要能保護管道端頭混凝土，又要能有效傳遞頂推力。可選鋼板、木楔或加工的刃板、膠合板、木工板等。采用襯墊板進行頂進偏差的調整，將偏差按規定調整合格后撤掉墊板，保證兩個管口接觸面不受破壞。

支頂法是利用10t左右的千斤頂或者木支柱做前支撐，斜向支立于前管口頂端，設木托板在支柱下方，以增大承壓面積，之后邊頂進作業邊支頂起管道。待管道支頂至設計標高后，可緩緩撤掉支頂材料，使頂進作業正常有序進行。頂進作業中，禁止調速過快或者支撐受力變化太大，任何使管壁部分受力不均勻的操作都引起管體損壞。

支托法是在管底支墊工字鋼，千斤頂為腳頂，工具管輔助。此種方法支撐能力較強，尤其適合有流沙的地質。

3" "結語

將頂管技術應用在在管線穿越既有公路中，滿足了不中斷現有道路的通行要求，減少周邊環境污染，提高了項目的社會效益并保證了工期。頂管施工技術可以代替傳統的開挖施工工藝，不僅適用工程施工管道需要下穿現有通行道路，保證人民日常出行，而且還能減少征拆費用，降低環境污染。

參考文獻

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[4] 沈承，姬永紅.平行頂管施工及公路拓寬工程的相互影響研究[J].城市道橋與防洪，2022（5）：129-133+141+19.

[5] 徐宇龍.人工頂管施工技術在下穿高速公路頂管施工中的應用[J].河南科技，2021，40（23）：70-72.

[6] 徐濤，王凱.頂管工程施工對鄰近軌道交通高架結構的變形影響分析[J].現代隧道技術，2021，58（S2）：66-72.