頂管施工方法的研究

黃志河

(中建遠(yuǎn)南集團(tuán)有限公司 福建泉州 362000)

頂管施工方法的研究

黃志河

(中建遠(yuǎn)南集團(tuán)有限公司 福建泉州 362000)

結(jié)合項(xiàng)目龍巖大道南段一期(雙龍路-興業(yè)路)工程的頂管施工，主要介紹了擬建工程概況、頂管頂推力的計(jì)算(數(shù)據(jù))、頂管施工難點(diǎn)、基本工作原理、施工工藝流程及特點(diǎn)、主要設(shè)備的安裝及調(diào)試、鋼筋混凝土管材的選型、頂管施工過(guò)程中的測(cè)量、糾偏及控制、泥漿注壓(置換)、沉降觀測(cè)等施工全過(guò)程，分析施工過(guò)程的控制措施及要點(diǎn)，提出相應(yīng)的處理方法，重點(diǎn)對(duì)頂進(jìn)、測(cè)量、糾偏進(jìn)行探討，頂管施工完成后經(jīng)檢測(cè)質(zhì)量達(dá)到預(yù)期的良好效果。

頂管；施工方法；控制

0 引言

相較于相同管徑的明挖施工，頂管施工的優(yōu)點(diǎn)就是占地面積較小，在地下施工中，不會(huì)阻礙交通，而且在對(duì)地面活動(dòng)中，產(chǎn)生的影響也相對(duì)較小。即使穿越公路、鐵路等障礙物時(shí)，可減少拆遷工作量，節(jié)約時(shí)間和降低成本。基此，本文擬結(jié)合某工程具體項(xiàng)目探討頂管施工方法。

1 工程概況

擬建工程為龍巖大道南段一期(雙龍路-興業(yè)路)工程，橫穿龍巖大道與興業(yè)路交叉口段，人流量及車流量非常大。由于相關(guān)的給水、電力、燃?xì)?、通信、網(wǎng)絡(luò)等各種管道需穿過(guò)雙龍路，為了不影響交通的正常運(yùn)行，設(shè)計(jì)采用頂管施工工藝，設(shè)計(jì)了一個(gè)工作井(內(nèi)徑長(zhǎng)14.6m×寬9.6m×深12.55m，井壁厚0.8m)，一個(gè)接收井(內(nèi)徑長(zhǎng)14.6m×寬9.6m×深13.15m，井壁厚0.8m)，工作井中，采用2根Φ3000mm的鋼筋混凝土管，水平并排的排列方式布置(兩管外壁間距為3.4m)，頂入接收井，分別長(zhǎng)89m，管頂覆土深度為6.35m，頂管施工完成后所有的相關(guān)管道全部架設(shè)在頂管內(nèi)部,如圖1所示。

圖1 頂管平面示意圖

該工程地勘報(bào)告顯示地質(zhì)情況如下：①卵石：卵石約占60%，粒徑為30mm～80mm，充填物以中粗砂為主，層間標(biāo)高345.18m～339.08m。②殘積粘性土：可塑-硬塑，成分為粉粘粒，干強(qiáng)度中等，層間標(biāo)高328.48m～339.08m。透水系數(shù)小于7m/s～10m/s。③全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖：主要是粉砂結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，中厚層結(jié)構(gòu)。頂管段穿越的標(biāo)高335.0m～339.05m，穿越的地層土質(zhì)為殘積粘性土。頂管段的地下水位線處在：340.68m～340.86m，因而頂管段位于地下水位線以上。

根據(jù)該工程周邊環(huán)境、地質(zhì)條件、水文條件(殘積粘性土的透水系數(shù))并結(jié)合效率、施工場(chǎng)地、施工的經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性、施工風(fēng)險(xiǎn)及滿足工期要求等因素，綜合考慮各相關(guān)條件后采用土壓平衡的頂管施工工藝。

該工程采用土壓平衡頂管工藝，兩段長(zhǎng)度一致(約89m/段)，頂管管材采用Φ3000mm鋼筋混凝土管(外徑3600mm)，頂力計(jì)算依據(jù)相應(yīng)《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50268-2008)，技術(shù)數(shù)據(jù)參照現(xiàn)場(chǎng)情況及地質(zhì)勘察報(bào)告，計(jì)算結(jié)果如下：

FP=3.14×3.6×89×4+3.14/4×(3.62×3.62×188.71)=4024+1940=5964

式中：FP——頂進(jìn)阻力(kN)；D0——管道的外徑，取3.6m；L——管道的計(jì)算頂進(jìn)長(zhǎng)度，取89m；fk——管道四周與前方切削土體的平均摩擦力。

當(dāng)觸變泥漿技術(shù)成熟、可靠、管外壁四周能形成并保持連續(xù)的泥漿套，fk可直接取3.0kN/m2～5.0kN/m2，該工程取4kN/m2。

NF——頂管機(jī)的迎面阻力(kN)；

Dg——頂管機(jī)外徑取3.62m；

p——控制土壓力取值：188.71kN/m2。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該工程工作井后座承載力為不小于9000kN，按頂管后座安全系數(shù)0.8計(jì)為7200kN大于該頂管工程頂力5964kN。

2 工程施工難點(diǎn)及應(yīng)采取的措施

(1)該工程頂管口徑大(Φ3000mm)，出土量大。

(2)頂管容易出現(xiàn)的問(wèn)題是管道偏差大，需采取勤測(cè)、勤糾、嚴(yán)格控制頂進(jìn)速度的措施來(lái)控制管道偏差大的問(wèn)題。

(3)為保證路面及地下設(shè)施安全，沉降觀測(cè)及地面監(jiān)測(cè)是該工程重點(diǎn)，需由專業(yè)資質(zhì)單位實(shí)施監(jiān)測(cè)。

(4)為保證與現(xiàn)有管線的安全距離，施工前需提前探測(cè)詳細(xì)管線。

(5)為盡量減少管道頂進(jìn)的摩擦阻力，頂進(jìn)過(guò)程采用觸變泥漿及其他辦法來(lái)減阻等有效措施。

3 頂管施工基本的原理、工藝的流程和特點(diǎn)

基本原理：頂管在頂進(jìn)中，主驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)主軸承轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸承帶動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)，刀盤面上布置的刀具切削前方泥土。依靠刀盤后面結(jié)構(gòu)液壓缸的推進(jìn)，使刀盤對(duì)前方的土體進(jìn)行切削，切削出的渣土通過(guò)螺旋輸送機(jī)排出。通過(guò)控制頂管頂進(jìn)速度及螺旋機(jī)排出土渣速度，使土壓倉(cāng)的土壓值基本穩(wěn)定并控制在所設(shè)定的壓力值范圍內(nèi)[1]，使頂管掘進(jìn)機(jī)所處土層的土壓力與該段地下水壓力處于一種平衡狀態(tài)。頂管掘進(jìn)機(jī)的切削排土方數(shù)與掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)占有土的體積也處于另一種平衡狀態(tài)，以達(dá)到頂進(jìn)切削面土體總體穩(wěn)定狀態(tài)。

頂管施工工藝的流程如圖2所示。頂管施工工藝特點(diǎn)如表1所示。

圖2 頂管施工工藝的流程圖解

項(xiàng)目施工工藝的特點(diǎn)穩(wěn)定掘進(jìn)面保持土倉(cāng)壓力，維持掘進(jìn)面土方穩(wěn)定地質(zhì)條件適應(yīng)性在透水性等類似土層中應(yīng)有土體改良的處理措施抵抗地下水壓力靠土體的不透水性質(zhì)在土倉(cāng)得到土塞效應(yīng)抵抗地下水壓力控制地表沉降與隆起維持土倉(cāng)內(nèi)的土壓力、控制頂進(jìn)速度、保持切削與出土基本平衡隧洞內(nèi)的出土方式采用出渣車進(jìn)行外運(yùn)，汽車吊提升出渣，效率一般頂管推力土層對(duì)頂管的阻力大，推進(jìn)力比泥水平衡式頂管大刀盤及刀具壽命、刀盤轉(zhuǎn)矩刀盤的壽命比泥水平衡頂管要短，刀盤驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩比泥水平衡頂管大推進(jìn)的效率土渣的出土外運(yùn)隨著掘進(jìn)距離的加大，其出土效率也相應(yīng)隨之降低隧洞內(nèi)環(huán)境受照明及通風(fēng)效果影響，環(huán)境較差施工時(shí)占地土渣呈泥狀，不用另行處理即可外運(yùn)，占地面積不大經(jīng)濟(jì)性只需配套的汽車吊及行吊，整套頂管設(shè)備購(gòu)買花費(fèi)經(jīng)濟(jì)

4 頂管施工主要設(shè)備的安裝及相應(yīng)調(diào)試

頂管主要設(shè)備有：①頂管機(jī)、②主頂系統(tǒng)、③控制系統(tǒng)、④測(cè)量設(shè)備、⑤注漿設(shè)備等。

4.1 頂管機(jī)

(1)選用 TYD3000mm土壓平衡頂管機(jī)，它有切削及攪拌土體、控制前進(jìn)方向的作用，如圖3所示。

(2)頂管機(jī)安裝調(diào)試：

①將頂管機(jī)放入工作井前，進(jìn)行整體檢查。

②頂管機(jī)拆卸及安裝輕拿輕放，防止碰撞損壞。

③機(jī)內(nèi)結(jié)構(gòu)的氣壓和電路等設(shè)備進(jìn)行一一連接，保證不滲漏，各部件安裝準(zhǔn)確。

④頂管機(jī)安裝后，進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試和運(yùn)行，測(cè)定中心方向的偏差、并進(jìn)行多次排氣，使缸體運(yùn)行順暢。工作壓力為25Mpa(額定壓力不能超出29.0Mpa)，以防千斤頂超壓導(dǎo)致?lián)p壞。

圖3 TYD3000mm頂管機(jī)

4.2 主頂系統(tǒng)

由后座墊鐵、導(dǎo)軌、液壓式千斤頂及支承支架、主頂泵站等組成。

主頂系統(tǒng)的作用是完成管道的推進(jìn)，如圖4所示。

4.2.1 后座墊鐵安裝

選用裝配式后座墊鐵。后座墊鐵選用 22mm 厚的鋼板焊接成縱橫交錯(cuò)肋的箱體，千斤頂?shù)氖芰σ幻娌捎?500mm×500mm 的30mm 厚鋼板，這樣使箱體受力更加勻稱；后座墊鐵基礎(chǔ)采用素混凝土，高50cm。后座墊鐵和工作井后墻間隙灌注混凝土，使工作井井壁受力勻稱。

圖4 主頂設(shè)備安裝圖

4.2.2 導(dǎo)軌安裝

(1)導(dǎo)軌采用50kg/m鋼軌制造，導(dǎo)軌底座焊于22#槽鋼上。鋼橫梁放置在工作井的底板上面，并和底板上的預(yù)埋件焊接為一體。

(2)導(dǎo)軌安裝牢固，不產(chǎn)生位移偏差。

(3)兩邊導(dǎo)軌順直、相互平行、高度相同；調(diào)節(jié)縱坡的坡度與設(shè)計(jì)的坡度盡量相同。

(4)導(dǎo)軌安裝的允許偏差：軸線位置為3mm；頂面高程為0～+3mm；兩軌內(nèi)距為±2mm。

圖5 導(dǎo)軌、千斤頂支架、千斤頂

4.2.3 千斤頂支架

千斤頂支架是用來(lái)支撐并固定主頂千斤頂?shù)闹饕獦?gòu)件，采用16#槽鋼制造而成，支架焊接在底板上，剛性及穩(wěn)定性能要好,如圖5所示。

4.2.4 主頂千斤頂

主頂油缸選用2000kN的千斤頂，千斤頂受力點(diǎn)在管軸的軸心高度外壁上，中心布置，其受力的點(diǎn)在管道中心點(diǎn)上。主頂千斤頂如圖6所示。

圖6 主頂千斤頂

4.2.5 主頂泵站

主頂泵站為千斤頂提供動(dòng)能，具有供油和回油功能，主頂泵站額定壓力為29.0MPa，位置靠近操作臺(tái)便于操作。

5 頂管施工過(guò)程中的測(cè)量、糾偏及控制

5.1 管材的選型

該工程采用“F”型鋼筋混凝土承插管，其內(nèi)徑為3.0m，管壁厚為0.3m，管長(zhǎng)為2.5m，接口密封圈采用契形橡膠圈，按方案要求配置注漿孔管節(jié)。頂管施工采用65T汽車吊車及行吊，如圖7所示。

圖7 行吊圖

5.2 穿墻止水環(huán)

止水環(huán)在工作井的預(yù)留洞口周邊安裝，防止地下水和泥漿從管段四周與止水環(huán)之間滲入到工作井，如圖8所示。穿墻止水環(huán)的組成部分分別為：預(yù)埋鋼板環(huán)、鋼壓環(huán)、橡膠圈、鋼壓板、螺栓等5部分。

圖8 穿墻止水環(huán)

穿墻止水環(huán)結(jié)構(gòu)：應(yīng)用了鋼法蘭加壓板，中心安裝有22mm厚的絕緣橡膠止水環(huán)，具有抗拉、抗壓、抗磨的作用。硬度為45～50，永久性變形小于8%。

5.3 頂管施工過(guò)程中的工藝要求，測(cè)量、糾偏及控制

5.3.1 頂進(jìn)

先接通設(shè)備電源，然后依次啟動(dòng)刀盤和油泵，全面檢查各部件無(wú)異常情況后開始頂進(jìn)。頂進(jìn)前先把頂管機(jī)推到距離預(yù)留洞口封門100cm左右，接著拆除預(yù)留洞上的磚墻后再將頂管機(jī)慢慢推入穿墻止水環(huán)，后刀盤旋轉(zhuǎn)刀具切削前方泥土，這時(shí)傳感器顯示壓力逐漸上升，當(dāng)壓力上升到上限時(shí)，即開啟螺旋出土機(jī)設(shè)備進(jìn)行出土，當(dāng)土壓力下降到下限關(guān)閉螺旋出土機(jī)。正常頂進(jìn)過(guò)程中控制頂進(jìn)速度不大于30mm/min，頂進(jìn)過(guò)程中密切注意傳感器顯示的數(shù)值，當(dāng)壓力表顯示壓力較高而出土工作基本正常則說(shuō)明頂進(jìn)速度確實(shí)過(guò)快，這時(shí)就要暫時(shí)停止所有主頂油缸推進(jìn)，待壓力恢復(fù)正常后再推進(jìn)。頂管尤其在剛出洞時(shí)及第一節(jié)套管頂進(jìn)和頂進(jìn)入洞距離為10m～20m范圍內(nèi)的偏差是全段偏差的關(guān)鍵部位。特別是剛出洞時(shí)候，由于這時(shí)管段長(zhǎng)度較短、工具頭的重量很大，對(duì)應(yīng)土質(zhì)在進(jìn)出洞口時(shí)易受擾動(dòng)等其他條件影響，工具頭經(jīng)常會(huì)向下傾斜，這種情況下就采用工具頭自帶的糾偏系統(tǒng)和調(diào)節(jié)千斤頂作用力中心對(duì)頂管的頂進(jìn)方向進(jìn)行糾正。

5.3.2 測(cè)量

頂管在切削及頂進(jìn)過(guò)程中測(cè)量的主要任務(wù)是記錄及把控好管線的中線方向、高程和頂進(jìn)坡度。該工程采用激光經(jīng)緯儀測(cè)量，方法如下：激光經(jīng)緯儀安裝并檢測(cè)后，射出激光中心線，這是頂管切削及頂進(jìn)的基準(zhǔn)線。開頂前，測(cè)量靶心和激光光束中心點(diǎn)重合，當(dāng)頂管前進(jìn)方向出現(xiàn)偏差，測(cè)量靶中心偏移激光束，偏離的圖像會(huì)相應(yīng)在監(jiān)示器上顯示，此時(shí)立即進(jìn)行頂進(jìn)方向糾正。

高程和坡度施工前按方案要求設(shè)置臨時(shí)水準(zhǔn)點(diǎn)，頂進(jìn)過(guò)程高程和坡度控制。每切削頂進(jìn)50cm均進(jìn)行相應(yīng)高程和坡度測(cè)量，若發(fā)現(xiàn)偏差立即糾正。

5.3.3 進(jìn)洞

頂管機(jī)最后頂入接收井(進(jìn)洞)是該工程的一項(xiàng)關(guān)鍵施工環(huán)節(jié)。當(dāng)?shù)侗P頂進(jìn)到接收井邊三排攪拌樁時(shí)(已按設(shè)計(jì)要求在施工接收井時(shí)完成)放慢并控制頂進(jìn)速度，等頂管機(jī)工具頭徐徐切入攪拌樁體的混凝土，則可得到一個(gè)較完整的止水孔，要不然會(huì)因切削速度過(guò)快而使預(yù)留洞周邊的水泥攪拌樁體混凝土被破壞不能得到完整的止水孔。同時(shí)，精確測(cè)量出頂管機(jī)進(jìn)洞具體位置，當(dāng)頂管機(jī)切削接近接收井邊時(shí)，頂管機(jī)快速頂進(jìn)，直至頂管機(jī)完全準(zhǔn)確頂入接收井。進(jìn)入接收井后，管和洞口間的空隙立即采用砌磚封堵，表面用防水砂漿抹平并預(yù)埋注漿管，待防水砂漿達(dá)到設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度后，注入一定比例水泥漿進(jìn)行止水。

5.3.4 減小摩擦力的措施

隨著頂進(jìn)的距離越深，摩擦力越大，所以應(yīng)采取措施來(lái)減小摩擦力。該工程采取以下兩個(gè)措施：一是鋼筋混凝土管節(jié)運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)后還未開始頂進(jìn)前，用燒熔的石蠟均勻涂抹在鋼筋混凝土管節(jié)四周，待石蠟自然冷凝后再用高溫噴槍慢烤冷凝后的石蠟，使石蠟熔化后慢慢滲入鋼筋混凝土管節(jié)內(nèi)部，堵住管節(jié)表面的孔洞及縫隙，在管節(jié)內(nèi)部及表面形成石蠟層，減少頂進(jìn)中的摩擦阻力。二是向管外四周注壓符合要求的觸變泥漿。

(1)觸變泥漿管節(jié)設(shè)置

觸變泥漿管節(jié)按施工方案要求設(shè)置在緊跟頂管機(jī)后面4節(jié)管，后面每間隔3節(jié)管設(shè)置一節(jié)泥漿孔管節(jié)，以對(duì)管節(jié)四周漿套進(jìn)行補(bǔ)漿。每節(jié)管前端設(shè)置4個(gè)呈900的泥漿注漿孔，不斷注入泥漿在管四周形成泥漿套。

(2)漿液配置

①造漿后漿液要放置24h才可以使用；②通過(guò)注漿泵進(jìn)行注漿，注漿需要用到相關(guān)的兩個(gè)儀器：注漿壓力表和注漿流量表，其中一個(gè)控制壓力，另一個(gè)控制流量；③注漿管道由總管和支管組成，總管安裝在架設(shè)支架上，支管則將漿液注壓到注漿孔內(nèi)。

觸變泥漿重量配合比為水∶膨潤(rùn)土=8∶1，膨潤(rùn)土中加入適量的火堿(NA2CO3)。

(3)注漿過(guò)程

分為5個(gè)步驟：①泥漿的放置——②注壓漿液——③頂管推進(jìn)——④頂管停止——⑤注漿停止。

(4)數(shù)量和壓力

注漿量盡量控制在管道外圍環(huán)形空隙的1.4倍，注漿壓力應(yīng)為水深的1.1～1.2倍。

5.3.5 糾偏

制作廠家在工具頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有糾偏節(jié)，糾偏節(jié)結(jié)構(gòu)內(nèi)部采用糾偏千斤頂，在切削頂進(jìn)施工中，隨時(shí)依據(jù)測(cè)量得出的偏離結(jié)果，及時(shí)通過(guò)調(diào)整糾偏千斤頂[2]的工具頭切削頂進(jìn)方向，以有效控制頂進(jìn)方向的偏離。假如測(cè)量結(jié)果顯示工具頭的方向偏離大于10mm，則及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)有效糾偏。糾正偏差應(yīng)使相應(yīng)管節(jié)慢慢復(fù)位，嚴(yán)禁采用猛糾硬調(diào)的方法。

糾偏按施工方案的要求以5mm的糾偏長(zhǎng)度作為一個(gè)子單元，繼續(xù)頂進(jìn)1m時(shí)，如果偏位趨勢(shì)沒(méi)有減少，

就要加大糾偏力度，保持此力度繼續(xù)頂進(jìn)。偏位趨勢(shì)相反時(shí)，此時(shí)糾偏力度就要相應(yīng)減小。頂進(jìn)的糾偏措施貫穿頂進(jìn)的全過(guò)程，并隨時(shí)掌握頂管偏離的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，及時(shí)測(cè)量偏位數(shù)據(jù)采取相應(yīng)措施進(jìn)行糾正，做到在偏位發(fā)生的萌芽階段進(jìn)行糾偏。

6 泥漿置換

頂進(jìn)結(jié)束后，用高壓水將管道周邊空隙漿液清洗干凈，然后高壓注入水灰比為1∶1的水泥漿液進(jìn)行置換，使管道周邊空隙全部充滿水泥漿液。

7 沉降觀測(cè)

(1)由于該工程地處城市主干道，所以，施工過(guò)程中的土體位移及沉降觀測(cè)也是頂管工作的重點(diǎn)，應(yīng)委托有相應(yīng)資質(zhì)的專業(yè)單位進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

(2)該工程主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

水平位移：沿著施工頂進(jìn)路線埋16根測(cè)斜管，埋深大于14m，觀測(cè)頂管過(guò)程中土體側(cè)向變形及周邊環(huán)境的變化。

沉降：沿著施工頂進(jìn)路線布置14個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，觀察施工過(guò)程中地面沉降變化情況。

8 工程效果

該工程的頂管現(xiàn)已全部施工完成，如圖9所示，經(jīng)檢測(cè)頂管的位置、軸線偏差、中線方向、高程和坡度均符合要求。管節(jié)間的對(duì)接及進(jìn)、出洞處均無(wú)出現(xiàn)滲漏，路面沉降經(jīng)檢測(cè)符合要求，施工質(zhì)量達(dá)到預(yù)期的良好效果。

[1] 王飛.淺談頂管法的應(yīng)用與技術(shù)措施[J].科技信息(科學(xué)教研),2008(22).

[2] 何耀濤.市政工程中頂管施工技術(shù)要點(diǎn)[J].中國(guó)市政工程，2008(12).

Discussion on pipe jacking construction method

HUANGZhihe

(China State Construction Engineering YuanNan Group, QuanZhou 362000)

This paper introduces the construction of the project, the calculation of the thrust of the jacking pipe (data), the difficulty of pipe jacking construction, and the basic construction of the project. Working principle, construction process and characteristics, the installation and commissioning ofthe main equipment, the selection of reinforced concrete pipe, the measurement, correction and control during the construction of the pipe jacking, the mud injection (displacement), settlement observation and other construction process, The construction process control measures and points, put forward the corresponding treatment methods, focusing on the jacking, measurement, correction to explore the completion of the pipe after the completion of the quality of the test to achieve the desired good results.

Pipe jacking; Construction method; Control

黃志河(1975.5- )，男，高級(jí)工程師。

E-mail:469444070@qq.com

2017-04-05

TU99

A

1004-6135(2017)09-0054-05