大管徑頂管工程重難點分析與對策

申 志

（河南省河川工程監(jiān)理有限公司，河南 鄭州 450016）

0 引言

當前全國大力發(fā)展調(diào)水引水工程，作為世界各個行業(yè)應用最為廣泛的頂管工程，頂管技術在我國不同地區(qū)也得到了更多的應用和發(fā)展。頂管工程是繼盾構施工之后而發(fā)展起來的一種地下管道施工技術，上海市政工程設計研究總院在2008 年起草并頒布了“給水排水工程頂管技術規(guī)程”對前期的施工條件、施工要求、施工數(shù)據(jù)作了具體的規(guī)范化要求，使該技術應用更加廣泛[1]。2008 年國家質(zhì)檢總局發(fā)布了“給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范”不單單使頂管技術施工得到了規(guī)范化，更加重點地給出了驗收標準，從而更加保證了整體的工程質(zhì)量[2]。“沉井與氣壓沉箱施工規(guī)范”在頂管施工過程中起著重要作用，結合頂管工程工作井和接收井所處位置地質(zhì)情況以及沉井結構要求，相互結合從而保證了施工進度和施工安全[3]。隨后，越來越多的學者進行了對該方面的問題進行研究，董永剛等[4]對提高大管徑泥水平衡頂管作業(yè)施工速度的策略進行分析。胡詩龍等[5]研究了淺埋深富水土質(zhì)下大管徑泥水平衡頂管施工工法。封曉輝[6]等針對某供水工程大管徑頂管施工引起地面沉降問題進行了思考本文在前人的研究成果的基礎上，從具體的行為規(guī)范，施工條件，頂管技術施工過程控制，工程驗收規(guī)范等多角度闡述了頂管施工技術具體實施方法，希望給同行業(yè)的工作者能帶來更多參考價值。

1 工程概況

引江濟淮工程穿越鹽洛高速頂管工程長度130m，頂管段采用雙管平行布置，兩管中心間距39.5m。頂管采用頂套管＋內(nèi)穿鋼管的布置型式，套管采用DN3500 頂進用大口徑鋼筋混凝土Ⅲ級管（DRCP Ⅲ管），內(nèi)穿DN3000 鋼管，兩管間采用C15 自密實混凝土填充。頂管起始處分別設置工作井和接收井，工作井、接收井均采用圓形斷面，直徑均為11.68m（內(nèi)徑），壁厚1.2m，井深20m，底板澆筑后工作井深17m，頂管管道中心高程27.474m。根據(jù)高速公路管理部門要求，為避免擾動高速公路路基，破壞高速部位地下水平衡，穿越鹽洛高速施工期間不得降水，沉井周邊布置雙排高噴防滲墻，并對始發(fā)區(qū)和接收區(qū)采取了高壓旋噴灌漿加固處理。

場區(qū)在勘探深度范圍內(nèi)，揭露地層主要為第四系全新統(tǒng)上段（Q42al）、下段（Q41al）及上更新統(tǒng)（Q3al）沖積地層，各地層多具水平層理，具有巖性不均勻、巖相變化快的特征，頂管軸線主要位于粉細砂層，地質(zhì)均勻，但滲水性強。

2 頂管工藝選擇

目前機械頂管的主要方法主要分為兩種，分別為泥水平衡頂管施工方式和土壓平衡頂管施工方式。其中土壓平衡利用土體的流動性、塑性以及止水性等方面的特性對土層和地下水層的壓力 進行平衡，并將土體通過螺旋輸送的方式排出。該工藝方式的優(yōu)勢為，安全性能高、應用范圍廣，后續(xù)不需要特殊處理。但是也存在一定的不足，如果需要長距離頂進，會被排土方式限制，影響頂進效率。雖然可以通過碾磨的方式進行泥漿輸送，但是對設備的要求高，投入大，頂管內(nèi)空間布置困難。泥水平衡式頂管機的原理為，利用機械內(nèi)的壓力和比重對土壓和地下水的壓力進行平衡，棄土需要通過泥漿管排出。該項技術方式具有土質(zhì)適用范圍廣，施工速度快、安全性能高等優(yōu)勢，特別是對于長距離和水源充沛位置的頂進效果為佳。但是如果施工范圍內(nèi)缺乏泥漿排放場地難以采用這種施工方式。而且在泥漿輸送中需要投入大量的成本。本項目位于高速公路兩側農(nóng)田內(nèi)，場地寬闊，具備設置泥漿池的條件，故本項目頂管掘進機采用泥水平衡頂管掘進機，該設備具有沉降控制精度高，頂進速度快，便于操作和維修，施工可靠性好等特點。并且根據(jù)大量施工實踐，頂管廠家改進設計了主軸密封，采用雙道密封形式，從而解決了主軸密封性能不可靠的難題。

3 大口徑頂管沉降控制重點分析及對策

3.1 重點分析

（1）高速公路附近禁止降水，對保證沉井施工過程中地下水位穩(wěn)定，不出現(xiàn)明顯地下水位下降是本項目的施工重點。

（2）頂管管徑較大，開口斷面面積達14m2，頂進過程中，對土體擾動較大，對高速公路地基變形要求嚴格，控制地基變形是工程關鍵。

（3）頂管施工前對頂管涉及一定范圍內(nèi)砂土及以上部分土層進行注漿加固，確保注漿加固效果對于控制高速公路地基變形是本項目重點。

（4）頂管穿越高速公路，車輛通行頻繁，且高速公路管理部門對地面沉降精度要求高，正常保通的情況下施工控制難度大。

3.2 對策及措施

為解決本頂管工程周邊及沿線沉降問題，并快速、順利完成頂進施工，主要從沉井、地基加固及頂進等工序做好相應的應對措施。

3.2.1 沉井施工措施

（1）設置防滲墻。結合頂管工程工作井和接收井所處位置地質(zhì)情況以及沉井結構要求，為減少下沉時對周邊土體擾動及滲水、涌砂情況發(fā)生，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，在沉井周邊提前布設雙排高壓旋噴樁防滲墻，連環(huán)套接成墻，保護沉井周邊土體穩(wěn)定。

（2）根據(jù)滲水情況分段下沉。穿越鹽洛高速頂管工作井及接收井總高度20m，根據(jù)沉井結構采取四節(jié)制作：第一節(jié)制作4.08m，第二節(jié)制作5m，第三節(jié)制作5.5m，第四節(jié)制作5.42m；兩次下沉：第一次下沉9.08m，第二次下沉10.92m 至設計高程，深井施工布置如圖1 所示。因沉井周邊布置雙排高壓旋噴樁防滲墻防滲，為加快施工進度，第一次下沉采取排水下沉施工；因沉井底部未采取防滲封底措施，第一次下沉后沉井底部出現(xiàn)滲水情況，故第二次下沉采取不排水下沉，保持井內(nèi)水位不低于周邊地下水位，避免出現(xiàn)沉井周邊下沉及塌陷情況發(fā)生。

圖1 深井施工布置圖

（3）嚴格下沉速度控制。沉井在下沉過程中控制下沉速度，防止突沉和傾斜，沉井下沉至設計標高2m 以上時，將沉井暫停下沉24h 左右，觀察并記錄沉井自由下沉量以確定沉井停止取土下沉的高度，當沉井下沉至設計標高以上1m 時，每天下沉速率不大于0.3m，防止突沉和超沉事故發(fā)生。沉井下沉階段及終沉允許偏差，應符合《給水排水構筑物工程施工及驗收規(guī)范》（GB50141-2008）的相關規(guī)定。

3.2.2 地基加固措施

為保證頂管施工過程安全，減少或避免高速公路路面下沉，特采取灌漿措施對穿越鹽洛高速段現(xiàn)狀地面以下土體進行預注漿加固。該項施工的目的是提升地基的堅固性，構建復合型地基，對土體結構進行改良，保證地基的穩(wěn)定，減少土體的壓縮變形或減少土體側向位移引起的路基沉降。向鉆孔中進行壓力注漿，并做好袖管閥的安裝工作，科學選擇注漿設備向路基土體中均勻注入漿液，并通過滲透、填充等方式，將土粒間隙中的空氣和水分等進行擠壓排除，減少土體孔隙，提升地基結構強度。

（1）注漿方式及范圍。采用由下而上的豎向注漿，注漿范圍橫斷面方向為坡腳以外15m，行車方向為各頂管兩側10m寬范圍；對于頂管正上方區(qū)域豎向注漿深度至頂管頂面高程以上0.5m，其余豎向注漿深度至頂管底面（套管外壁）高程以下2m。

（2）注漿孔布置。注漿孔采用梅花型布置，從高速公路路基中心線兩側各1.5m 開始，按照行車方向間距1.5m，頂管方向排距1.5m 的方式布置注漿孔，注漿孔鉆孔直徑設計為90mm，注漿管采用直徑48mm 的PVC 袖閥管。

（3）注漿參數(shù)。采用水泥漿液，水泥采用PO 42.5 水泥，水灰比暫定1:1，注漿壓力暫定0.2～0.5MPa，具體根據(jù)注漿試驗進一步調(diào)整。

（4）試驗段試驗。為最大程度確保頂管對高速公路路基安全，在頂管試驗段即工作井側路基坡腳外25～15m 范圍作為注漿試驗段，檢驗土體注漿加固后頂管效果。通過灌漿試驗，并進行試驗段頂管試頂后觀測，該段地面基本無沉降。經(jīng)試驗后，明確該段注漿參數(shù)為水灰比1:1，注漿壓力0.5MPa。

注漿縱斷面圖及注漿剖面圖見圖2、圖3。

圖2 注漿縱斷面圖

圖3 注漿剖面圖

圖4 洞口密封圖

3.2.3 頂管過程控制

頂管施工中的過程控制也是控制地面沉降和頂管施工成敗的關鍵。從施工準備、頂進至出洞過程各個環(huán)節(jié)均應嚴格按相關規(guī)定進行，并加強觀測和觀察，適時調(diào)整頂力、泥漿壓力、頂進速度、頂進方向等，并確保洞口密封狀態(tài)良好，無滲水、涌砂情況發(fā)生，確保地面沉降量符合規(guī)范要求。

（1）施工準備及洞口密封安裝。為保證頂進過程順利進行，現(xiàn)場后背墻的設置、千斤頂?shù)倪x型及數(shù)量、軌道的安裝等均應經(jīng)計算，合理布置。結合已有頂管工程經(jīng)驗，洞口密封效果也是頂管成功的關鍵。如洞口出現(xiàn)滲水、涌砂等情況，極有可能造成頂進線路周邊土體流失，地面下沉、土體裂縫及塌陷，以及頂管、頂管機下沉、脫節(jié)，致使頂管失敗，造成嚴重的經(jīng)濟損失。

本項目實施時，為有效避免頂進中洞口以及內(nèi)部涌入大量泥漿，可以在洞口位置設置單法蘭穿墻鋼套管，為后期橡膠止水圈及止水封板的安全提供便利。頂進距離一般比較長，在頂進的過程中容易因為管套環(huán)、管材等的摩擦導致橡膠止水圈出現(xiàn)破損，因此需要及時觀察和更新止水圈?？梢栽诙纯趦?nèi)部再設置一圈止水圈，防止在更換法蘭的過程中，導致止水圈掉入井內(nèi)。

（2）觸變泥漿注漿。頂管頂進施工時，由于管外壁與土體摩擦，易造成周邊對管道的阻力加大，通過對管外周孔隙進行壓住觸變泥漿填充，降低地層損失，并降低頂進阻力和地面沉降。頂管機頭尾端需要與頂進壓漿保持同步，并在砼管道的適當位置對泥漿損失進行動態(tài)跟蹤補充。

（3）糾偏檢查實施。頂管施工中頂進糾偏工作直接影響頂進施工質(zhì)量，如果頂進中操作不當，極可能會因為管口質(zhì)量以及頂力等因素導致頂進效果受到影響，無法保障頂進質(zhì)量和安全，因此必須做好對頂進過程的糾偏工作。管道偏差測量每頂進50cm 一次，在糾偏階段不少于兩次。糾偏開始前，需要先設置提前量，并嚴格根據(jù)糾偏順序進行施工。先對高程糾偏，再對中線糾偏，最后處理小角度糾偏。在機頭內(nèi)部的糾偏中，需要控制油缸一次伸出量，一般控制在2cm。如果發(fā)現(xiàn)光點位置的移動速度明顯放緩，或者出現(xiàn)反向移動的情況，及時縮回糾偏油缸。同時要兼顧仰俯角的變化情況，并以此為基礎開展糾偏工作。最大糾偏值需要控制在3°以內(nèi)。

頂管頂進過程中，需要對頂進操作中的各項數(shù)據(jù)做好記錄工作，保證記錄的準確性、即時性、完整性，每根管頂進記錄的次數(shù)要保持1 次以上，每個頂進班次的記錄保持6 次以上。頂進施工交班中要對頂進記錄進行全面檢查，并做好交接手續(xù)。測量工作中，每個班次需要對經(jīng)緯儀進行至少兩次校核，并保證記錄的準確性。激光經(jīng)緯儀的激光檢測束必須射在光靶上。并結合偏斜數(shù)據(jù)進行液體糾偏，通過前部鉸接機頭位置的偏擺，對頂管方向進行合理調(diào)整。

（4）管周置換注漿。為了避免頂管結束后，管外膨潤土漿液流失產(chǎn)生空腔，引發(fā)沉降，故需用水泥漿液充填頂管管材和原狀土的縫隙，保證兩者結合良好。灌漿要保持覆蓋斷面的全部范圍，并通過水泥砂漿進行壓注，置換潤滑泥漿。頂管管材上預留有灌漿孔位置，每排4 個，均勻間隔布置。根據(jù)泥漿置換情況，灌漿壓力按0.2～0.4MPa 控制，施工時根據(jù)現(xiàn)場具體情況確定，灌漿材料為普通硅酸鹽水泥，強度等級為P.O42.5以上。灌漿時應加強觀測，以防管壁發(fā)生變形破壞。

（5）沉降觀測。做好觀測，實時提供觀測記錄及分析。頂管施工前，采集頂管軸線周邊范圍的現(xiàn)狀地面標高，并布設監(jiān)測點。頂管施工期間，安排專門監(jiān)測人員定期對地面沉降進行監(jiān)測，沿管道軸線及管道兩側各10m 布線，分別在路中、路肩、坡腳、坡腳外各10m 布點。發(fā)現(xiàn)累計沉降量超過20mm 的情況立即停止作業(yè)，檢查異常沉降原因，找到原因并排除后才能繼續(xù)頂進施工。

4 沉降控制效果

通過從沉井、頂管等各階段的多項控制措施，有針對性地解決了鹽洛高速頂管工程的地面沉降問題。本工程完成后，經(jīng)過測量，該處高速公路影響區(qū)域局部最大沉降量為15mm，大部分區(qū)域未發(fā)生沉降，沉降控制情況符合相關規(guī)范要求。

5 結論

綜上所述，本文介紹了機械頂管工藝的選擇及大口徑頂管沉降控制重點分析及對策。通過對兩種工藝方式的比較分析，本項目采用了泥水平衡頂管掘進機，該設備具有許多優(yōu)點，包括沉降控制精度高、頂進速度快、施工可靠性好等。此外，針對本項目的特殊情況，研究人員提出了一系列的對策和措施，以確保頂管工程周邊及沿線沉降問題得到控制，并順利完成頂進施工。隨著太陽能光伏技術的不斷發(fā)展和應用，相信在未來的發(fā)展中，太陽能光伏技術將會得到更加廣泛的應用和推廣，從而為建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展作出更大的貢獻。