頂管施工問題及對策分析

戴立宏

（鎮(zhèn)海石化工程股份有限公司，浙江 寧波 315000）

0 前言

隨著城市地下空間開發(fā)工程的規(guī)模越來越大，管道施工技術(shù)具有不破壞城市地表和建筑物的特性，在施工的過程中也不會導(dǎo)致相關(guān)區(qū)域交通的擁堵，它是在地下進(jìn)行的工作，可以穿過如公路、鐵路、河流等城市敏感區(qū)域，是一種污染小，破壞小，高效便捷的施工方法。由于頂管技術(shù)突出的經(jīng)濟(jì)性和適用性，因此它具有廣闊的發(fā)展前景，但其還未形成完整的系統(tǒng)，所以仍需要不斷的完善。

1 頂管施工技術(shù)簡介

頂管施工是借助主頂油缸和管道之間的推力，把工具管從始發(fā)工作井內(nèi)推進(jìn)到土層，在頂?shù)浇邮站畠?nèi)后再將其吊起，從而把預(yù)制管埋進(jìn)在2個工作井之間，頂管施工工藝指的是從設(shè)備進(jìn)場開始到全部頂進(jìn)結(jié)束的整個過程，管道施工主要有4個階段，分別為工具管出洞、工作井和接收井的制作、工具管入洞和后續(xù)管道頂進(jìn)[2]。

2 頂管施工技術(shù)的優(yōu)點

和通過開鑿地面來埋管線的施工方式相比較，頂管施工主要有以下優(yōu)點：1）頂管施工時一般只要挖2個井坑就可以了，這樣不僅不會破壞路面和影響路面的交通，而且還能減少拆遷成本，增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)收益；2）頂管施工開鑿過程中的挖土量非常少，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于路面開鑿的土；3）頂管施工時不會破壞路面也不會破壞建筑，對路面建筑的損害比較??；4）在挖深管道時，管道施工的成本要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于開鑿路面施工的成本，大幅節(jié)省施工費用；5）頂管施工時不會破壞在管道上面的土層，確保土層的結(jié)構(gòu)完整，同時管節(jié)也不容易被破壞，可以大大增加其使用壽命。

3 頂管施工技術(shù)的適用范圍

頂管施工技術(shù)的適用范圍如下。1）適用于非巖性土層，在巖石層、含水層的施工難度較大。2）適用于管道會穿過馬路、鐵道、江河或別的建筑物。3）適用于路面上的街道空間比較狹窄和有比較多的建筑物時。4）施工在交通車流量密集的繁華道路，管道的線路無法改變，而且交通也不能斷絕時。5）現(xiàn)場的施工環(huán)境比較復(fù)雜，會干擾到地面的施工工程，而且施工可能發(fā)生危險時。6）管道施工需要的扭土較深需要進(jìn)行支扭作業(yè)時。

4 頂管施工技術(shù)的應(yīng)用

4.1 工程概況

福建古雷煉化雨水外排管頂管項目建設(shè)地點位于漳浦縣古雷半島西側(cè)，東山灣灣口東南側(cè)，古雷石化園區(qū)南部。該頂管項目為福建漳州古雷煉化一體化項目百萬噸級乙烯及下游深加工裝置雨水提升泵站及事故水池（含清凈雨水排水管）項目配套工程，該項目是2根橫穿疏港公路的DN3200排水管道，單根長度172.5m。

4.2 場地設(shè)計工況條件

4.2.1 工程環(huán)境條件

根據(jù)走訪現(xiàn)場及查閱資料，疏港路（古雷石化園區(qū)段）現(xiàn)狀道路標(biāo)準(zhǔn)橫斷面寬度為50m，西側(cè)為化工區(qū)，東側(cè)為防風(fēng)帶，道路下市政管線布置較為完善?，F(xiàn)狀給水、電力、通信、路燈等管線為淺埋敷設(shè)，埋深1.5m。疏港公路橫斷面如圖1所示。

圖1 疏港公路橫斷面（單位：m）

東側(cè)道路：綠化帶寬7m，人行道寬3.5m，非機(jī)動車道寬4.5m，機(jī)動車道寬11m，中分帶寬5.5m。

西側(cè)道路：機(jī)動車道寬11m，綠化帶寬3m，非機(jī)動車道寬2.5m。

現(xiàn)狀道路東、西側(cè)（防風(fēng)林帶側(cè)）非機(jī)動車道下各1根DN1800雨水管道埋深較深，埋深約5m；自東向西不同深度分別埋設(shè)有DN1400原水管線、DN300消防線、DN600自來水管線、10kV電力電纜、通信光纜、軍用通信光纜等。

現(xiàn)狀道路東、西側(cè)（防風(fēng)林帶側(cè)）上方各1條110kV高壓電纜經(jīng)空線。

4.2.2 地質(zhì)條件

場地土層自上而下分布如下：1）-1層雜填土：灰褐，稍密～中密，土質(zhì)不均，以建筑垃圾為主，含砂、碎石塊、植物根系，粒稍粗，礦物成分以石英、長石為主，磨圓度好，顆粒級配一般，含貝屑。該層場區(qū)僅少量分布，揭露厚度1.2m，層底標(biāo)高6.52m。2）-2層素填土：灰，中密，濕，土質(zhì)不均，以粗砂為主，粒稍粗。3）層細(xì)砂：中密～密實，飽和，土質(zhì)不均，粒較粗，局部含粉質(zhì)黏土薄層。4）-1層粉質(zhì)黏土：該層為夾層，褐灰，可塑，土質(zhì)不均，黏粒含量較高，局部含有機(jī)質(zhì)、腐殖質(zhì)、鐵錳氧化物，夾砂土薄層，切面光滑、有光澤，干強度高，韌性高。該層僅局部揭露，揭露厚度0.6m～1.5m，層底標(biāo)高-1.2m～1.32m。5）層粉質(zhì)黏土：褐灰，可塑，土質(zhì)不均，黏粒含量較高，局部含有機(jī)質(zhì)、腐殖質(zhì)、鐵錳氧化物，夾砂土薄層，切面光滑、有光澤，干強度高，韌性高。該層普遍分布，揭露厚度0.9m～2.8m，層底標(biāo)高-11.35m～-10.68m。6）層細(xì)砂：褐灰，密實，飽和，土質(zhì)不均，粒較粗。

4.2.3 水文條件

水文條件如下。1）該場地地下水埋藏類型屬于潛水，地下水補給源主要為大氣降水，排泄方式主要為大氣蒸發(fā)。勘探期間該場地地下水水位埋深3.2m～3.4m。2）承壓水。各含水砂層的承壓特征較明顯，工作井、接收井場地范圍內(nèi)的細(xì)粗砂層承壓水頭標(biāo)高為4.00m。

4.3 施工方案的確定

4.3.1 頂管施工方案

綜合以上場地工況條件，設(shè)計采用頂管穿越疏港公路，由疏港公路東側(cè)工作井開始，頂至疏港公路西側(cè)接收坑內(nèi)。該頂管管徑為DN3200mm，水平雙管布設(shè)，管中心間距9.0m，長度172.5m，管道埋深約10.0m，管內(nèi)底標(biāo)高為-2.1m。頂管采用切削刀盤可浮動的普通泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)（不具備破碎堅硬巖石及粒徑較大塊石功能，優(yōu)點是造價相對較低，施工進(jìn)度快）進(jìn)行施工，管材采用新型鋼筋混凝土JPCCP排水管，混凝土強度等級C50，抗?jié)B等級P10，接口采用F型鋼套承插口，膠圈密封[1]。

4.3.2 頂管后靠背設(shè)置

后靠背設(shè)置采用1塊C30混凝土塊，在施工作業(yè)挖坑的墻壁和靠背的間隙之間使用C30混凝土進(jìn)行澆筑密實，使其一起當(dāng)作后背墻。要等到澆筑的混凝土的強度達(dá)到75%以上之后才可以開始頂管的頂進(jìn)作業(yè)，不然在頂管作業(yè)過程中就有可能會出現(xiàn)各種各樣的事故，會直接影響到頂管的頂進(jìn)。關(guān)于后座墻的附加層考慮以下做法：1）后背墻附加層的作業(yè)面要垂直于頂管管線。2）后背墻附加層的厚度要綜合工作井的直徑大小和后靠背頂鐵的寬度多少來確定，寬度要以滿足主頂油缸的發(fā)射長度來確定。3）后背墻附加層采用鋼筋混凝土的做法。4）頂管機(jī)與后背墻之間一塊50mm厚鋼板作為靠背與頂缸之間緩沖。

后背墻的承載能力驗算可按照下式計算。

式中：Rc—后背墻的承載能力（kN）；S0—后背墻承載能力計算系數(shù)，取S0=1.5～2.5，該工程取2；Bh—后背墻的寬度（m），4.5m；γs—土的重度（kN/m3），該工程地質(zhì)取18.5kN/m3；h2—后背墻的高度（m），4.5m；Kp—被動土壓系數(shù)，計算參考公式Kp=tan2（45+φ/2），其中φ指的是土的內(nèi)摩擦角，該工程取30°；C—土的黏聚力（kN/m2），該工程取15kN/m2；h1—地面到后背墻頂部土體的高度（m），該工程?。?.51+3.63+5.34/2）7.81m。經(jīng)驗算后靠背承載力24716.8kN＞ 頂管所需頂力23941kN，滿足要求。

4.4 施工中出現(xiàn)的問題和改善方案

4.4.1 問題點

在施工初期，整個作業(yè)過程比較順利，但當(dāng)施工至非機(jī)動車道時，突然發(fā)生排泥管堵塞事件，機(jī)泵損壞，導(dǎo)致頂管機(jī)頭上部沉降、塌陷，由此而引發(fā)路面塌陷及道路下市政管線基礎(chǔ)被掏空現(xiàn)象，馬上中止施工，組織專業(yè)技術(shù)力量進(jìn)行填充夯實處理及原因排查。結(jié)果發(fā)現(xiàn)排泥管中有大量的粒徑10cm左右石塊及雜物，聚集一起從而導(dǎo)致管路堵塞，排漿不暢，由此造成壓力失衡，導(dǎo)致地面發(fā)生塌陷。

4.4.2 發(fā)生原因分析

由于頂管施工作業(yè)造成地面產(chǎn)生變形的原理一般為在工作井里面，先是通過頂進(jìn)機(jī)頭對土體進(jìn)行切割作業(yè)，然后再充分利用頂進(jìn)設(shè)備所輸出的頂力，在克服了頂管和周圍土體的摩擦力之后，沿著施工方案設(shè)計好的軸線進(jìn)行頂進(jìn)，在頂進(jìn)作業(yè)時，一方面是頂進(jìn)機(jī)頭前面的土體受到了比較大的作用力而造成了擠壓，另外一方面是由于頂進(jìn)機(jī)頭的管徑要比后續(xù)管節(jié)的大，從而導(dǎo)致地層出現(xiàn)應(yīng)力松弛。由于這2個方面的原因?qū)е略陧敼茏鳂I(yè)頂進(jìn)部分范圍內(nèi)土體的應(yīng)力進(jìn)行了重新分布，因此而形成的附加應(yīng)力，就會讓土體產(chǎn)生變形，從而導(dǎo)致地表的變形和塌陷[3]。在這次頂管施工作業(yè)工程中發(fā)生的地表塌陷，主要原因有以下2項。1）由于頂管管道的土層中土層復(fù)雜，現(xiàn)場頂管穿越地層與地勘資料不符，細(xì)砂層中含有大量的粒徑較大的未知石塊，掘進(jìn)前方遇到障礙物，頂進(jìn)量變小甚至停頓，導(dǎo)致頂進(jìn)壓力和頂進(jìn)土體沒有發(fā)揮防護(hù)、平衡等作用；2）根據(jù)地質(zhì)勘察的資料顯示和這次頂管工程的作業(yè)特點，頂管施工作業(yè)過程中所穿越的土層是粉砂土層，這種粉砂土層在大直徑頂管頂進(jìn)的施工過程中容易發(fā)生流砂災(zāi)害，所以在頂進(jìn)過程中不可避免地產(chǎn)生了地表塌陷。

由此可見，造成地面坍塌沉陷的主要原因是現(xiàn)場頂管穿越地層與地勘資料不符，粉砂層中含有大量的大粒徑未知石塊，而施工方案中所采用的切削刀盤可浮動的泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)又不具有破碎功能，導(dǎo)致機(jī)頭被大塊石卡死或大量粗粒徑石塊進(jìn)入排泥管道，導(dǎo)致堵管事件發(fā)生，機(jī)頭前方土壓力失衡從而引發(fā)地面塌陷。

4.4.3 塌陷處治方案

為確保頂管施工期間疏港路交通安全及道路下市政管線、西側(cè)軍纜運行萬無一失，防止南側(cè)頂管頂進(jìn)時擾動北側(cè)已完工頂管，分別對場地地層現(xiàn)狀及機(jī)頭提出解決方案。

4.4.3.1 場地地層現(xiàn)狀處置方案

根據(jù)北側(cè)管頂進(jìn)過程中出現(xiàn)的石塊及雜物判斷，頂管上的土質(zhì)不排除部分區(qū)域為回填區(qū)域，該方案要求對頂管區(qū)域及穿越的地下管道、光纜、道路下部進(jìn)行高壓注漿，注漿范圍、深度、注漿時機(jī)由設(shè)計單位出圖，施工單位組織施工；頂管至道路主路時采用破除道路面層及基層的方式對道路下方沉降進(jìn)行監(jiān)測，出現(xiàn)沉降塌陷時及時進(jìn)行填充夯實，保證場地地層現(xiàn)狀處置方案科學(xué)性、合理性，為后續(xù)道路維護(hù)與管理工作開展奠定良好基礎(chǔ)。同時，待頂管施工完成后，還須對疏港路道路及綠化受損部位進(jìn)行統(tǒng)一修復(fù)。

4.4.3.2 機(jī)頭及頂管工藝完善方案

在北側(cè)頂管完成后對頂管機(jī)機(jī)頭及頂管工藝操作進(jìn)行如下幾點的改進(jìn)完善。1）在原有6個千斤頂?shù)幕A(chǔ)上增加2個千斤頂；2）機(jī)頭的進(jìn)泥孔采用Φ12mm～14mm的鋼筋進(jìn)行分隔，減少進(jìn)泥孔，防止大塊石頭進(jìn)入出泥管造成堵管；3）出泥泵由單葉輪改為雙葉輪；4）接管后重新啟動的工序調(diào)整為先啟動刀頭，后進(jìn)水，同時調(diào)整頂進(jìn)速度；5）機(jī)頭上的切削刀頭改為合金鋼刀頭；6）機(jī)頭刀盤位置增加膨潤土進(jìn)管，頂進(jìn)過程中充膨潤土漿；7）機(jī)艙與出泥管連接位置增加十字隔斷，防止機(jī)艙內(nèi)石子進(jìn)入出泥管導(dǎo)致堵管。

當(dāng)現(xiàn)場實際的頂管穿越地層與地勘資料不符時要及時地調(diào)整施工方案，該工程項目的地質(zhì)條件是粉沙型，在頂管作業(yè)中極易造成坍塌 ，在實際作業(yè)中要特別注意避免超挖，根據(jù)土體的穩(wěn)定程度來決定頂進(jìn)間隔與挖掘的深度，降地下水位至管底不小于500mm，如果發(fā)生了塌方，頂過管道后，要及時進(jìn)行注漿處理。

5 質(zhì)量安全控制建議

質(zhì)量安全控制建議如下。1）為保證頂管施工質(zhì)量，須編制完善的管理體系，全面落實到各項工作環(huán)節(jié)中，各部門嚴(yán)把施工質(zhì)量關(guān)，細(xì)化項目經(jīng)理、項目工程師、施工技術(shù)員等崗位責(zé)任，制定相應(yīng)的獎罰制度，能為施工質(zhì)量與安全控制提供基礎(chǔ)保障。2）開展頂管施工作業(yè)，必須經(jīng)總工程師審批后才能施工，確保施工方案、施工計劃等內(nèi)容完整及合理。3）施工方法選擇要合理，經(jīng)設(shè)計部門、施工部門、監(jiān)管部門等相互交流，全面了解造成常規(guī)質(zhì)量問題的影響因素，在現(xiàn)場施工中相互配合與協(xié)作，既保證工程施工質(zhì)量，又提升項目施工效率與技術(shù)水平。例如：在現(xiàn)場施工階段，施工技術(shù)員負(fù)責(zé)技術(shù)交底工作；監(jiān)管人員負(fù)責(zé)質(zhì)量跟蹤控制；質(zhì)量員負(fù)責(zé)“工序質(zhì)量”檢查等，均能保證各項工作質(zhì)量與工程綜合效益，符合項目建設(shè)要求。4）嚴(yán)格實行“三級”管理驗收制度，先由班組自行檢查，待質(zhì)量部門、技術(shù)部門等復(fù)檢合格后，由監(jiān)理最終驗收，只有上序工作各項要求均符合標(biāo)準(zhǔn)后才能開展下一道工序。5）原材料質(zhì)檢也極其重要，分析原材料質(zhì)檢工作流程較多，必須在每個環(huán)節(jié)中嚴(yán)格管理，制定完善的質(zhì)檢方案與計劃，引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)與配套設(shè)施，待原材料質(zhì)檢指標(biāo)均合格后才能進(jìn)入現(xiàn)場。在此基礎(chǔ)上，“計量”管理制度落實到施工作業(yè)階段，為施工質(zhì)量及安全提供基礎(chǔ)保障。6）技術(shù)資料管理、歸檔等根據(jù)企業(yè)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，并制定完善的管理制度，細(xì)化工作內(nèi)容與職責(zé)，由各部門分別管理部門工作中所產(chǎn)生的信息數(shù)據(jù)，再由檔案管理部門統(tǒng)一儲存，要保證檔案內(nèi)容精準(zhǔn)、完整、規(guī)范等。7）始終都能明確工程建設(shè)要求，如技術(shù)管理、操作規(guī)程等，均需在細(xì)節(jié)把控中控制施工作業(yè)質(zhì)量，經(jīng)前期準(zhǔn)備與施工階段的嚴(yán)格管理，能為工程后續(xù)質(zhì)量驗收、運營管理等提供有利條件，保證項目經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)語

隨著頂管施工技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，頂管技術(shù)的施工工藝也越來越成熟，在建筑工程中采用頂管施工的方案不僅不會妨礙路面上的交通，對路面也沒有產(chǎn)生太大的破壞影響，而且能夠大幅降低施工成本，增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)收益。在頂管施工技術(shù)得到廣泛應(yīng)用的同時還要做好技術(shù)安全管理工作，嚴(yán)格按照施工規(guī)范來執(zhí)行，重點控制施工質(zhì)量，如果在施工過程中發(fā)生地面塌陷等問題時，要及時進(jìn)行原因分析和積極采取對策處理。