鋼筋混凝土管頂進(jìn)施工技術(shù)探討

邸璐

（中鐵十二局集團(tuán)第三工程有限公司，太原 030000）

0 引言

隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，鋼筋混凝土管在城市供水、排水等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，目前鋼筋混凝土管道頂管施工技術(shù)仍面臨一些挑戰(zhàn)，如施工效率低下和施工風(fēng)險較高。因此，探索和優(yōu)化鋼筋混凝土管頂管施工技術(shù)，提高工程質(zhì)量和安全性成為了迫切需求。

本文通過對鋼筋混凝土管頂管施工技術(shù)的研究，旨在提高工程質(zhì)量、減少施工風(fēng)險，促進(jìn)城市供水、排水等領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。通過采用理論分析、實驗研究和數(shù)值模擬等方法，本研究將為鋼筋混凝土管頂管施工技術(shù)的優(yōu)化提供有力的支持和參考。本研究的成果也將為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展做出貢獻(xiàn)，推動相關(guān)技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用。

1 工程概況

河北保定市某區(qū)某水利干渠工程從南水北調(diào)中線總干渠取水，新建輸水線路至XA 新區(qū)原水應(yīng)急調(diào)蓄池，以保障遠(yuǎn)期新區(qū)城鎮(zhèn)生產(chǎn)生活用水。某區(qū)干渠工程采用雙管埋地管道輸水，管徑DN2400/2200，供水流量15.0m3/s，年供水量3.0 億m3。原水應(yīng)急調(diào)蓄池位于RC 縣李茂村西，水池周邊采用挖填結(jié)合方式形成圍堤，調(diào)蓄池庫底長500m（東西向），寬350m（南北向），堤身采用土料回填，內(nèi)側(cè)邊坡1∶3.0，外側(cè)邊坡1∶3.0。

先期建設(shè)內(nèi)容為輸水管線長36.3km 和末端應(yīng)急調(diào)蓄池及相關(guān)建筑物。

本工程頂管采用內(nèi)穿DN2200 鋼管和頂進(jìn)DN2800 鋼筋混凝土管。其中內(nèi)穿DN2200 鋼管主管道采用Q345R型鋼管，內(nèi)徑2200mm，壁厚20mm。鋼筋混凝土套管內(nèi)徑2800mm，壁厚255mm。本項目頂管工程共有6 處，具體分布情況見表1。

表1 頂管工程一覽表

2 施工技術(shù)難點分析

本輸水管道涉及下穿一處輸水管，兩處地埋管線，兩處鐵路及一條國道，共六處構(gòu)筑物，共408m 長的管道采用頂管法施工，頂管法施工時，如頂管方向出現(xiàn)偏差可能會造成地面隆起，對跨越段落地基造成較大影響，如何減少對地基的影響，保證跨越段落的安全，是本工程的難點。

對策：①施工前根據(jù)設(shè)計文件對管道穿越區(qū)域處水文、地質(zhì)情況，進(jìn)行調(diào)查。詳細(xì)了解建筑物與管道線路的位置關(guān)系，管道線路中埋設(shè)的地下管線等情況。②在開挖工作坑時，設(shè)置好排水、降水系統(tǒng)，并避免在雨季施工。開挖工作坑采用機(jī)械開挖，按設(shè)計做好安全防護(hù)，確保工作坑安全。③底板中心應(yīng)與渠道中心線一致，為了減少頂進(jìn)啟動阻力和防止工作坑底板與渠道頂管底板相粘連，頂管施工前，工作坑底板頂面鋪潤滑隔離層。為了控制頂管頂進(jìn)方向，在底板頂面做成前高后低的仰坡，在底板兩側(cè)設(shè)方向墩。④確認(rèn)頂管機(jī)在導(dǎo)軌上的中心線、坡度和高程符合設(shè)計要求，安裝調(diào)試頂進(jìn)及輔助設(shè)備，并進(jìn)行試頂工作。⑤頂管頂進(jìn)施工前，先行對既有道路進(jìn)行加固防護(hù)，初始頂進(jìn)階段，應(yīng)低速度頂進(jìn)。宜加密監(jiān)測次數(shù)，當(dāng)頂管機(jī)或工具管超過允許偏差時，及時采取糾偏措施。頂管機(jī)進(jìn)入洞口后，止水圈與頂管機(jī)的間隱均勻、密封良好，應(yīng)及時將洞口密封與首節(jié)管子外壁貼緊，防止泥水與注漿漿液從洞口泄漏。⑥頂管兩端分別設(shè)置始發(fā)井及接收井，施工期間需加強(qiáng)對頂管兩端的基坑以及輸水、輸氣管道穿越部位的相關(guān)監(jiān)測。為監(jiān)測基坑四周土體沉降變化情況，在每個基坑四周各布置三個水準(zhǔn)點，沉降采用水準(zhǔn)儀觀測；監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)有不均勻沉降或沉降量過大時應(yīng)停止施工，待查出原因后，消除不正常沉降后再施工。頂管施工時，盡量在確保建筑物安全的情況下進(jìn)行。

3 頂管施工工藝

3.1 設(shè)備選用

本工程根據(jù)設(shè)計勘察報告，經(jīng)多方論證決定采用土壓平衡式頂管設(shè)備，頂管機(jī)刀排的前端設(shè)有注漿孔，通過注漿孔可向挖掘面上注水或黏土漿改良土體，使其具有良好的塑性、流動性和止水性；隔倉板上設(shè)有土壓力表，通過調(diào)節(jié)頂管機(jī)的推進(jìn)速度或調(diào)節(jié)螺旋輸送機(jī)的排土量，來控制土倉內(nèi)的土壓力；土壓平衡式頂管機(jī)還具有操作方便、工作安全可靠、重量輕和刀盤驅(qū)動功率小的特點。

3.2 工作坑布置形式

頂管所用管材為DN2800 鋼筋混凝土管，單根管長2米左右，管道質(zhì)量及相關(guān)要求見《混凝土和鋼筋混凝土排水管》GB/T 11836，接口型式可采用柔性鋼承口，鋼板厚度50mm。輸水管道管材為鋼管，公稱直徑為DN2200，頂管段兩側(cè)設(shè)置工作井及接收井，內(nèi)側(cè)及左右側(cè)采用0.8m@1.0m鉆孔灌注樁及冠梁，外側(cè)采用1.0m@1.25m 鉆孔灌注樁及冠梁，中間設(shè)置腰梁，內(nèi)部采用609 鋼管支撐。如圖1 所示。

圖1 頂管工作井平面大樣圖

頂管井施工完成后應(yīng)在井設(shè)置符合安全規(guī)定的護(hù)欄及安全警示燈，施工時應(yīng)作好安全防護(hù)措施，確保人員和設(shè)備安全。頂管井內(nèi)應(yīng)設(shè)置符合安全規(guī)定的爬梯或步梯。

頂管井底板施工宜滿足以下要求：頂管井底板采用50 公分厚C20 混凝土澆筑底板四周設(shè)排水溝，角部設(shè)集水坑1～2 個。

涉及地下水影響的頂管井施工，應(yīng)優(yōu)先采取止水措施。確定采用管井、井點等方法進(jìn)行施工降水的，施工降水方案應(yīng)組織專家評審。

頂管井施工的降水應(yīng)滿足以下要求：①降水深度應(yīng)確保地下水面低于頂管井基底0.5m；②降水應(yīng)有頂管井周邊河湖等積水及地下管線泄漏影響的應(yīng)對措施；③降水應(yīng)有對周邊地下和地上管線、建（構(gòu)）筑物監(jiān)控的措施。

3.3 后背墻結(jié)構(gòu)形式

按照設(shè)計要求如圖2 所示，后背墻的安裝應(yīng)符合下列要求：后背土壁應(yīng)鏟修平整，并使壁面與管道頂進(jìn)方向垂直。后背墻13000*700*50mm 鋼板組裝，組裝后的后背墻應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度，其埋深應(yīng)符合設(shè)計要求。后背土體壁面應(yīng)與后背墻緊貼，孔隙應(yīng)用砂石料填塞密實。根據(jù)后背施工設(shè)計安裝后背，緊貼土體的后背材料，在其前面放置立鐵，立鐵前放置橫鐵。

圖2 工作井后背墻結(jié)構(gòu)圖

3.4 頂力計算

根據(jù)《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》GB 50268-2008 規(guī)定，計算書選取K19+379.37～K19+439.37穿地埋管線（頂管）為力計算最大頂力，計算如下：

式中F 為總推力；

F1為迎面阻力；

pe為控制土壓力；

Bc為管外徑；

pA為掘進(jìn)所處土層的主動土壓力（kPa），一般為150-300kPa；

pw為掘進(jìn)所處土層的地下水壓力（kPa），本工程為不帶水作業(yè)，頂管前確保地下水面低于頂管井基底0.5m；pw=0kPa；

p 為給土倉的預(yù)加壓力（kPa），一般為20kPa。

式中F2為頂進(jìn)阻力；

fk為管外壁與土的單位面積平均摩阻力（kN/m2）；

當(dāng)觸變泥漿技術(shù)成熟可靠、管外壁能形成和保持穩(wěn)定、連續(xù)的泥漿套時，fk可直接取值3.0-5.0kN/m2。

L 為頂進(jìn)長度（m）。

頂管經(jīng)驗計算公式：

式中F 為總推力；

k 為綜合減阻系數(shù)；

如果注漿技術(shù)成熟可靠，最小可取0.3-0.4；

n 為鋼筋砼管土質(zhì)系數(shù)；

G 為管重力kN/m；

L 為頂進(jìn)長度m；

為保證管道頂進(jìn)時頂力有一定的富余，在選用設(shè)備時每坑采用2 個400T 的千斤頂。單向頂進(jìn)長度大于100m時加設(shè)中繼間。

3.5 洞口止水

本工程采用的洞口止水方法是在工作井制作時，需在出洞口處做磚砌止水墻，以便將洞口止水裝置安裝在平面上。止水墻預(yù)先在洞口預(yù)埋鋼法蘭，在鋼法蘭上焊接螺栓，然后安裝橡膠法蘭并用鋼板壓緊。

若土質(zhì)較軟或有流沙現(xiàn)象時，應(yīng)對整個土體進(jìn)行改良和加固，防止掘進(jìn)機(jī)出洞時塌方。

3.6 鋼筋混凝土管頂進(jìn)

初始頂進(jìn)階段，應(yīng)低速度頂進(jìn)。宜加密監(jiān)測次數(shù)，當(dāng)頂管機(jī)或工具管超過允許偏差時，及時采取糾偏措施。頂管機(jī)進(jìn)入洞口后，止水圈與頂管機(jī)的間隙均勻、密封良好，應(yīng)及時將洞口密封與首節(jié)管子外壁貼緊，防止泥水與注漿漿液從洞口泄漏。初始頂進(jìn)階段，如地下水壓過大應(yīng)采取止退措施。在軟土等復(fù)雜地層初始頂進(jìn)時，頂管機(jī)與緊后1～3 節(jié)管節(jié)連接宜采用剛性連接，初始頂進(jìn)結(jié)束后應(yīng)拆除剛性連接，變?yōu)槿嵝赃B接。頂管機(jī)初始頂進(jìn)時宜設(shè)置頂管機(jī)防轉(zhuǎn)裝置。初始頂進(jìn)過程應(yīng)收集頂力、實際地質(zhì)條件等頂進(jìn)數(shù)據(jù)及地層變形量測數(shù)據(jù)，機(jī)械頂管應(yīng)注意切削刀盤扭矩、旋轉(zhuǎn)方向、電流、土壓或水壓等數(shù)據(jù)，及時把握頂進(jìn)及方向控制特性，為正常頂進(jìn)控制提供依據(jù)。

正常頂進(jìn)時應(yīng)依據(jù)初始頂進(jìn)確定的控制內(nèi)容與參數(shù)施工。遇地質(zhì)條件或環(huán)境條件改變時，及時調(diào)整控制參數(shù)。土壓平衡頂管的開挖控制應(yīng)以泥土倉壓力、主頂油缸的頂速和塑流性改良控制為主，輔以排土量控制。本工程管線穿越75μm 以下粉土黏土細(xì)顆粒含量低于30%或砂卵石地層，根據(jù)地下水及頂進(jìn)長度，采用泡沫改良砂土對頂管前方土體塑流性進(jìn)行必要的改良。

頂管機(jī)到達(dá)接收坑洞口加固段，應(yīng)逐漸降低掘進(jìn)速度、停止注漿，并加強(qiáng)接收坑周圍地面變形觀測。變形超過預(yù)定值時，應(yīng)采取有效措施才可繼續(xù)頂進(jìn)。頂管機(jī)接近接收坑洞口時宜緩慢連續(xù)頂進(jìn)作業(yè)。頂管機(jī)進(jìn)入接收坑洞口后，應(yīng)及時破碎接收坑洞口填充物，調(diào)節(jié)止水裝置，啟動排水系統(tǒng)，直至將頂管機(jī)完全頂?shù)浇邮湛觾?nèi)。頂管機(jī)進(jìn)入接收坑到達(dá)預(yù)定位置后，應(yīng)及時封堵洞口與管節(jié)的縫隙，同時進(jìn)行填充注漿，控制洞口周圍土體沉降。

3.7 鋼管施工

頂管貫通后，對始發(fā)井進(jìn)行清理，拆除后背墻、更換基座。采用汽車吊將鋼管吊入始發(fā)井內(nèi)，安放到帶滑輪的支架上，鋼管節(jié)間連接在始發(fā)井內(nèi)完成，完成后分節(jié)推入鋼筋混凝土套管內(nèi)。管道安裝完成后，鋼筋混凝土套管與管道之間的環(huán)型空間注漿或吹砂回填，套管端部采用瀝青麻絲、防滲水泥砂漿封堵。封堵前，需保證套管內(nèi)積水排干。

3.8 管壁注漿

管節(jié)頂進(jìn)就位后應(yīng)及時通過管節(jié)注漿孔注水泥漿水玻璃漿液，填充管節(jié)與周圍土體之間的縫隙，注漿量要充足、密實。

依據(jù)本工程特點，選用如下注漿方案：

水泥-水玻璃漿注漿參數(shù)：

①漿液配比。

1）AB 型漿液。采用P.O 42.5 硅酸鹽純水泥漿及水玻璃混合液，水泥采用普通水泥。2）水泥漿液。水灰比1∶1～1.1∶1。水玻璃參量為水泥用量的15%（重量比）。3）當(dāng)遇如下情況時，應(yīng)調(diào)整漿液濃度：a）水泥漿液擴(kuò)散過遠(yuǎn)，及跑漿現(xiàn)象。b）孔口附近冒漿。

②注漿壓力參數(shù)、注入率及擴(kuò)散范圍。

注漿壓力為0.5～1.0MPa，并根據(jù)注漿試驗結(jié)果及現(xiàn)場情況調(diào)整。擴(kuò)散范圍按管外壁1.0m 考慮。注漿完成后采用雷達(dá)探測地基密實性。

4 結(jié)語

隨著當(dāng)今社會的快速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，鋼筋混凝土管頂管施工技術(shù)作為一項非開挖施工方式，非常適合當(dāng)代社會的現(xiàn)代化發(fā)展，此類技術(shù)對施工要求高，本研究以實際施工項目為案例，旨在為以后頂管施工技術(shù)提供必要的參考。