微型頂管技術在復雜環境條件下排水管道工程中的應用

孫金昭，周皓雪，吉 馳，聶俊英

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引言

目前，常見的小口徑市政排水管道施工主要為開槽埋管和水平定向鉆施工。開槽埋管施工對交通影響大，且對道路的整齊與美觀有較大破壞，其施工周期長；水平定向鉆施工則主要用于小口徑的塑料排水管道敷設，相比開槽埋管施工速度快，對周邊環境影響也較小。但是在施工場地有限，地下管線復雜，周邊建筑密集的老城區中，兩種傳統的小口徑排水管道施工技術均難以有效地展開。微型頂管作為一種新型的管道非開挖施工技術，因其施工占地面積小、周期短，精度高，環境影響小等優勢，近幾年在老城區排水管網更新與改造過程中逐步推廣應用[1-4]。現通過實際工程案例，介紹微型頂管技術在老城區復雜環境條件下排水管道施工中的應用。

1 微型頂管技術簡介

微型頂管亦稱為地箭式工法、二次頂管工法，分為兩次頂進施工。第一次施工先將前導管和擴孔黑管推進貫通，第二次施工則以先導管作為導體，利用帶有切削裝置的潛盾機或簡易機頭擴孔并將管道頂進。通過對改良部分施工方式，可在淤泥質松軟土層中采用不排土壓密推進，故根據排土與不排土又將其分為標準地箭式和改良式地箭。標準式地箭施工時邊推進邊排土，改良式地箭施工時則不排土壓密推進。

1.1 第一次頂進施工

利用工作井內經緯儀觀測覘標，扭力轉動導向管前端斜面箭頭切面方向，引導導向管推進貫通至微型頂管接收井。當前導向管推進貫通后，在導向管末端安裝大小頭連接內推黑管，更換推墊后繼續將內推黑管推進貫通至接收井。標準地箭式在內推黑管頂進結束后在黑管內裝入一定數量的螺旋出土管，在第二次頂進施工時將切削土排出；改良地箭式則無需安裝螺旋出土管。

1.2 第二次頂進施工

（1）標準地箭式在第二次頂進施工時，在內推黑管后連接帶有切削裝置的潛盾機，設計管道安裝在潛盾機之后。用潛盾機將孔徑擴大后推進設計管道，切削的土壤通過螺旋出土管排出。由于工作井內放置推進設備，出土空間較小，因此多通過接收井出土。（2）改良地箭式在第二次頂進施工時利用簡易擴孔機頭擴孔，設計管道安裝在簡易擴孔機頭之后隨其一起頂進至接收井。

2 微型頂管施工技術應用案例

2.1 工程概況

某項目位于城市建成區，施工地點周邊建筑密集，道路寬度為12 m，道路下管線密集，周邊地塊功能為建筑居住小區、停車場和商業用地，排水管道施工條件復雜，如圖1 所示。

圖1 施工場地環境條件圖示

（1）工程施工的市政排水管道管徑為DN600，雨水管道敷設長度為38 m，接入鳳新路DN1000 現狀雨水管，污水管道敷設長度為56 m，橫穿鳳新路施工。

（2）根據物探資料，現狀道路下市政管線包括污水、雨水、燃氣、給水、電力、通信以及軍用光纜等，管線埋深約2.0～4.0 m，工程施工排水管道埋深6.0～6.5 m。

考慮到開挖施工占地面積大，道路交通組織困難，擬采用對周邊環境影響較小的非開挖形式的微型頂管施工。微型頂管施工用管材采用樹脂混凝土管，管節長度1 m，管道使用年限為50 a，管材本身具備很好的耐腐蝕性能。

2.2 地質條件

根據地勘報告，該工程非開挖施工段土質為淤泥質粉質黏土，流塑，高壓縮性土，其地基承載力特征值fak=65 kPa。

為盡可能減少施工占地面積和進一步加快施工速度，結合地質條件，該工程采用改良地箭式施工工藝，即不排土，頂管施工。

2.3 施工工藝流程

改良地箭式（微型頂管）的施工工藝流程如圖2所示。

圖2 微型頂管施工工藝流程圖

2.3.1 工作井/接收井施工

該工程微型頂管用工作井和接收井采用鋼護筒井形式，沉井施工。鋼護筒常用直徑尺寸為φ1 890 mm、φ2 090 mm 和φ2 590 mm，采用Q235B 鋼板制成，壁厚20 mm。每節標準鋼護筒的高度為2 m。為減少鋼護筒在下沉過程中與土壤的摩擦阻力以及不同土質的干擾，刃腳節鋼護筒（最下節接土鋼護筒）接土一側需加工成鋸齒狀，鋸齒深度約10～20 cm。不同鋼護筒之間的連接需在入土之前進行焊接，鋼護筒下沉至設計標高后用C30 混凝土封底施工。

2.3.2 頂管設備安裝

微型頂管工作井施工完成后，在井內進行頂管設備安裝。根據頂進管道中心軸線，安裝好工作井內底座槽鋼，槽鋼底與地板預留500 mm 空間，作為存儲地下水及少量泥沙的空間。底座槽鋼完成后，根據管道軸線安裝好底板及推進臺，通過底板上的緊固螺栓固定好頂管推進臺。推進臺后背與弧形鋼護筒井壁之間的空隙采用三角鐵焊接加固，以保證推進工作臺頂進過程中的穩定性。

根據《給水排水工程頂管技術規程》（CECS 246），頂管施工總頂力可按下式估算：

式中：F 為微型頂管施工所需總頂力；D1為管道外徑，取值0.7 m；L 為管道頂進長度，取值60 m；fk為管道外壁與土的平均摩阻力，考慮到微型頂管施工過程中不考慮觸變泥漿減阻，取值10.0 kN/m2；NF為頂管機的迎面阻力，kN。

改良地箭式微型頂管施工使用的簡易機頭頂管機端面為喇叭口式，采用擠壓式不排土頂管施工，其迎面阻力NF的計算式為：

式中：Dg為頂管機外徑，取值0.72 m；e 為開口率，取值0.2；R 為擠壓阻力，取值500 kN/m2。

綜上，計算微型頂管施工迎面阻力NF為162.8 kN，微型頂管施工所需總頂力F 為1481.6 kN。

參考頂力F 的估算值，該工程所用推進機臺工藝參數見表1 所列。圖3 為推進臺及油壓組合系統圖示。

圖3 推進臺及油壓組合系統圖示

表1 微型頂管推進臺工藝參數表

2.3.3 先導管頂進

改良地箭式微型頂管的先導管主要包括斜面箭頭、導向管，以及內推黑管（見圖4）。先導管施工前，在頂管工作井內設置好激光經緯儀，設置管道坡度。經緯儀目鏡十字絲中心位置照準斜面箭頭綠燈，若出現十字斜面中心偏離綠燈時，則需調整斜面箭頭前端斜面方向進行糾偏。導向管根據激光經緯儀設定坡度頂進至接收井后，卸下斜面箭頭，開始進行內推黑管頂進。內推黑管直徑為φ220 mm，其頂進的目的是對設計管道頂進方向進一步擴孔，鎖定管道頂進方向。

圖4 斜面箭頭及導向管圖示

導向管前端箭頭采用斜面箭頭，在推進過程中，通過不斷扭動斜面箭頭，引導導向管推進。由于地層反作用力與斜面箭頭切面法線方向相反，因此在導向管推進方向沒有發生偏差時，導向管必須不停地轉動，扭力維持在80～120 kg/m，保持導向管能夠直線推進。當導向管推進方向發生偏移時，則調整切面方向至適當方位后停止轉動斜面箭頭，利用地層反作用力導正導向管推進方向。

2.3.4 樹脂混凝土管頂進

當內推黑管頂進至微型頂管接收井后，在微型頂管工作井內黑管后安裝簡易擴孔機頭。樹脂混凝土管安裝在簡易擴孔機頭之后，沿黑管軌跡緩慢逐節頂進至接收井內。先導管（導向管和內推黑管）在接收井內逐節拆除。

圖5 為排水管道頂進完成之實景。

圖5 排水管道頂進完成之實景

2.3.5 檢查井澆筑微型頂管施工完成后，在工作井和接收井內按要求澆筑鋼筋混凝土污水檢查井。在污水檢查井井室澆筑之前，對管道口以上500 mm 處的鋼護筒進行切割，以便后期鋼護筒的拔除，而管道橫穿的底部鋼護筒則遺留在地下。在檢查井井座施工完成后，進行鋼護筒拔除。在鋼護筒拔除的同時向基坑內回填中粗砂。

2.4 工藝特點分析

（1）微型頂管施工方式靈活，可根據地質情況，選擇不排土頂進或者排土頂進。不排土頂進施工工序更為簡便，無土方外運，適用于敷設在地質松軟土層的排水管道。

（2）利用經緯儀與導向管前端的斜面箭頭內覘標控制導向管的走向，施工精度成熟可控，單段管道施工誤差為±30 mm。

（3）管道頂進施工速度相對較快，單段管道施工不超過2 d。

（4）單段管道頂進長度一般不超過60 m，每節管道長度為1 m，適用于φ600 mm 以下管道的非開挖施工。

（5）可施工用管材有樹脂混凝土管、玻璃鋼夾砂管，以及鋼筋混凝土管，一般采用樹脂混凝土管居多。

（6）通過先導管的第一次頂進貫通，避開地下障礙物，完成設計管道的敷設。

3 結語

微型頂管作為一種新型的小口徑排水管道施工技術，施工占地面積小，周期短、精度穩定可控。相比傳統的開槽埋管或水平定向鉆施工技術，優勢明顯，尤其是對于位于施工場地小、地下管線復雜、周邊建筑密集的老城區排水管道工程，提供了一種很好的施工方案，在小口徑排水管道工程施工中有推廣應用的優勢。