非開挖施工用球墨鑄鐵頂管在工程項目中的應用

王海玲 孟慶寬

(1．安鋼集團永通球墨鑄鐵管有限責任公司;2．河南水利建筑工程有限公司)

0 前言

在進行城市地下供水管道鋪設和改造過程中，遇到不可破壞的公路、建筑物、河流等障礙是不可避免的，如果管線繞行或破壞建筑物等，將會大大的增加施工難度和施工成本。日本久保田于上世紀九十年代開發(fā)出Jacking Pipes，我國于2000年開始開發(fā)頂管，但在國內(nèi)并無銷售記錄。為克服因施工造成的道路交通堵塞等難題，永通公司研制開發(fā)生產(chǎn)出球墨鑄鐵管頂管，不需要挖溝，用專用設備將管子逐支頂進，既滿足了穿越障礙物的功能，同時保證了管線材質(zhì)的一致性，是城市供水行業(yè)的新產(chǎn)品。

1 產(chǎn)品概述

1．1 產(chǎn)品制造原理

該產(chǎn)品是在T 型接口的標準球墨鑄鐵管外層涂覆一層混凝土砂漿，將球墨鑄鐵管緊緊包裹在混凝土層內(nèi)部;這樣施工頂進時，既可以減少頂進阻力，使頂管各部位受力均衡，也可以保護鑄鐵管部分不受損害。球墨鑄鐵頂管如圖1 所示。

圖1 球墨鑄鐵頂管

1．2 產(chǎn)品參數(shù)

頂管產(chǎn)品的主要技術參數(shù)見表1。

表1 頂管參數(shù)

1．3 產(chǎn)品特點

與常用的其他類型頂管產(chǎn)品相比，該產(chǎn)品具有以下特點:(1)具有足夠的承載力。由于承插口特殊的結構設計，DN1200 mm 球墨鑄鐵頂管允許最大可承受7350 KN 的頂推力。(2)壽命長，成本低。球墨鑄鐵管為含有石墨的多相組織，克服了鋼管易電化學腐蝕、易變形等弱點，內(nèi)帶有水泥砂漿襯里，外部噴鋅、澆灌混凝土，環(huán)氧樹脂涂料等多層防腐方式，具有超強的防腐性能，設計壽命70年以上。(3)良好的力學性能。強度高、韌性好，可承受較大的內(nèi)、外壓力，(如DN1200 mm 規(guī)格，球墨鑄鐵管頂管最大允許工作壓力2．8 MPa，較混凝土頂管相比高出2． 7 MPa;完全滿足城填供排水0． 3 MPa ～1．0 MPa的工作壓力需要)。(4)密封性能好。T 型接口型式，允許有較大的偏轉(zhuǎn)角，可吸收地面位移，基本免維修，綜合成本低。

2 幾種施工方案的比較

2．1 大開挖施工

大開挖施工就是在鋪設管道時，將公路、水渠全部挖開，待施工完成后再恢復原貌的一種施工措施。其優(yōu)點是投資少、施工工藝簡單、施工費用低，適應于各種規(guī)格的管道施工。缺點是:(1)施工條件受限制。(2)噪音大，破壞周圍環(huán)境。(3)拆遷費用高。

2．2 非開挖施工

2．2．1 水平定向鉆

水平定向鉆鉆機穿越管線施工是按照設計曲線先準確的鉆一個導向孔;再將導向孔進行擴孔，并將產(chǎn)品管線沿著擴大了的導向孔回拖到導向孔中，完成管線穿越工作。其優(yōu)點是對環(huán)境的影響小，對管線的保護作用大，維修費用小，適用于各種規(guī)格的管道施工。缺點是施工工期長、施工場地占用大、安全性差。

2．2．2 “混凝土頂管+鋼管”施工

“混凝土頂管+鋼管”施工是用頂管機將混凝土管直接頂入土層，頂完成后再在混凝土管內(nèi)部穿越鋼管的一種施工方法。其優(yōu)點是無需鉆孔，可直接將混凝土管頂進，適用于各種規(guī)格的管道施工。缺點是:(1)工藝復雜，施工場地占用。(2)抗腐蝕性差。(3)頂力小，頂進速度慢。(4)遇到地下水較大情況，套管的處理比較麻煩，危險性較大。

2．2．3 球墨鑄鐵頂管施工

球墨鑄鐵頂管施工是用頂管機直接把球墨鑄鐵管頂管頂入土層，無需擴孔，內(nèi)部無需再拖拉鋼管，一次完成施工安裝的一種新型施工工藝，其優(yōu)點是:

(1)保護周圍環(huán)境。球墨鑄鐵頂管可直接頂進土層，無施工噪音污染，不影響周圍居民生活，保護環(huán)境。

(2)施工占地面積小。球墨鑄鐵頂管內(nèi)部無需穿套管，施工占地面積小。

(3)安全性能好。球墨鑄鐵管本身有足夠的強度和韌性，自身承壓能力強，施工安全性高。

(4)頂進速度快。球墨鑄鐵頂管外層經(jīng)過特殊處理，在頂進過程中摩擦阻力系數(shù)較小，在注漿情況下，頂進速度較快。平均頂進速度為3 m/h，每天可頂進40 m ～60 m，較混凝土頂管每天頂進20 m ～30 m高出近一倍。

(5)施工工期短。球墨鑄鐵管在正常頂進狀況下，允許不做中繼間承受500 m 的頂距，與安裝中繼間頂進相比，大大提高工作效率，施工周期短。

(6)允許承受的頂推力大，施工方便。球墨鑄鐵頂管安裝時，將大部分的頂推力傳導至球墨鑄管的管體，減少混凝土的受力，很好的分散了施工過程中的頂推力、摩阻力等外力，施工工藝方便。具體頂推力比較見表2。

表2 球墨鑄鐵頂管與混凝土頂管允許頂推阻力比較［1］

由表2 可知，球墨鑄鐵頂管允許承受頂推力較混凝土管頂推力高4753 KN ，達到了截止目前為止國內(nèi)允許頂推力最高標準。

(7)綜合成本低。平均每500 m 可節(jié)省2 ～3個中繼間，可節(jié)約費用11 萬元～16．5 萬元。施工及材料費用見表3。

表3 不同材質(zhì)頂管費用比較［2］

缺點是:(1)由于受施工條件和施工費用限制，適合做DN600 mm 規(guī)格以上規(guī)格的供排水管道，小規(guī)格球墨鑄鐵頂管由于是全自動化機頭，施工費用較高。(2)球墨鑄鐵管相對鋼管材料費用高。

綜合比較可知，在城市地下給排水管道改造過程中，非開挖施工相對大開挖施工節(jié)約拆遷費用，施工占地面積小，對環(huán)境及周圍居民的影響小。球墨鑄鐵頂管相比傳統(tǒng)的施工工藝，有頂進速度快，承受頂推力大，一次性頂進距離長，綜合費用低等優(yōu)點，是城市供排水非開挖施工的新工藝。

3 典型案例應用

南水北調(diào)漯河市供水配套工程輸水線路總長約120 km，自南水北調(diào)10 號口門向漯河市三四水廠輸水，途經(jīng)漯河市太行山路，管線全長1140 m，整條管線設計水流量0．6 m3/s，通水壓力1．2 MPa。由于工程處于漯河市中心地帶，原設計開挖輸水管線位置已被近年來埋設的各類高壓電纜、弱電等地下管線占用，而且新建民房與部分管線設計開挖距離較近，存在施工降排水影響民房安全等問題，因此采用非開挖施工工藝對管道進行鋪設。綜合比較，考慮球墨鑄鐵管的優(yōu)勢，該工程采用了永通公司DN 1000 mm管徑的球墨鑄鐵管頂管產(chǎn)品。

4 施工原理及重點注意事項

4．1 施工原理

頂管施工原理是從地面開挖兩個基坑井，然后管節(jié)從工作井安放，通過主頂千斤頂?shù)捻斖茩C械的頂進，推動管節(jié)從工作井預留口穿入，穿越土層到達接收井的預留口邊，通過接收井的預留口穿出，形成管道的施工。

4．2 頂進設備選擇

根據(jù)管線土質(zhì)、地質(zhì)狀況、管道管徑、頂管距離及現(xiàn)場施工條件，選擇頂進方法。常用的施工方法有:人工頂進，泥水平衡頂進工藝及土壓平衡頂進工藝等。

泥水平衡頂管施工時，通過后座主頂油泵和千斤頂產(chǎn)生的推力，推動管道向前推進，在管節(jié)推進的同時，頂管掘進機大刀盤破碎前方土體，破碎后的土體進入頂管掘進機的泥土倉內(nèi)，經(jīng)刀盤的攪拌與進漿管送入的泥漿攪拌成濃的泥漿，再通過排漿管道將濃泥漿排出機頭。通過管節(jié)一節(jié)一節(jié)向前推進，頂管掘進機不斷推進，最后到達接收井，形成整段管道。通過調(diào)整進排泥水量或調(diào)整頂進速度，調(diào)整頂管掘進機泥水倉的泥水壓力，從而保持了挖掘面的穩(wěn)定。工作原理如圖2。

根據(jù)現(xiàn)場的施工條件、土質(zhì)及管道管徑實際情況，選用Φ1000 mm 泥水平衡頂管掘進機施工。

4．3 重點注意事項

4．3．1 防止地下水滲漏

圖2 泥水平衡施工原理

圖3 穿墻止水環(huán)

圖4 封堵灌漿孔

(1)為防止地下水、泥砂和觸變泥漿從管節(jié)與洞口間的間隙流到操作井，在井內(nèi)預留洞口安裝穿墻止水環(huán)，如圖3 所示。

(2)為預防地下水通過灌漿孔回灌致管道內(nèi)，影響施工，封堵灌漿孔采用銅質(zhì)單向閥加專用堵頭雙密封，灌漿孔與單向閥間隙用環(huán)氧樹脂膠密封。灌漿孔及密封如圖4 所示。

4．3．2 減少頂進過程中的阻力

4．3．2．1 通過灌漿潤滑實現(xiàn)減阻

每節(jié)管道上120 °差開兩個灌漿孔，管道頂進時，利用觸變泥漿隔離土壤、潤滑管道四周，實現(xiàn)減阻。施工中嚴格控制膨潤土的濃度來達到最好的減阻效果，泥漿為膨脹土+水+純堿，另加適量的CMC。

4．3．2．2 增加中繼間

為克服長距離頂進施工中頂推力不足的問題，管節(jié)之間可設置中繼間。中繼間的數(shù)量參考《給水排水工程頂管技術規(guī)程》進行估算確定［3］。由于永通球墨鑄鐵頂管外表面處理光滑，在頂進過程中嚴格控制頂進速度及壓力，及時調(diào)整觸變泥漿粘度，在漯河南水北調(diào)工程中，創(chuàng)造了直接頂進476 m 沒有使用中繼間的國內(nèi)最長記錄。

4．3．3 預防頂進過程中的管線偏轉(zhuǎn)

4．3．3．1 管道自身允許較大偏轉(zhuǎn)角

由于T 型接口的球墨鑄鐵管允許有較大的偏轉(zhuǎn)角，可根據(jù)工程要求調(diào)整管節(jié)的偏移角度;在管道與機頭中間加裝兩支2 m 長的糾偏管，可隨時調(diào)整管道的偏轉(zhuǎn)角，具體偏轉(zhuǎn)角見表4。

表4 球墨鑄鐵管連接允許的偏轉(zhuǎn)角［4］

4．3．3．2 施工過程中測量與糾偏

為防止施工過程中管線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在施工過程中，配備有激光經(jīng)緯儀、測量靶和監(jiān)視器，水平方向測量采用水準儀，垂直方向采用經(jīng)緯儀。

頂進過程中每頂一塊頂鐵測量一次，糾偏時每頂500 mm 測量一次。當頂管發(fā)生扭轉(zhuǎn)時，可通過機頭內(nèi)部的糾偏油缸進行調(diào)整。

5 結語

(1)產(chǎn)品承受頂推力大，創(chuàng)國內(nèi)不需加中繼間一次頂進最長距離476 m 記錄，平均每500 m 可約中繼間費用十余萬元。

(2)施工速度較混凝土管施工快1．5 倍～2 倍，施工效率大大提高。

(3)泥水平衡頂管施工工藝，與傳統(tǒng)頂管施工相比，無需增加設備成本。

(4)由于其具有超強的防腐能力、抗外壓能力和柔性接口設計，確保了管線的超長安全使用壽命，后期基本免維修。

(5)改進了球墨鑄鐵管生產(chǎn)品種，拓寬了球墨鑄鐵管的使用領域，突破了原有地下非開挖施工中無法使用球墨鑄鐵管的施工工藝，解決了球墨鑄鐵管在各大城市給排水管道施工中的難題，是城市給排水行業(yè)的新產(chǎn)品。

(6)經(jīng)南水北調(diào)漯河受水區(qū)中應用表明:節(jié)省了拆遷和開挖施工費用，應用效果良好，經(jīng)濟和社會效益顯著。在非開挖施工技術的球墨鑄鐵管頂管開發(fā)與應用領域的創(chuàng)新技術居國內(nèi)領先水平，與傳統(tǒng)的頂管管材相比，有較大的市場競爭力。

［1］城市供水行業(yè)2010年技術進步發(fā)展規(guī)劃和2020年遠景目標［R］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005:478 －481．

［2］JCT 640 －2010，頂進施工法用鋼筋混凝土排水管［S］．

［3］CECS 246:2008，給水排水工程頂管技術規(guī)程［S］．

［4］球墨鑄鐵給排水管道工程施工驗收規(guī)范技術要求［S］．