市政排水工程手掘式頂管施工技術(shù)研究與應(yīng)用

張 冕 王 飛

(中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司,河南 鄭州 450001)

1 工程概況

擬改建工程位于武漢市青山區(qū)某公園，該公園為武漢市的主要公園，其內(nèi)綠樹(shù)成蔭、鳥(niǎo)語(yǔ)花香，是青山區(qū)人民休閑的主要場(chǎng)所。根據(jù)武漢市政府要求，在公園西大門(mén)靠北向東修建雨水箱涵，原有一雨水d=1 800 mm管涵(埋深為4 m)在某段與新建箱涵重疊，共371 m，工程施工前，需保持該管道排水暢通，因此該段雨水管涵需改遷。改遷后的雨水管為臨時(shí)性工程，管徑仍為1.8 m，運(yùn)行一個(gè)汛期，新建的排水箱涵建成投入運(yùn)行后，該雨水管就另行作廢。公園為人們休閑娛樂(lè)場(chǎng)所，采用明挖法施工破壞了植被，影響了城市生態(tài)環(huán)境，增大了開(kāi)挖量，且于新建的雨水箱涵施工干擾嚴(yán)重；而采用頂管法則減少了地表占用面積，保護(hù)了地表植被，減少了對(duì)環(huán)境的破壞。

2 手掘式頂管施工方法

2.1 工藝流程

測(cè)量定位放線→機(jī)械開(kāi)挖土方至地面以下1 m→人工挖刃腳土方→人工夯實(shí)基底→澆筑混凝土墊層→扎刃腳及井室鋼筋→立?！鷿仓炷?一次)→沉井下沉→扎井壁鋼筋→立?！鷿仓诨炷?二次)→沉井下沉到位→清底及墊層混凝土澆筑→扎封底鋼筋→澆封底混凝土→頂管→流槽及井內(nèi)設(shè)施施工。

2.2 沉井施工

1)基礎(chǔ)開(kāi)挖及墊層。

在混凝土灌注時(shí)，為了防止不均勻沉降的出現(xiàn)，需要在機(jī)械設(shè)備的幫助下，向地面下方開(kāi)挖1 m左右的距離。沿刃腳軸線2.5 m范圍內(nèi)開(kāi)挖原狀地基夯實(shí)，并澆筑10 cm厚C15混凝土墊層。

2)刃腳制作。

木模進(jìn)行刃腳制作,模板上涂刷隔離劑,刃腳的內(nèi)側(cè)構(gòu)造復(fù)雜，需精心制作。

3)模板工程。

模板工程的對(duì)拉螺栓的間距、模板的數(shù)量經(jīng)計(jì)算確定,腳手架井室內(nèi)搭設(shè)滿堂紅腳手架，井室外搭設(shè)雙排腳手架，為確保腳手架整體穩(wěn)定性設(shè)置水平和豎向剪刀撐，井室模板加固采用止水對(duì)拉螺桿。

4)混凝土澆筑。

沉井施工按二次澆筑，二次下沉施工，施工縫采用中埋式橡膠止水帶。

沉井預(yù)留洞口設(shè)橡膠止水條。沉井預(yù)留洞口在下沉前用紅磚進(jìn)行封堵，封堵厚度同井室壁厚，封堵完成后采用M7.5水泥防水砂漿抹面。

當(dāng)結(jié)束沉井混凝土澆筑，并將模具拆下后，需要打磨外壁，并為了緩解沉井在下沉?xí)r所存在的摩擦力，需要將一層潤(rùn)滑油涂抹其中。

5)沉井下沉。

通過(guò)沉井重力作用，使其下沉至圖紙中的標(biāo)高。隨后，利用人工與機(jī)械配合的方式來(lái)進(jìn)行挖土下沉。其中，鑒于地下水位低于沉井底標(biāo)高，所以基坑降水可不做要求。

在沉井挖土?xí)r，需要保持對(duì)稱(chēng)均勻，并且需要以中心為圓點(diǎn)，向四周進(jìn)行開(kāi)挖。此外，在挖土過(guò)程中，每層的挖土厚度控制在40 cm左右，并在沉井下沉過(guò)程中，將垂線與觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置在周?chē)?，以便在下沉過(guò)程中可以有效的實(shí)施監(jiān)測(cè)，有助于第一時(shí)間修正扭曲與偏移等情況。

按照“多沉少挖，少沉多挖”的原則來(lái)實(shí)施糾偏作業(yè)，逐步擴(kuò)大刃腳下的挖土，切記不可一次掏空，避免糾偏利用大量挖土來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)按照測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)施糾偏作業(yè)，做到發(fā)現(xiàn)偏差，及時(shí)糾正。另外，如果偏斜值為要求值的25%，便需要實(shí)施糾偏作業(yè)，同時(shí)對(duì)下沉全過(guò)程進(jìn)行勤測(cè)、勤糾、緩糾。

當(dāng)下沉達(dá)到圖紙標(biāo)高位置1 m處后，需要對(duì)下沉速度加以控制，當(dāng)與圖紙標(biāo)高距離30 cm時(shí)，便需要停止開(kāi)挖作業(yè)，同時(shí)對(duì)沉井在此時(shí)的速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證沉井可達(dá)到圖紙所要求的標(biāo)高范圍內(nèi)，少量欠挖采用人工掏土。

6)沉井封底。

沉井下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，清除基底雜物，等待沉井8 h自沉累計(jì)不大于10 mm時(shí)即可進(jìn)行封底。封底時(shí)先對(duì)基底進(jìn)行人工夯實(shí)，再鋪筑20 cm厚碎石墊層并采用手動(dòng)夯實(shí)。墊層上部澆筑20 cm厚C20素墊層混凝土，最后澆筑30 cm厚C30鋼筋混凝土底板混凝土，其中底板與井壁接觸部位進(jìn)行鑿毛處理，保證新老混凝土接觸良好。

2.3 頂管施工

1)工藝流程。

測(cè)量放樣→井下導(dǎo)軌機(jī)架、液壓系統(tǒng)、止水圈等設(shè)備安裝→靠背混凝土澆筑→工具管吊裝安裝→預(yù)留孔封頭拆除→工具管頂出工作井→正常頂進(jìn)→頂進(jìn)過(guò)程偏差調(diào)整→工具管頂進(jìn)接收井。

2)測(cè)量放樣定位。

起初，向兩個(gè)沉井周邊將測(cè)量控制點(diǎn)的引線接入，同時(shí)復(fù)核預(yù)留孔在工作井與接收井中的中心軸線。

3)導(dǎo)軌安裝見(jiàn)圖1。

兩根導(dǎo)軌的內(nèi)距按下列公式計(jì)算如下：

A0=A+a。

A=2(D-h+e)(h-e)。

其中，A0為兩導(dǎo)軌中距，mm;A為兩導(dǎo)軌上部的凈距,mm;a為導(dǎo)軌的上頂寬度,mm;D為管外徑,mm;h為導(dǎo)軌高度,mm;e為井外底距底板的距離,一般為200 mm～300 mm。

基礎(chǔ)混凝土達(dá)到1.2 MPa，在基礎(chǔ)預(yù)埋件上安裝導(dǎo)軌，與預(yù)埋件焊接牢固，導(dǎo)軌外側(cè)焊加肋，導(dǎo)軌布放直順、平整，導(dǎo)軌的兩根型鋼的平行度安裝誤差控制在±2 mm內(nèi)，導(dǎo)軌型鋼后背焊接為整體，保證垂直度。

4)主頂液壓系統(tǒng)。

液壓系統(tǒng)采用日產(chǎn)Rrc—10EC型液壓系統(tǒng)，使用100 t油缸4個(gè),行程為1.1 m,最大推動(dòng)力為400 t。根據(jù)工作井所處位置地質(zhì)的承載力數(shù)據(jù)分析工作井滿足頂進(jìn)要求。頂管采用φ1 800 mm頂進(jìn)阻力計(jì)算公式如下:

推力計(jì)算F=Fo+f×S×L。

Fo=(Pe+Pw)×(Bc/2)2×π。

F=0.2+0.3×(G/100)2+2.7×(G/100)×m2。

其中，F(xiàn)為總推力,t;Fo為初抵抗力,t;S為管外周，m；L為推延長(zhǎng)，m；Pe為切削單位推進(jìn)力，t/m2。

Fe=0.4×擊力。

其中，Pe為切削室內(nèi)的泥水壓力。

Fw=地下水壓+0.2。

其中，Bc為頂管機(jī)外徑,m;R為管外周抵抗力,t/m2;G為砂粒，%;M取大粒徑/管外徑。

管節(jié)頂進(jìn)時(shí)正面阻力的計(jì)算式為:

Pe=0.4×N=0.4×10=4 t/m2(按土壓平衡式頂管頂進(jìn)阻力估算)。

Pw=地下水壓=0.2 kg/cm2=(0+2.4/2-2.00)+2=1.2 t/m2。

Fo=(Pe+Pw)×(Bc/2)2×π=11.2 t。

每米頂管直線頂進(jìn)時(shí)周邊阻力計(jì)算式為:

R=0.2+0.3×(G/100)2+2.7×(G/100)×

m2=0.2+0.3×(0/100)2+2.7×(0/100)×(0/2 400)2=0.2。

f=R×S=0.86 t/m。

頂進(jìn)阻力:F=Fo+F×L。

根據(jù)以上公式計(jì)算(最大覆土約為2 m),得出φ1 800預(yù)制混凝土頂管頂進(jìn)過(guò)程中最大頂進(jìn)阻力約為288 t。

5)機(jī)頭安裝。

此次采用φ1 800 mm,高960 mm，鋼質(zhì)機(jī)頭吊裝在導(dǎo)軌與進(jìn)洞口軸線、高程吻合。

6)管材的選用。

本次頂管段采用“F”型鋼筋混凝土頂管專(zhuān)用管，接口采用橡膠墊片，是一種埋入式的厚壁管,它一端有一個(gè)凹形接口、鋼環(huán)套、夾墊圈,另一端為一個(gè)凸接口、密封圈。一個(gè)永久密封的管接口可在兩者連接為一體后形成。另外，將蠟涂刷在管道外表面，可以降低表面的摩擦力，有助于其順利的穿越土層，同時(shí)為了緩解局部擠壓所造成的壓力差，可以在其中設(shè)置夾墊圈，并且對(duì)彼此管端間所存在的負(fù)荷起到一定緩沖的作用。

7)管道頂進(jìn)。

在下管過(guò)程中，禁止坑內(nèi)存在作業(yè)人員。其中，當(dāng)與導(dǎo)軌距離小于0.5 m后，作業(yè)人員便可繼續(xù)工作。管子到達(dá)指定位置后，可將第一節(jié)管子放置在軌道中，并對(duì)管子的中心、兩端以及高程等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，待對(duì)安裝是否合格進(jìn)行確認(rèn)后，方可將管子進(jìn)行頂進(jìn)作業(yè)。在頂進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)注意放慢頂進(jìn)速度，確保所有接觸面均緊密結(jié)合后方可按照設(shè)計(jì)速度進(jìn)行頂進(jìn)作業(yè)，并注意頂進(jìn)施工需保證連續(xù)頂進(jìn)。首管頂進(jìn)時(shí)測(cè)量間隔不超過(guò)30 cm，正常頂進(jìn)時(shí)測(cè)量間隔不應(yīng)超過(guò)1 m。頂管掘進(jìn)接觸或切入土層后，應(yīng)在機(jī)頭內(nèi)自上而下分層開(kāi)挖，避免正面坍塌，頂進(jìn)時(shí)晝夜兩班不間斷施工。

8)頂管進(jìn)洞技術(shù)措施。

為防止工具管進(jìn)洞時(shí)機(jī)頭下沉,采取機(jī)頭固定措施。

在開(kāi)始頂進(jìn)前，需將一道環(huán)形橡膠止水圈放置在洞口，以便減少潤(rùn)滑漿液的流失，有助于降低頂進(jìn)的阻力。

對(duì)可能存在洞口漏水與漏泥等情況進(jìn)行分析，并將一定數(shù)量的排污泵設(shè)置其中，以備不時(shí)之需。此外，為了避免機(jī)頭下沉情況出現(xiàn)，保證頂進(jìn)的可靠性，需要將加固措施設(shè)置在機(jī)頭部位，同時(shí)用拉桿將機(jī)頭連接，并用手拉葫蘆在導(dǎo)軌中拉緊，確保機(jī)頭可在導(dǎo)軌方向中頂進(jìn)。待工具管頂進(jìn)結(jié)束后，將第一管節(jié)吊放并進(jìn)行拼接，隨后將工具管輔助設(shè)備安裝在工具管的后管節(jié)內(nèi)。

頂進(jìn)前管材外壁需涂石蠟處理。一般來(lái)說(shuō)，管節(jié)的頂進(jìn)與工具管頭進(jìn)洞后的姿態(tài)、軸線方向有著密切聯(lián)系，所以在進(jìn)行頂進(jìn)作業(yè)時(shí)，前三節(jié)管子需要與機(jī)頭彼此連接，同時(shí)用拉桿將機(jī)頭位置固定，避免出現(xiàn)下沉。在頂進(jìn)過(guò)程中，油缸的糾偏可在激光點(diǎn)的幫助下來(lái)實(shí)現(xiàn)，確保將其控制在軸線范圍中。對(duì)于糾偏角度來(lái)講，每次的糾偏度數(shù)不能大于1°，同時(shí)按照“先上下,再左右”的原則進(jìn)行糾偏，避免大幅度糾偏機(jī)頭而導(dǎo)致頂進(jìn)困難情況的出現(xiàn)。

在頂管過(guò)程中，對(duì)土壓平衡值需要及時(shí)調(diào)整，并將坡度控制在相對(duì)合理的范圍內(nèi)，有助于降低土體擾動(dòng)對(duì)頂進(jìn)工作的影響。另外，以頂進(jìn)速度為參照，對(duì)地層變形的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，以此來(lái)對(duì)注漿量與注漿壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保將地層變形與軸線保持在合理的范圍內(nèi)。

在頂進(jìn)時(shí)，將一定的潤(rùn)滑泥漿注入到管節(jié)外壁中，以此來(lái)降低與土體的摩擦阻力。與此同時(shí)，潤(rùn)滑泥漿通常采用性能穩(wěn)定的觸變泥漿，并且確保其不出現(xiàn)失水、固結(jié)與沉淀，同時(shí)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整泥漿的配比，有助于頂進(jìn)工作可以順利完成。

壓漿可通過(guò)壓漿孔球閥得到控制，并且為了及時(shí)對(duì)壓漿壓力進(jìn)行調(diào)控，需要將壓力表安裝在地面壓漿的出口位置。

9)頂管進(jìn)接收井階段技術(shù)措施。

a.頂管機(jī)出洞前洞口土體加固。

為了確保接收井中可以順利的完成工具管的進(jìn)入，需要采取措施避免接收井內(nèi)涌入工具管出洞后的土體，以便井中接頭可以順利實(shí)現(xiàn)。此外，當(dāng)施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)存在較差的情況時(shí)，可在接收井進(jìn)入工具管前，通過(guò)注漿的方式來(lái)對(duì)洞口土體進(jìn)行加固，并注意對(duì)加固的具體位置進(jìn)行合理的布設(shè)。

b.頂管機(jī)狀態(tài)的復(fù)核測(cè)量。

為了保證工具管可以精準(zhǔn)的進(jìn)入到接收井中，需要對(duì)頂管機(jī)的位置進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)對(duì)頂管狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)，以便施工方案與施工軸線等可以獲得準(zhǔn)確的評(píng)估，從而保證施工可以在既定方案下得以順利實(shí)施。

c.鑿除磚墻。

在工具管快要進(jìn)入接收井時(shí)，將接收井預(yù)留洞封堵磚墻鑿除，以免損壞工具管。

d.頂管機(jī)進(jìn)接收井。

待破壞接收井磚墻封門(mén)后，應(yīng)及時(shí)將管節(jié)頂進(jìn)，以便將出洞時(shí)間盡量縮短。同時(shí)，機(jī)頭和混凝土管節(jié)可在工具管整體進(jìn)洞后加以快速分離，并按照?qǐng)D紙要求來(lái)處理管節(jié)與接收井的接頭，防止水土出現(xiàn)大量流失。

3 新技術(shù)的應(yīng)用

3.1 工具管穩(wěn)定進(jìn)土準(zhǔn)備工作

用主頂油缸把手掘式工具管放在安裝牢靠的基坑導(dǎo)軌上，其與第一節(jié)混凝土輸水管及后續(xù)管連接在一起。當(dāng)工具管進(jìn)入洞口止水圈后，就可以從工具管內(nèi)將原來(lái)用磚墻封堵的預(yù)留孔洞破洞，將洞口的磚一塊塊取出。

3.2 工具管初始進(jìn)洞技術(shù)

工具管在進(jìn)洞前，需要用水平尺對(duì)其頂部的水平狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，確保其與導(dǎo)軌保持一致。如工具管水平狀態(tài)存在偏差，則必須重新進(jìn)行工具管的頂進(jìn)作業(yè)，并對(duì)存在偏差的原因加以查明。

3.3 糾偏措施

在初始頂進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)特別加強(qiáng)測(cè)量工作。如果存在偏差，則可通過(guò)挖土來(lái)予以調(diào)節(jié)。與此同時(shí)，通過(guò)運(yùn)用多種測(cè)量方式來(lái)進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果收集起來(lái)進(jìn)行綜合性的分析。此外，盡量在初始頂進(jìn)作業(yè)期間避免反復(fù)多次使用糾偏油缸完成校正工作，同時(shí)保證在正常情況下，油缸可對(duì)左右、高低的準(zhǔn)確性進(jìn)行有效的控制。

3.4 注漿減阻注意事項(xiàng)

在利用手掘式頂管進(jìn)行注漿作業(yè)時(shí)，注漿孔不得設(shè)在工具管內(nèi)，并且第一環(huán)注漿孔在工具管后的第一節(jié)管子中。與此同時(shí)，由于注漿壓力較大，導(dǎo)致工具管前的挖掘面會(huì)出現(xiàn)漏液?jiǎn)栴}，影響注漿效果，則截止閥可以在第一節(jié)注漿管中設(shè)置，以方便對(duì)此加以開(kāi)啟與關(guān)閉，以此來(lái)提升注漿質(zhì)量。

3.5 預(yù)防措施

手掘式頂管是一種開(kāi)敞式的頂管工藝，要預(yù)防地下存在有毒和有害氣體，頂進(jìn)過(guò)程中要加強(qiáng)頂管內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)。還要制定坍塌應(yīng)急預(yù)案，對(duì)于地下水位較高的區(qū)域最好采用井點(diǎn)降水。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)武漢某排水系統(tǒng)改建工程的手掘式頂管施工技術(shù)的研究與應(yīng)用，可以減少地表占用面積，保護(hù)地表植被，減少了對(duì)周?chē)h(huán)境的破壞，不受淺埋地下土層各類(lèi)復(fù)雜管線的影響，可以有效預(yù)防和排除障礙，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。