王海玲 孟慶寬

(1．安鋼集團(tuán)永通球墨鑄鐵管有限責(zé)任公司;2．河南水利建筑工程有限公司)

0 前言

在進(jìn)行城市地下供水管道鋪設(shè)和改造過(guò)程中，遇到不可破壞的公路、建筑物、河流等障礙是不可避免的，如果管線繞行或破壞建筑物等，將會(huì)大大的增加施工難度和施工成本。日本久保田于上世紀(jì)九十年代開(kāi)發(fā)出Jacking Pipes，我國(guó)于2000年開(kāi)始開(kāi)發(fā)頂管，但在國(guó)內(nèi)并無(wú)銷售記錄。為克服因施工造成的道路交通堵塞等難題，永通公司研制開(kāi)發(fā)生產(chǎn)出球墨鑄鐵管頂管，不需要挖溝，用專用設(shè)備將管子逐支頂進(jìn)，既滿足了穿越障礙物的功能，同時(shí)保證了管線材質(zhì)的一致性，是城市供水行業(yè)的新產(chǎn)品。

1 產(chǎn)品概述

1．1 產(chǎn)品制造原理

該產(chǎn)品是在T 型接口的標(biāo)準(zhǔn)球墨鑄鐵管外層涂覆一層混凝土砂漿，將球墨鑄鐵管緊緊包裹在混凝土層內(nèi)部;這樣施工頂進(jìn)時(shí)，既可以減少頂進(jìn)阻力，使頂管各部位受力均衡，也可以保護(hù)鑄鐵管部分不受損害。球墨鑄鐵頂管如圖1 所示。

圖1 球墨鑄鐵頂管

1．2 產(chǎn)品參數(shù)

頂管產(chǎn)品的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 頂管參數(shù)

1．3 產(chǎn)品特點(diǎn)

與常用的其他類型頂管產(chǎn)品相比，該產(chǎn)品具有以下特點(diǎn):(1)具有足夠的承載力。由于承插口特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，DN1200 mm 球墨鑄鐵頂管允許最大可承受7350 KN 的頂推力。(2)壽命長(zhǎng)，成本低。球墨鑄鐵管為含有石墨的多相組織，克服了鋼管易電化學(xué)腐蝕、易變形等弱點(diǎn)，內(nèi)帶有水泥砂漿襯里，外部噴鋅、澆灌混凝土，環(huán)氧樹(shù)脂涂料等多層防腐方式，具有超強(qiáng)的防腐性能，設(shè)計(jì)壽命70年以上。(3)良好的力學(xué)性能。強(qiáng)度高、韌性好，可承受較大的內(nèi)、外壓力，(如DN1200 mm 規(guī)格，球墨鑄鐵管頂管最大允許工作壓力2．8 MPa，較混凝土頂管相比高出2． 7 MPa;完全滿足城填供排水0． 3 MPa ～1．0 MPa的工作壓力需要)。(4)密封性能好。T 型接口型式，允許有較大的偏轉(zhuǎn)角，可吸收地面位移，基本免維修，綜合成本低。

2 幾種施工方案的比較

2．1 大開(kāi)挖施工

大開(kāi)挖施工就是在鋪設(shè)管道時(shí)，將公路、水渠全部挖開(kāi)，待施工完成后再恢復(fù)原貌的一種施工措施。其優(yōu)點(diǎn)是投資少、施工工藝簡(jiǎn)單、施工費(fèi)用低，適應(yīng)于各種規(guī)格的管道施工。缺點(diǎn)是:(1)施工條件受限制。(2)噪音大，破壞周圍環(huán)境。(3)拆遷費(fèi)用高。

2．2 非開(kāi)挖施工

2．2．1 水平定向鉆

水平定向鉆鉆機(jī)穿越管線施工是按照設(shè)計(jì)曲線先準(zhǔn)確的鉆一個(gè)導(dǎo)向孔;再將導(dǎo)向孔進(jìn)行擴(kuò)孔，并將產(chǎn)品管線沿著擴(kuò)大了的導(dǎo)向孔回拖到導(dǎo)向孔中，完成管線穿越工作。其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)環(huán)境的影響小，對(duì)管線的保護(hù)作用大，維修費(fèi)用小，適用于各種規(guī)格的管道施工。缺點(diǎn)是施工工期長(zhǎng)、施工場(chǎng)地占用大、安全性差。

2．2．2 “混凝土頂管+鋼管”施工

“混凝土頂管+鋼管”施工是用頂管機(jī)將混凝土管直接頂入土層，頂完成后再在混凝土管內(nèi)部穿越鋼管的一種施工方法。其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需鉆孔，可直接將混凝土管頂進(jìn)，適用于各種規(guī)格的管道施工。缺點(diǎn)是:(1)工藝復(fù)雜，施工場(chǎng)地占用。(2)抗腐蝕性差。(3)頂力小，頂進(jìn)速度慢。(4)遇到地下水較大情況，套管的處理比較麻煩，危險(xiǎn)性較大。

2．2．3 球墨鑄鐵頂管施工

球墨鑄鐵頂管施工是用頂管機(jī)直接把球墨鑄鐵管頂管頂入土層，無(wú)需擴(kuò)孔，內(nèi)部無(wú)需再拖拉鋼管，一次完成施工安裝的一種新型施工工藝，其優(yōu)點(diǎn)是:

(1)保護(hù)周圍環(huán)境。球墨鑄鐵頂管可直接頂進(jìn)土層，無(wú)施工噪音污染，不影響周圍居民生活，保護(hù)環(huán)境。

(2)施工占地面積小。球墨鑄鐵頂管內(nèi)部無(wú)需穿套管，施工占地面積小。

(3)安全性能好。球墨鑄鐵管本身有足夠的強(qiáng)度和韌性，自身承壓能力強(qiáng)，施工安全性高。

(4)頂進(jìn)速度快。球墨鑄鐵頂管外層經(jīng)過(guò)特殊處理，在頂進(jìn)過(guò)程中摩擦阻力系數(shù)較小，在注漿情況下，頂進(jìn)速度較快。平均頂進(jìn)速度為3 m/h，每天可頂進(jìn)40 m ～60 m，較混凝土頂管每天頂進(jìn)20 m ～30 m高出近一倍。

(5)施工工期短。球墨鑄鐵管在正常頂進(jìn)狀況下，允許不做中繼間承受500 m 的頂距，與安裝中繼間頂進(jìn)相比，大大提高工作效率，施工周期短。

(6)允許承受的頂推力大，施工方便。球墨鑄鐵頂管安裝時(shí)，將大部分的頂推力傳導(dǎo)至球墨鑄管的管體，減少混凝土的受力，很好的分散了施工過(guò)程中的頂推力、摩阻力等外力，施工工藝方便。具體頂推力比較見(jiàn)表2。

表2 球墨鑄鐵頂管與混凝土頂管允許頂推阻力比較［1］

由表2 可知，球墨鑄鐵頂管允許承受頂推力較混凝土管頂推力高4753 KN ，達(dá)到了截止目前為止國(guó)內(nèi)允許頂推力最高標(biāo)準(zhǔn)。

(7)綜合成本低。平均每500 m 可節(jié)省2 ～3個(gè)中繼間，可節(jié)約費(fèi)用11 萬(wàn)元～16．5 萬(wàn)元。施工及材料費(fèi)用見(jiàn)表3。

表3 不同材質(zhì)頂管費(fèi)用比較［2］

缺點(diǎn)是:(1)由于受施工條件和施工費(fèi)用限制，適合做DN600 mm 規(guī)格以上規(guī)格的供排水管道，小規(guī)格球墨鑄鐵頂管由于是全自動(dòng)化機(jī)頭，施工費(fèi)用較高。(2)球墨鑄鐵管相對(duì)鋼管材料費(fèi)用高。

綜合比較可知，在城市地下給排水管道改造過(guò)程中，非開(kāi)挖施工相對(duì)大開(kāi)挖施工節(jié)約拆遷費(fèi)用，施工占地面積小，對(duì)環(huán)境及周圍居民的影響小。球墨鑄鐵頂管相比傳統(tǒng)的施工工藝，有頂進(jìn)速度快，承受頂推力大，一次性頂進(jìn)距離長(zhǎng)，綜合費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，是城市供排水非開(kāi)挖施工的新工藝。

3 典型案例應(yīng)用

南水北調(diào)漯河市供水配套工程輸水線路總長(zhǎng)約120 km，自南水北調(diào)10 號(hào)口門向漯河市三四水廠輸水，途經(jīng)漯河市太行山路，管線全長(zhǎng)1140 m，整條管線設(shè)計(jì)水流量0．6 m3/s，通水壓力1．2 MPa。由于工程處于漯河市中心地帶，原設(shè)計(jì)開(kāi)挖輸水管線位置已被近年來(lái)埋設(shè)的各類高壓電纜、弱電等地下管線占用，而且新建民房與部分管線設(shè)計(jì)開(kāi)挖距離較近，存在施工降排水影響民房安全等問(wèn)題，因此采用非開(kāi)挖施工工藝對(duì)管道進(jìn)行鋪設(shè)。綜合比較，考慮球墨鑄鐵管的優(yōu)勢(shì)，該工程采用了永通公司DN 1000 mm管徑的球墨鑄鐵管頂管產(chǎn)品。

4 施工原理及重點(diǎn)注意事項(xiàng)

4．1 施工原理

頂管施工原理是從地面開(kāi)挖兩個(gè)基坑井，然后管節(jié)從工作井安放，通過(guò)主頂千斤頂?shù)捻斖茩C(jī)械的頂進(jìn)，推動(dòng)管節(jié)從工作井預(yù)留口穿入，穿越土層到達(dá)接收井的預(yù)留口邊，通過(guò)接收井的預(yù)留口穿出，形成管道的施工。

4．2 頂進(jìn)設(shè)備選擇

根據(jù)管線土質(zhì)、地質(zhì)狀況、管道管徑、頂管距離及現(xiàn)場(chǎng)施工條件，選擇頂進(jìn)方法。常用的施工方法有:人工頂進(jìn)，泥水平衡頂進(jìn)工藝及土壓平衡頂進(jìn)工藝等。

泥水平衡頂管施工時(shí)，通過(guò)后座主頂油泵和千斤頂產(chǎn)生的推力，推動(dòng)管道向前推進(jìn)，在管節(jié)推進(jìn)的同時(shí)，頂管掘進(jìn)機(jī)大刀盤破碎前方土體，破碎后的土體進(jìn)入頂管掘進(jìn)機(jī)的泥土倉(cāng)內(nèi)，經(jīng)刀盤的攪拌與進(jìn)漿管送入的泥漿攪拌成濃的泥漿，再通過(guò)排漿管道將濃泥漿排出機(jī)頭。通過(guò)管節(jié)一節(jié)一節(jié)向前推進(jìn)，頂管掘進(jìn)機(jī)不斷推進(jìn)，最后到達(dá)接收井，形成整段管道。通過(guò)調(diào)整進(jìn)排泥水量或調(diào)整頂進(jìn)速度，調(diào)整頂管掘進(jìn)機(jī)泥水倉(cāng)的泥水壓力，從而保持了挖掘面的穩(wěn)定。工作原理如圖2。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的施工條件、土質(zhì)及管道管徑實(shí)際情況，選用Φ1000 mm 泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)施工。

4．3 重點(diǎn)注意事項(xiàng)

4．3．1 防止地下水滲漏

圖2 泥水平衡施工原理

圖3 穿墻止水環(huán)

圖4 封堵灌漿孔

(1)為防止地下水、泥砂和觸變泥漿從管節(jié)與洞口間的間隙流到操作井，在井內(nèi)預(yù)留洞口安裝穿墻止水環(huán)，如圖3 所示。

(2)為預(yù)防地下水通過(guò)灌漿孔回灌致管道內(nèi)，影響施工，封堵灌漿孔采用銅質(zhì)單向閥加專用堵頭雙密封，灌漿孔與單向閥間隙用環(huán)氧樹(shù)脂膠密封。灌漿孔及密封如圖4 所示。

4．3．2 減少頂進(jìn)過(guò)程中的阻力

4．3．2．1 通過(guò)灌漿潤(rùn)滑實(shí)現(xiàn)減阻

每節(jié)管道上120 °差開(kāi)兩個(gè)灌漿孔，管道頂進(jìn)時(shí)，利用觸變泥漿隔離土壤、潤(rùn)滑管道四周，實(shí)現(xiàn)減阻。施工中嚴(yán)格控制膨潤(rùn)土的濃度來(lái)達(dá)到最好的減阻效果，泥漿為膨脹土+水+純堿，另加適量的CMC。

4．3．2．2 增加中繼間

為克服長(zhǎng)距離頂進(jìn)施工中頂推力不足的問(wèn)題，管節(jié)之間可設(shè)置中繼間。中繼間的數(shù)量參考《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行估算確定［3］。由于永通球墨鑄鐵頂管外表面處理光滑，在頂進(jìn)過(guò)程中嚴(yán)格控制頂進(jìn)速度及壓力，及時(shí)調(diào)整觸變泥漿粘度，在漯河南水北調(diào)工程中，創(chuàng)造了直接頂進(jìn)476 m 沒(méi)有使用中繼間的國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)記錄。

4．3．3 預(yù)防頂進(jìn)過(guò)程中的管線偏轉(zhuǎn)

4．3．3．1 管道自身允許較大偏轉(zhuǎn)角

由于T 型接口的球墨鑄鐵管允許有較大的偏轉(zhuǎn)角，可根據(jù)工程要求調(diào)整管節(jié)的偏移角度;在管道與機(jī)頭中間加裝兩支2 m 長(zhǎng)的糾偏管，可隨時(shí)調(diào)整管道的偏轉(zhuǎn)角，具體偏轉(zhuǎn)角見(jiàn)表4。

表4 球墨鑄鐵管連接允許的偏轉(zhuǎn)角［4］

4．3．3．2 施工過(guò)程中測(cè)量與糾偏

為防止施工過(guò)程中管線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在施工過(guò)程中，配備有激光經(jīng)緯儀、測(cè)量靶和監(jiān)視器，水平方向測(cè)量采用水準(zhǔn)儀，垂直方向采用經(jīng)緯儀。

頂進(jìn)過(guò)程中每頂一塊頂鐵測(cè)量一次，糾偏時(shí)每頂500 mm 測(cè)量一次。當(dāng)頂管發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)，可通過(guò)機(jī)頭內(nèi)部的糾偏油缸進(jìn)行調(diào)整。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)產(chǎn)品承受頂推力大，創(chuàng)國(guó)內(nèi)不需加中繼間一次頂進(jìn)最長(zhǎng)距離476 m 記錄，平均每500 m 可約中繼間費(fèi)用十余萬(wàn)元。

(2)施工速度較混凝土管施工快1．5 倍～2 倍，施工效率大大提高。

(3)泥水平衡頂管施工工藝，與傳統(tǒng)頂管施工相比，無(wú)需增加設(shè)備成本。

(4)由于其具有超強(qiáng)的防腐能力、抗外壓能力和柔性接口設(shè)計(jì)，確保了管線的超長(zhǎng)安全使用壽命，后期基本免維修。

(5)改進(jìn)了球墨鑄鐵管生產(chǎn)品種，拓寬了球墨鑄鐵管的使用領(lǐng)域，突破了原有地下非開(kāi)挖施工中無(wú)法使用球墨鑄鐵管的施工工藝，解決了球墨鑄鐵管在各大城市給排水管道施工中的難題，是城市給排水行業(yè)的新產(chǎn)品。

(6)經(jīng)南水北調(diào)漯河受水區(qū)中應(yīng)用表明:節(jié)省了拆遷和開(kāi)挖施工費(fèi)用，應(yīng)用效果良好，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。在非開(kāi)挖施工技術(shù)的球墨鑄鐵管頂管開(kāi)發(fā)與應(yīng)用領(lǐng)域的創(chuàng)新技術(shù)居國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，與傳統(tǒng)的頂管管材相比，有較大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

［1］城市供水行業(yè)2010年技術(shù)進(jìn)步發(fā)展規(guī)劃和2020年遠(yuǎn)景目標(biāo)［R］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005:478 －481．

［2］JCT 640 －2010，頂進(jìn)施工法用鋼筋混凝土排水管［S］．

［3］CECS 246:2008，給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程［S］．

［4］球墨鑄鐵給排水管道工程施工驗(yàn)收規(guī)范技術(shù)要求［S］．