非開挖管道施工在水利工程中的應用研究

劉洪君

（中正信造價咨詢有限公司，山東濟南 250000）

1 工程概況

濟南市全福河等河道生態(tài)補水工程利用水質(zhì)凈化一廠的再生水，通過加壓泵站提升、鋼制管道輸送的方式對市區(qū)全福河、柳行頭河、歷山路邊溝、黃臺南路邊溝和山大路邊溝進行水源補給。主要工程內(nèi)容包含壓力輸水管線、提升泵站、鋼壩閘、疊石壩、河道生態(tài)景觀修復等。地勘報告顯示，管道敷設范圍內(nèi)均為填土、雜填土、素填土、粉質(zhì)黏土等，無巖石層分布。項目原設計壓力管線為頂管施工，經(jīng)多方論證比選后，采用定向鉆托管技術進行施工，本文主要對頂管與定向鉆托管施工技術進行研究，并對造價進行分析。

2 頂管施工技術

頂管技術施工[1，2]，需要先設置頂管工作坑與接收坑，并將頂管設備安裝在頂管工作坑內(nèi)。利用頂進設備產(chǎn)生的推力，將管道擠壓進前方土內(nèi)，再將頂進的土方通過垂直運輸設備運輸至頂管工作坑上方后運走消納。主要包括人工頂管、擠壓頂進、水射流頂進、泥水平衡機械頂進、土壓平衡機械頂進等方式。目前，頂管技術適用于直徑為600～4 000 mm 的管道，管道材質(zhì)可以使用鋼筋混凝土管、鋼管等。地質(zhì)情況適用于天然土、素土、回填土、雜填土、軟質(zhì)巖、硬質(zhì)巖等。施工順序：沉井工作井施工→頂管工作設備下井→頂管作業(yè)施工→土方運輸消納→管道頂進施工完畢后拆除頂管作業(yè)設備→回填工作井。

2.1 頂管工作井與接收井施工

頂管工作坑采用沉井下沉工藝進行施工。首先進行基坑測量放樣，按照設計縱坐標定位工作井的具體位置；破除地面路面，施工刃腳墊層，刃腳墊層采用級配砂分層夯實；在井筒內(nèi)支立模板和支架，沉井高度超過10.0 m 時，井身混凝凝土分2 節(jié)進行澆筑，刃腳部分的模板采用磚砌結(jié)構(gòu)，寬度與刃腳寬度相同，井身模板采用鋼模板鋼支撐搭配木模板木支撐的形式；支模完成后進行鋼筋綁扎，鋼筋表面油污等需清除干凈，鋼筋接頭、搭接形式、間距、保護層等均應滿足驗收規(guī)范要求；鋼筋綁扎完成后進行外模板施工，頂進預留洞預先采用磚砌結(jié)構(gòu)進行封堵；澆筑C30 混凝土，養(yǎng)護達到拆模標準后拆除并清理模板；待混凝土強度達到設計強度后，沉井進行挖土下沉，挖土工具采用蟹斗長臂挖掘機，井壁外采用灌漿處理，避免出現(xiàn)井身傾斜，發(fā)現(xiàn)問題及時糾偏處理；當下沉達到接近標高時，改用人工開挖吊車吊土，并預先做好止沉措施，禁止出現(xiàn)超沉現(xiàn)象；沉井封底完成后，對工作井外側(cè)進行注漿處理。采用同樣施工方法，進行接收井下沉施工。

2.2 管道頂進施工

頂進施工采用泥水平衡頂進工藝，工作井及接收井施工完成后，做頂管材料及設備進場準備。首先按照設計標高及坡度在頂管工作井內(nèi)安裝導軌，安裝必須牢固。鋼筋混凝土沉井井壁作為頂管設備的后背墻，頂管設備采用120 t 吊車吊裝，各種線纜等均按順序進行下井作業(yè)。頂管設備安裝完成后，開始頂進作業(yè)，采用18 t 吊車進行下管作業(yè)，每節(jié)管道前段頂進后，后端接口均在工作井內(nèi)進行焊接拼裝，鋼管焊縫須滿足相關規(guī)范要求。頂進過程分初始頂進、正常頂進、接收頂進幾個階段。初始頂進階段需收集、分析各項數(shù)據(jù)，并調(diào)整修正頂進姿態(tài)。管道施工過程中，須對地面及周邊構(gòu)筑物、建筑物進行密切檢測，避免出現(xiàn)沉降現(xiàn)象。管道頂進接近頂管接收井時，密切測量相關數(shù)據(jù)，做好進洞準備。采用頂進進洞方式，不采用外力進行洞門破除，進洞后及時清理磚渣等，鋪設接收軌道，待管道頂進完成后，洞口進行密封處理，采用120 t 吊車，吊出頂管設備。頂管工作井位于快車道下方，采用水泥石屑進行回填，回填完成后對吊裝預制蓋板進行封堵，封堵完成后恢復道路路面，開放交通。

2.3 頂管技術造價分析

按照設計招標圖紙方案，采用泥水平衡頂管工藝編制施工招標清單，經(jīng)公開招標后確定的造價進行分析。最終確定建設頂管工作、接收井各3座，頂進管道直徑為DN800 mm，管道材質(zhì)為內(nèi)外防腐螺旋焊接鋼管，頂進長度為706.8 m。針對頂管工程進行造價分析，頂管工作井造價為446.77 萬元，接收井造價為128.48 萬元，管道頂進造價為194.61萬元，合計769.86 萬元。經(jīng)過分析，造價指標約為10 892 元/延長米，此造價未考慮降排水及臨設等措施費。

3 定向鉆托管施工技術

定向鉆施工技術，能夠進行有工作坑水平定向鉆進回托布管和無工作坑下臥式定向鉆進回托布管，適用于直徑100～1 200 mm 的鋼管、PE 管、MPP 管等，地質(zhì)情況適用于天然土、素土、回填土、雜填土、軟質(zhì)巖、硬質(zhì)巖等[3]。本文對有工作坑水平定向鉆進的工藝進行研究，施工順序：打設支護樁并開挖工作坑→定向鉆機安裝→定向鉆孔→擴孔→回托布置管道→拆除機械設備→拔出支護樁→回填工作坑。

3.1 工作坑施工

經(jīng)過論證分析，設置2 座工作井、2 座接收井。經(jīng)過土壓力計算，確定采用打設12.0 mⅣ型拉森鋼板樁的方式進行支護。拉森鋼板樁[4]支護主要有施工速度快、節(jié)約空間、對周邊環(huán)境影響小、工序簡單等優(yōu)點。采用拉森鋼板樁進行工作坑支護，首先需進行定位放線，然后打樁機進場。選用EX400 液壓打樁機，采用單根逐根打入法施工。打樁前應對每根鋼板樁進行刷油檢查，存在瑕疵的樁體不得使用。打樁過程中隨時測量樁體的傾斜度，并控制在規(guī)范要求范圍內(nèi)。拉森鋼板樁支護完成后進行工作坑開挖，第一層土方開挖完成后，設置鋼支撐及鋼圍檁，防止樁身傾斜。逐層向下開挖，并做好基坑排水工作。根據(jù)拉管管道高程確定工作坑深度，并在工作坑內(nèi)設置相應大小的集水坑，采用泥漿泵進行基坑排水。開挖完成后，處理工作坑底部較軟土質(zhì)。因定向鉆托長度長，所需要的機械拉力較大，定向鉆機需要固定在混凝土基礎上?；炷粱A采用C20 混凝土進行澆筑，厚20 cm，內(nèi)配雙層雙向φ12 鋼筋。

3.2 定向鉆施工

首先進行導向孔鉆進軌跡設計，即根據(jù)管線設計剖面圖進行導向孔最佳線路設計，各種既有管線距離應滿足相關規(guī)范要求。基坑開挖完成且平基混凝土達到設計強度后，采用120 t 吊車吊裝定向鉆機下坑。定向鉆設備安裝就位后，首先進行導向孔鉆進，導向桿起始鉆進高度應略高于管道設計中心線位置。將定位發(fā)射機安裝在導向鉆頭中，通過鉆頭內(nèi)的傳感器發(fā)射信號至地面接收器，接收器顯示其運行深度、鉆孔角度、鉆頭溫度、鴨嘴邊的面向角度等數(shù)據(jù)。操作員將測量數(shù)據(jù)與既定的鉆孔設計軌跡進行比對后，及時判斷并調(diào)整鉆孔線路，保證鉆孔線路與設計軌跡一致。

根據(jù)規(guī)范要求，選用直徑為1 200 mm 的刮刀式擴孔器，為設計管道直徑的1.5 倍[5]。為保證擴孔安全順利地完成，需要保證護壁泥漿流動順暢且充滿整個空隙。泥漿制作采用DDW-350 定向鉆機自用的攪拌和泵送系統(tǒng)，泥漿材料采用膨潤土、聚合物和水進行混合制備。擴孔完成后，進行管道回托施工。準備鋼制管道，保證回托管道一次成型回托，單根9.0 m 長管道需預先完成焊接連接。組裝回拖支撐，回托支架采用砂包進行鋪設，每間隔20.0 m 放置1 個砂包。拉管回拖結(jié)束后，為了防止地面沉降，定向鉆空隙內(nèi)需要選用水泥漿對孔內(nèi)注漿進行加固。注漿管選用2根直徑25 mm 的鋼花管，與主管道同時拉入土中。完成回托布管后，定向鉆機遷移至終點工作坑，反向回托注漿管，邊回托邊注漿，每回拽6.0 m，就采用高壓注漿機注入1∶1 的水泥粉煤灰漿液，直至漿液完全充填鋼管間隙。注漿過程中應保持不間斷注漿直至完成，防止?jié){液流出，當出現(xiàn)縫隙時，及時進行補充注漿加固。在注漿及定向鉆托管施工完成后，吊出鉆機，拔出拉森鋼板樁，回填工作坑。

3.3 定向鉆托管技術造價分析

按照經(jīng)過論證的實施方案，設置定向鉆工作坑2 座，定向鉆接收坑2 座，定向鉆托管道直徑為DN800 mm，管道材質(zhì)為內(nèi)外防腐螺旋焊接鋼管，施工長度為706.8 m。針對定向鉆托工藝進行造價分析，因定向鉆無合同清單單價，按照合同約定套用《山東省市政工程消耗量定額》SDA 1-31-2016，人工費及其他取費均按照濟南市2021 年相關規(guī)定計取，鋼管管材費用采用原合同單價。因此，頂管工作井造價為46.02 萬元，接收井造價為31.86 萬元，管道頂進造價為237.28 萬元，合計315.16 萬元。經(jīng)過分析，造價指標約為4 458 元/延長米，此造價未考慮降排水及臨設等措施費。

4 結(jié)語

通過研究頂管與定向鉆托管技術在實際工程中的應用，經(jīng)技術對比分析發(fā)現(xiàn)，在地質(zhì)情況允許的條件下，兩種施工技術均能解決水利管道工程在主城區(qū)內(nèi)施工時無法大范圍開挖的問題，可以大幅減少施工過程中對既有建筑物、道路、地層、交通疏導組織的影響。但通過造價對比分析，頂管工施工技術較定向鉆托管技術造價偏高，主要原因為頂管工作井施工難度大，頂管機械設備及勞務市場價格高。隨著定向鉆托管技術的迅速發(fā)展，已經(jīng)可以開展大口徑的管道施工，且具有單次施工長度長、市場價格低、施工速度快等特點，在降低工程造價、節(jié)約投資、縮短工期等方面起到重要作用。