泥水平衡式頂管施工方法

王曉東,仇志峰,魏松

（山東省膠東調(diào)水局,山東濟南250100）

泥水平衡式頂管施工方法

王曉東,仇志峰,魏松

（山東省膠東調(diào)水局,山東濟南250100）

頂管施工是一種地下管道施工方法，它不需要開挖面層，并且能夠穿越公路、鐵道、河川、地面建筑物、地下構(gòu)筑物及各種地下管線。文中通過山東省膠東地區(qū)引黃調(diào)水工程管道頂管穿越S302省道施工應(yīng)用為例，介紹了泥水平衡式頂管施工方法的優(yōu)點，詳細闡述了沉井施工、頂推力計算和頂管施工的工藝流程和主要技術(shù)措施，對同類工程施工具有一定借鑒意義。

泥水平衡式頂管；穿公路；施工技術(shù)；膠東調(diào)水工程

頂管施工是一種借助于主頂油缸及管道間中繼間等的推力，把工具管或掘進機從工作井內(nèi)穿過土層一直推到接收井內(nèi)吊起，同時把緊隨工具管或掘進機后的管道埋設(shè)在兩井之間，以期實現(xiàn)非開挖敷設(shè)地下管道的施工方法。這種技術(shù)的優(yōu)點是不開挖地面；不拆遷，不破壞地面建筑物；不影響交通；不破壞環(huán)境；施工不受氣候和環(huán)境的影響；不影響管道的段差變形；省時、高效、安全，綜合造價低；近年來在管道施工中得到大量應(yīng)用。泥水平衡式頂管是一種以全斷面切削土體，以泥水壓力來平衡土壓力和地下水壓力，又以泥水作為輸送棄土介質(zhì)的機械自動化頂管施工方法。下文通過該工法在山東省膠東地區(qū)引黃調(diào)水工程管道穿越S302省道工程中的應(yīng)用，對泥水平衡式頂管施工工藝及主要技術(shù)措施進行闡述。

1 工程概況

山東省膠東地區(qū)引黃調(diào)水工程是山東“T”字形調(diào)水大動脈的重要組成部分，工程從濱州打漁張引黃閘引取黃河水，利用現(xiàn)有引黃濟青工程輸水至濰坊昌邑市宋莊鎮(zhèn)，在該鎮(zhèn)新建宋莊分水閘分水，經(jīng)青島、煙臺部分區(qū)市至威海米山水庫。工程自高疃泵站至米山水庫段主要為管道工程，全長90 km。管道線路在牟平段樁號3+525處穿越S302省道，該道路是當(dāng)?shù)亟煌ㄒ溃鶃碥囕v多，破路施工協(xié)調(diào)難度大。該段工程設(shè)計采用頂管方式，按照工程地質(zhì)條件，頂管需穿越壤土、砂壤土，淤泥質(zhì)中細砂、中粗砂土層，土質(zhì)情況復(fù)雜，經(jīng)綜合比選，施工采用封閉式泥水平衡機頭頂管工藝，頂管長183 m，地面至管底深6 m左右。該管段管材為螺旋鋼管，鋼管管徑DN2 200 mm，壁厚20 mm。

2 沉井施工

沉井由工作井和接收井組成，采用沉鋼筋混凝土井工藝施工。工程工作井尺寸為7.5 m×4.5 m，接收井尺寸為4.5 m×4.0 m，沉井施工采用一次制作一次下沉的方法進行。沉井施工是一個技術(shù)要求高、難度較大的項目，且是24 h下沉，施工管理人員要現(xiàn)場值班，做好現(xiàn)場記錄，對沉井下沉要做預(yù)先估算，同時考慮應(yīng)變措施，加強現(xiàn)場管理協(xié)調(diào)，以保證沉井按要求下沉到位。

2.1 工藝流程

沉井施工主要工藝流程為：測量放樣→平整場地→基坑開挖至地下水高程以上→砂墊層回填、密實→沉井制作→沉井下沉→沉井封底→鋼筋混凝土底板→頂背安裝、鑄鐵踏步等→工作井頂蓋施工。

2.2 沉井制作

2.2.1 平整場地、測量放樣

基坑開挖前先平整場地，隨后根據(jù)設(shè)計井位座標將井位放出，利用周圍環(huán)境做好井位控制點并加以保護，同時根據(jù)設(shè)計提供的水準點進行復(fù)測，根據(jù)施工需要，設(shè)2～3個水準控制點，并加以保護。施工中所設(shè)的座標控制點、高程控制樁需復(fù)核無誤后方可進行下道工序施工。

2.2.2 基坑開挖

工作井開挖前應(yīng)先查明工程范圍地質(zhì)構(gòu)造和地下水情況。該處工程位于辛安河壩基外側(cè)，地下水埋深在4 m左右，沉井開挖需分步實施。水面線上基坑開挖以液壓挖掘機配合人工開挖并修整邊坡，當(dāng)開挖還剩20～30 cm時采用人工修挖坑底，以保證坑底不被擾動及保證坑底的平整度。在坡腳處設(shè)20 cm×20 cm盲溝，并設(shè)集水井以抽排明水，保證基坑干燥、穩(wěn)定?；又車欢逊磐练?，基坑坡腳至井壁的空間要滿足搭設(shè)腳手架、支模及扎筋等的處理空間。

2.2.3 墊層制作

墊層采用中粗砂回填，需分層回填、分層振搗密實，墊層表面應(yīng)保持平整，平整度誤差控制在±10 mm以內(nèi)，在其上間隔鋪墊枕木。

2.2.4 沉井澆筑

沉井澆筑混凝土采用商品混凝土?；炷翝仓驼駬v分層實施，每層厚度不超過50 cm，插入式振搗器按30 cm平面有效直徑布置振搗，施工過程應(yīng)控制在混凝土初凝時間內(nèi)完成該層混凝土的澆筑。澆筑前在井的四角設(shè)置沉降觀測點，以便及時發(fā)現(xiàn)沉井在澆筑和振搗過程中造成的不均勻沉降。如澆筑過程中發(fā)現(xiàn)不均勻沉降現(xiàn)象，應(yīng)及時采取措施，調(diào)整澆筑的順序和部位，避免造成偏差影響工程質(zhì)量。

2.3 沉井下沉

2.3.1 準備工作

下沉前，在井壁外側(cè)用漆噴涂高度標識，高度標示每50 cm設(shè)置1處，同時標示明確下沉完畢后標高。井頂設(shè)置測量中心位移的標識，井內(nèi)壁上由刃腳至頂部也需設(shè)明顯的高度標志。沿內(nèi)外井壁安裝爬梯，爬梯應(yīng)有安全圍欄，井上搭設(shè)工作平臺。

2.3.2 下沉方法

沉井下沉采用人工挖土下沉，卷揚機吊土方式進行。沉井下沉前應(yīng)計算沉井各階段的下沉系數(shù)，沉井挖土的順序和方位應(yīng)根據(jù)下沉系數(shù)的不同，加以調(diào)整。

沉井下沉深度每次按50 cm控制，挖土下沉應(yīng)遵循對稱、均勻開挖原則進行。開挖順序應(yīng)先中間開挖然后向兩邊進行，逐步擴挖至刃腳附近，使沉井平穩(wěn)下沉。中心深度應(yīng)從嚴控制，并防止開挖深度過大出現(xiàn)突沉現(xiàn)象。

沉井下沉過程中，應(yīng)重視和加強觀測，如發(fā)現(xiàn)偏斜應(yīng)及時糾正。沉井下沉困難時，在井頂均布加荷或在沉井外壁摻入適量黃沙減少摩擦阻力；沉井傾斜時，可采取高側(cè)多挖土、低側(cè)少挖土或高側(cè)增加荷載等方法糾偏。

2.3.3 終沉控制

當(dāng)沉井刃腳踏面下沉至離設(shè)計標高還剩1 m左右時，沉井進入終沉階段，此時應(yīng)切忌“深鍋底”，因為過深的鍋底，可能導(dǎo)致刃腳下土體大量向井內(nèi)涌入，易發(fā)生突然下沉或超沉。應(yīng)先挖刃腳附近的土體，形成“反鍋底”，然后視情況再挖中心部位土體，控制好下沉速度，務(wù)求沉井緩緩擠土下沉到位。

2.3.4 封底

沉井下沉到設(shè)計標高，經(jīng)24 h觀測累計下沉量小于10 mm時，即進行沉井封底。封底前，應(yīng)對井底進行修整，出現(xiàn)超挖部分回填碎石至要求標高，井底排水干燥后，澆筑C15素混凝土墊層。在底板施工前，先對與底板連接處井壁混凝土進行鑿毛處理，后澆筑鋼筋混凝土底板完成封底。

3 掘進設(shè)備選型

3.1 頂力計算

推力的理論計算：（按DN2200 mm管徑計算）

式中：F——總推力，t；F1一—迎面阻力，t；F2——頂進阻力，t。

式中：D——管外徑，m；P——控制土壓力，kPa。

式中：K0——靜止土壓力系數(shù)，一般取0.80；γ——土的濕重量，t/m3；H0——地面至掘進機中心的高度，m。

式中：D——管外徑，m；f——管外表面平均（根據(jù)頂進距離）綜合摩阻力，取0.45 t/m2；L——頂距，m。

3.2 裝置選型

通過計算得出，該段頂管理論總推力為430 t。根據(jù)總推力、工作井所能承受的最大頂力及管材軸向允許推力比較后，取最小值作為油缸的總推力，工作井設(shè)計允許承受的最大頂力為400 t，管材軸向允許推力250 t，主頂油缸選用4臺200 t（2 000 kN）級油缸。工作井和鋼管強度不能滿足200 m頂管，因此中間需要額外增設(shè)頂進系統(tǒng)，減少對工作井和鋼管壓力，施工中按每70 m設(shè)立1個中繼間。

4 頂管

4.1 施工準備

4.1.1 地面準備工作

在頂管頂進施工前，按常規(guī)完成施工用電、水、道路、排水及照明等設(shè)備的安裝。施工材料、設(shè)備及機具須備齊，以滿足工程的施工要求，管材應(yīng)有足夠的余量。坑上、坑下建立測量控制網(wǎng)，并經(jīng)復(fù)核認可。

4.1.2 坑下準備工作

工作坑后部采用方木、鋼板組裝成座，工作坑后靠背與鋼板之間用砂填充密實。

頂管導(dǎo)軌安裝，按測量放樣的頂管設(shè)計軸線吊入坑下就位焊接。頂管機吊裝就位，千斤頂固定在支架上，并與管道中心的軸線對稱，其合力的作用點在管道中心的垂直線上，圓形頂鐵與管道和千斤頂?shù)妮S線平行。頂鐵與管道之間設(shè)連接墊，使頂力均勻地分布在管端，避免應(yīng)力集中對管端造成損傷。

4.2 頂進施工

4.2.1 頂進穿墻

頂進前所有頂進設(shè)備須全部安裝就位，并試運轉(zhuǎn)。在穿墻前通過沉井井壁上的預(yù)埋螺栓安裝好橡膠板、圓環(huán)板、扇形后板等止水裝置。將掘進機機頭頂進至工作井墻面，拆除封門板后，啟動主頂千斤頂和頂管掘進機開始頂進工作。

4.2.2 頂管軌跡控制

初期頂進頂管掘進機先行入土，然后在其尾部拼接特殊糾偏段。初期頂進應(yīng)均勻出土，控制好初始偏差，并及時調(diào)整后座千斤頂合力中心來控制初始偏差，確保工具頭初始狀態(tài)穩(wěn)定和軸線順直。

4.2.3 頂管外周空隙注漿

對于長距離頂管，為了減少土體與管壁間的摩阻力，在管道外壁壓注潤滑泥漿。注漿一般選用優(yōu)質(zhì)的觸變泥漿材料，并取樣測試，主要指標有造漿率、失水量和動塑比。為減少管道外壁的摩阻力，需保證潤滑泥漿在施工期間不失水沉淀、不固結(jié)，合理布置壓漿孔。每個注漿斷面設(shè)置4個壓漿孔以采用多點壓漿，相鄰注漿斷面的孔位平行布置。在管節(jié)斷面一側(cè)安裝壓漿管，每6 m處接三通閥門至管節(jié)注漿孔，總管與閥門用軟管連接，壓漿時須堅持“先壓后頂，隨頂隨壓，及時補漿”的原則，泵送注漿壓力控制在0.1～0.6 MPa。

4.2.4 頂管糾偏

糾偏應(yīng)在下管后盡早進行，糾偏操作方案的依據(jù)為測量提供的機頭折角、傾斜儀基數(shù)和走動趨勢、前后尺讀數(shù)比較、機尾處地面沉降量等。須盡量避免0.5°以上的大動作糾偏，不得已時應(yīng)安排在非重要地段進行并加強觀測。糾偏動作后，如無折角變動應(yīng)立即停頂，檢查電路和液壓管路，盡早排除故障，嚴防軸線超差。注意觀察糾偏儀讀數(shù)的糾后趨勢及光點滯后變化，同時通知地面和地下壓漿人員加大同步壓漿量。

4.2.5 管道軸向測量

工作井、接收井施工結(jié)束后，按工作井穿墻孔與接收井接收孔的實際坐標測量放線，定出管道頂進軸線并將軸線投放到工作井測量平臺上和井壁上。在工作井四周建立測量控制網(wǎng)，并定期復(fù)核各控制點。泥水平衡段施工管道軸向的測量采用高精度激光經(jīng)緯儀，測量主要用導(dǎo)線測量法，測量平臺設(shè)在頂管后座處。測量光靶安裝在掘進機尾部，測量時激光經(jīng)緯儀直接測量機頭尾部測量光靶的位置，并根據(jù)機頭內(nèi)的傾斜儀計算機頭實際狀態(tài)。

4.2.6 頂管接收井進洞

當(dāng)頂管掘進機接近接收井洞口時，應(yīng)加強測量精度和頻率，減少軸線偏差。在頂管到達距接收井10 m左右時，應(yīng)減慢頂進速度，在接收井內(nèi)做好接收的準備工作，復(fù)核洞門中心坐標及高程，對洞口槽壁混凝土進行鑿除，在接收井內(nèi)搭設(shè)接收平臺。掘進機頂進到井壁后，停止壓漿，拆除接收井的封門，頂管掘進機穿過井墻上接收架，馬上采取臨時措施止水堵漏，并繼續(xù)頂進，待完全上架后對出洞口采取永久性止水封堵。

4.2.7 加強施工監(jiān)測

在工作井制作和頂管施工階段，應(yīng)注意實時對鄰近建筑、道路及地下管線水平和垂直位移進行跟蹤監(jiān)測，如監(jiān)測數(shù)據(jù)超過預(yù)警值，應(yīng)及時采取應(yīng)急措施，防止發(fā)生工程和環(huán)境事故。

5 結(jié)語

在山東省膠東地區(qū)引黃調(diào)水工程管道施工過程中，采用頂管施工技術(shù)穿越S302省道,減少了基坑開挖破路施工對當(dāng)?shù)亟煌ǖ挠绊?，降低了施工協(xié)調(diào)難度，加快了施工進度；同時，施工方案也大大節(jié)約了征遷和專項設(shè)施補償費用，降低了綜合造價。管道安裝完成后，一次性充水打壓成功，安裝質(zhì)量滿足規(guī)范要求。目前工程一直安全運行，實踐證明該工藝是一種先進和有效的施工方法，在非開挖方式管道施工中有廣泛應(yīng)用前景。

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