黃志河

(中建遠南集團有限公司 福建泉州 362000)

頂管施工方法的研究

黃志河

(中建遠南集團有限公司 福建泉州 362000)

結合項目龍巖大道南段一期(雙龍路-興業(yè)路)工程的頂管施工，主要介紹了擬建工程概況、頂管頂推力的計算(數(shù)據(jù))、頂管施工難點、基本工作原理、施工工藝流程及特點、主要設備的安裝及調試、鋼筋混凝土管材的選型、頂管施工過程中的測量、糾偏及控制、泥漿注壓(置換)、沉降觀測等施工全過程，分析施工過程的控制措施及要點，提出相應的處理方法，重點對頂進、測量、糾偏進行探討，頂管施工完成后經檢測質量達到預期的良好效果。

頂管；施工方法；控制

0 引言

相較于相同管徑的明挖施工，頂管施工的優(yōu)點就是占地面積較小，在地下施工中，不會阻礙交通，而且在對地面活動中，產生的影響也相對較小。即使穿越公路、鐵路等障礙物時，可減少拆遷工作量，節(jié)約時間和降低成本?；?，本文擬結合某工程具體項目探討頂管施工方法。

1 工程概況

擬建工程為龍巖大道南段一期(雙龍路-興業(yè)路)工程，橫穿龍巖大道與興業(yè)路交叉口段，人流量及車流量非常大。由于相關的給水、電力、燃氣、通信、網絡等各種管道需穿過雙龍路，為了不影響交通的正常運行，設計采用頂管施工工藝，設計了一個工作井(內徑長14.6m×寬9.6m×深12.55m，井壁厚0.8m)，一個接收井(內徑長14.6m×寬9.6m×深13.15m，井壁厚0.8m)，工作井中，采用2根Φ3000mm的鋼筋混凝土管，水平并排的排列方式布置(兩管外壁間距為3.4m)，頂入接收井，分別長89m，管頂覆土深度為6.35m，頂管施工完成后所有的相關管道全部架設在頂管內部,如圖1所示。

圖1 頂管平面示意圖

該工程地勘報告顯示地質情況如下：①卵石：卵石約占60%，粒徑為30mm～80mm，充填物以中粗砂為主，層間標高345.18m～339.08m。②殘積粘性土：可塑-硬塑，成分為粉粘粒，干強度中等，層間標高328.48m～339.08m。透水系數(shù)小于7m/s～10m/s。③全風化泥質粉砂巖：主要是粉砂結構，泥質膠結，中厚層結構。頂管段穿越的標高335.0m～339.05m，穿越的地層土質為殘積粘性土。頂管段的地下水位線處在：340.68m～340.86m，因而頂管段位于地下水位線以上。

根據(jù)該工程周邊環(huán)境、地質條件、水文條件(殘積粘性土的透水系數(shù))并結合效率、施工場地、施工的經濟性、安全性和可靠性、施工風險及滿足工期要求等因素，綜合考慮各相關條件后采用土壓平衡的頂管施工工藝。

該工程采用土壓平衡頂管工藝，兩段長度一致(約89m/段)，頂管管材采用Φ3000mm鋼筋混凝土管(外徑3600mm)，頂力計算依據(jù)相應《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》(GB 50268-2008)，技術數(shù)據(jù)參照現(xiàn)場情況及地質勘察報告，計算結果如下：

FP=3.14×3.6×89×4+3.14/4×(3.62×3.62×188.71)=4024+1940=5964

式中：FP——頂進阻力(kN)；D0——管道的外徑，取3.6m；L——管道的計算頂進長度，取89m；fk——管道四周與前方切削土體的平均摩擦力。

當觸變泥漿技術成熟、可靠、管外壁四周能形成并保持連續(xù)的泥漿套，fk可直接取3.0kN/m2～5.0kN/m2，該工程取4kN/m2。

NF——頂管機的迎面阻力(kN)；

Dg——頂管機外徑取3.62m；

p——控制土壓力取值：188.71kN/m2。

根據(jù)設計要求，該工程工作井后座承載力為不小于9000kN，按頂管后座安全系數(shù)0.8計為7200kN大于該頂管工程頂力5964kN。

2 工程施工難點及應采取的措施

(1)該工程頂管口徑大(Φ3000mm)，出土量大。

(2)頂管容易出現(xiàn)的問題是管道偏差大，需采取勤測、勤糾、嚴格控制頂進速度的措施來控制管道偏差大的問題。

(3)為保證路面及地下設施安全，沉降觀測及地面監(jiān)測是該工程重點，需由專業(yè)資質單位實施監(jiān)測。

(4)為保證與現(xiàn)有管線的安全距離，施工前需提前探測詳細管線。

(5)為盡量減少管道頂進的摩擦阻力，頂進過程采用觸變泥漿及其他辦法來減阻等有效措施。

3 頂管施工基本的原理、工藝的流程和特點

基本原理：頂管在頂進中，主驅動電機帶動主軸承轉動，主軸承帶動刀盤旋轉，刀盤面上布置的刀具切削前方泥土。依靠刀盤后面結構液壓缸的推進，使刀盤對前方的土體進行切削，切削出的渣土通過螺旋輸送機排出。通過控制頂管頂進速度及螺旋機排出土渣速度，使土壓倉的土壓值基本穩(wěn)定并控制在所設定的壓力值范圍內[1]，使頂管掘進機所處土層的土壓力與該段地下水壓力處于一種平衡狀態(tài)。頂管掘進機的切削排土方數(shù)與掘進機掘進占有土的體積也處于另一種平衡狀態(tài)，以達到頂進切削面土體總體穩(wěn)定狀態(tài)。

頂管施工工藝的流程如圖2所示。頂管施工工藝特點如表1所示。

圖2 頂管施工工藝的流程圖解

項目施工工藝的特點穩(wěn)定掘進面保持土倉壓力，維持掘進面土方穩(wěn)定地質條件適應性在透水性等類似土層中應有土體改良的處理措施抵抗地下水壓力靠土體的不透水性質在土倉得到土塞效應抵抗地下水壓力控制地表沉降與隆起維持土倉內的土壓力、控制頂進速度、保持切削與出土基本平衡隧洞內的出土方式采用出渣車進行外運，汽車吊提升出渣，效率一般頂管推力土層對頂管的阻力大，推進力比泥水平衡式頂管大刀盤及刀具壽命、刀盤轉矩刀盤的壽命比泥水平衡頂管要短，刀盤驅動轉矩比泥水平衡頂管大推進的效率土渣的出土外運隨著掘進距離的加大，其出土效率也相應隨之降低隧洞內環(huán)境受照明及通風效果影響，環(huán)境較差施工時占地土渣呈泥狀，不用另行處理即可外運，占地面積不大經濟性只需配套的汽車吊及行吊，整套頂管設備購買花費經濟

4 頂管施工主要設備的安裝及相應調試

頂管主要設備有：①頂管機、②主頂系統(tǒng)、③控制系統(tǒng)、④測量設備、⑤注漿設備等。

4.1 頂管機

(1)選用 TYD3000mm土壓平衡頂管機，它有切削及攪拌土體、控制前進方向的作用，如圖3所示。

(2)頂管機安裝調試：

①將頂管機放入工作井前，進行整體檢查。

②頂管機拆卸及安裝輕拿輕放，防止碰撞損壞。

③機內結構的氣壓和電路等設備進行一一連接，保證不滲漏，各部件安裝準確。

④頂管機安裝后，進行系統(tǒng)的調試和運行，測定中心方向的偏差、并進行多次排氣，使缸體運行順暢。工作壓力為25Mpa(額定壓力不能超出29.0Mpa)，以防千斤頂超壓導致?lián)p壞。

圖3 TYD3000mm頂管機

4.2 主頂系統(tǒng)

由后座墊鐵、導軌、液壓式千斤頂及支承支架、主頂泵站等組成。

主頂系統(tǒng)的作用是完成管道的推進，如圖4所示。

4.2.1 后座墊鐵安裝

選用裝配式后座墊鐵。后座墊鐵選用 22mm 厚的鋼板焊接成縱橫交錯肋的箱體，千斤頂?shù)氖芰σ幻娌捎?500mm×500mm 的30mm 厚鋼板，這樣使箱體受力更加勻稱；后座墊鐵基礎采用素混凝土，高50cm。后座墊鐵和工作井后墻間隙灌注混凝土，使工作井井壁受力勻稱。

圖4 主頂設備安裝圖

4.2.2 導軌安裝

(1)導軌采用50kg/m鋼軌制造，導軌底座焊于22#槽鋼上。鋼橫梁放置在工作井的底板上面，并和底板上的預埋件焊接為一體。

(2)導軌安裝牢固，不產生位移偏差。

(3)兩邊導軌順直、相互平行、高度相同；調節(jié)縱坡的坡度與設計的坡度盡量相同。

(4)導軌安裝的允許偏差：軸線位置為3mm；頂面高程為0～+3mm；兩軌內距為±2mm。

圖5 導軌、千斤頂支架、千斤頂

4.2.3 千斤頂支架

千斤頂支架是用來支撐并固定主頂千斤頂?shù)闹饕獦嫾?，采?6#槽鋼制造而成，支架焊接在底板上，剛性及穩(wěn)定性能要好,如圖5所示。

4.2.4 主頂千斤頂

主頂油缸選用2000kN的千斤頂，千斤頂受力點在管軸的軸心高度外壁上，中心布置，其受力的點在管道中心點上。主頂千斤頂如圖6所示。

圖6 主頂千斤頂

4.2.5 主頂泵站

主頂泵站為千斤頂提供動能，具有供油和回油功能，主頂泵站額定壓力為29.0MPa，位置靠近操作臺便于操作。

5 頂管施工過程中的測量、糾偏及控制

5.1 管材的選型

該工程采用“F”型鋼筋混凝土承插管，其內徑為3.0m，管壁厚為0.3m，管長為2.5m，接口密封圈采用契形橡膠圈，按方案要求配置注漿孔管節(jié)。頂管施工采用65T汽車吊車及行吊，如圖7所示。

圖7 行吊圖

5.2 穿墻止水環(huán)

止水環(huán)在工作井的預留洞口周邊安裝，防止地下水和泥漿從管段四周與止水環(huán)之間滲入到工作井，如圖8所示。穿墻止水環(huán)的組成部分分別為：預埋鋼板環(huán)、鋼壓環(huán)、橡膠圈、鋼壓板、螺栓等5部分。

圖8 穿墻止水環(huán)

穿墻止水環(huán)結構：應用了鋼法蘭加壓板，中心安裝有22mm厚的絕緣橡膠止水環(huán)，具有抗拉、抗壓、抗磨的作用。硬度為45～50，永久性變形小于8%。

5.3 頂管施工過程中的工藝要求，測量、糾偏及控制

5.3.1 頂進

先接通設備電源，然后依次啟動刀盤和油泵，全面檢查各部件無異常情況后開始頂進。頂進前先把頂管機推到距離預留洞口封門100cm左右，接著拆除預留洞上的磚墻后再將頂管機慢慢推入穿墻止水環(huán)，后刀盤旋轉刀具切削前方泥土，這時傳感器顯示壓力逐漸上升，當壓力上升到上限時，即開啟螺旋出土機設備進行出土，當土壓力下降到下限關閉螺旋出土機。正常頂進過程中控制頂進速度不大于30mm/min，頂進過程中密切注意傳感器顯示的數(shù)值，當壓力表顯示壓力較高而出土工作基本正常則說明頂進速度確實過快，這時就要暫時停止所有主頂油缸推進，待壓力恢復正常后再推進。頂管尤其在剛出洞時及第一節(jié)套管頂進和頂進入洞距離為10m～20m范圍內的偏差是全段偏差的關鍵部位。特別是剛出洞時候，由于這時管段長度較短、工具頭的重量很大，對應土質在進出洞口時易受擾動等其他條件影響，工具頭經常會向下傾斜，這種情況下就采用工具頭自帶的糾偏系統(tǒng)和調節(jié)千斤頂作用力中心對頂管的頂進方向進行糾正。

5.3.2 測量

頂管在切削及頂進過程中測量的主要任務是記錄及把控好管線的中線方向、高程和頂進坡度。該工程采用激光經緯儀測量，方法如下：激光經緯儀安裝并檢測后，射出激光中心線，這是頂管切削及頂進的基準線。開頂前，測量靶心和激光光束中心點重合，當頂管前進方向出現(xiàn)偏差，測量靶中心偏移激光束，偏離的圖像會相應在監(jiān)示器上顯示，此時立即進行頂進方向糾正。

高程和坡度施工前按方案要求設置臨時水準點，頂進過程高程和坡度控制。每切削頂進50cm均進行相應高程和坡度測量，若發(fā)現(xiàn)偏差立即糾正。

5.3.3 進洞

頂管機最后頂入接收井(進洞)是該工程的一項關鍵施工環(huán)節(jié)。當?shù)侗P頂進到接收井邊三排攪拌樁時(已按設計要求在施工接收井時完成)放慢并控制頂進速度，等頂管機工具頭徐徐切入攪拌樁體的混凝土，則可得到一個較完整的止水孔，要不然會因切削速度過快而使預留洞周邊的水泥攪拌樁體混凝土被破壞不能得到完整的止水孔。同時，精確測量出頂管機進洞具體位置，當頂管機切削接近接收井邊時，頂管機快速頂進，直至頂管機完全準確頂入接收井。進入接收井后，管和洞口間的空隙立即采用砌磚封堵，表面用防水砂漿抹平并預埋注漿管，待防水砂漿達到設計要求強度后，注入一定比例水泥漿進行止水。

5.3.4 減小摩擦力的措施

隨著頂進的距離越深，摩擦力越大，所以應采取措施來減小摩擦力。該工程采取以下兩個措施：一是鋼筋混凝土管節(jié)運到現(xiàn)場后還未開始頂進前，用燒熔的石蠟均勻涂抹在鋼筋混凝土管節(jié)四周，待石蠟自然冷凝后再用高溫噴槍慢烤冷凝后的石蠟，使石蠟熔化后慢慢滲入鋼筋混凝土管節(jié)內部，堵住管節(jié)表面的孔洞及縫隙，在管節(jié)內部及表面形成石蠟層，減少頂進中的摩擦阻力。二是向管外四周注壓符合要求的觸變泥漿。

(1)觸變泥漿管節(jié)設置

觸變泥漿管節(jié)按施工方案要求設置在緊跟頂管機后面4節(jié)管，后面每間隔3節(jié)管設置一節(jié)泥漿孔管節(jié)，以對管節(jié)四周漿套進行補漿。每節(jié)管前端設置4個呈900的泥漿注漿孔，不斷注入泥漿在管四周形成泥漿套。

(2)漿液配置

①造漿后漿液要放置24h才可以使用；②通過注漿泵進行注漿，注漿需要用到相關的兩個儀器：注漿壓力表和注漿流量表，其中一個控制壓力，另一個控制流量；③注漿管道由總管和支管組成，總管安裝在架設支架上，支管則將漿液注壓到注漿孔內。

觸變泥漿重量配合比為水∶膨潤土=8∶1，膨潤土中加入適量的火堿(NA2CO3)。

(3)注漿過程

分為5個步驟：①泥漿的放置——②注壓漿液——③頂管推進——④頂管停止——⑤注漿停止。

(4)數(shù)量和壓力

注漿量盡量控制在管道外圍環(huán)形空隙的1.4倍，注漿壓力應為水深的1.1～1.2倍。

5.3.5 糾偏

制作廠家在工具頭內部結構設計有糾偏節(jié)，糾偏節(jié)結構內部采用糾偏千斤頂，在切削頂進施工中，隨時依據(jù)測量得出的偏離結果，及時通過調整糾偏千斤頂[2]的工具頭切削頂進方向，以有效控制頂進方向的偏離。假如測量結果顯示工具頭的方向偏離大于10mm，則及時進行相應有效糾偏。糾正偏差應使相應管節(jié)慢慢復位，嚴禁采用猛糾硬調的方法。

糾偏按施工方案的要求以5mm的糾偏長度作為一個子單元，繼續(xù)頂進1m時，如果偏位趨勢沒有減少，

就要加大糾偏力度，保持此力度繼續(xù)頂進。偏位趨勢相反時，此時糾偏力度就要相應減小。頂進的糾偏措施貫穿頂進的全過程，并隨時掌握頂管偏離的準確數(shù)據(jù)，及時測量偏位數(shù)據(jù)采取相應措施進行糾正，做到在偏位發(fā)生的萌芽階段進行糾偏。

6 泥漿置換

頂進結束后，用高壓水將管道周邊空隙漿液清洗干凈，然后高壓注入水灰比為1∶1的水泥漿液進行置換，使管道周邊空隙全部充滿水泥漿液。

7 沉降觀測

(1)由于該工程地處城市主干道，所以，施工過程中的土體位移及沉降觀測也是頂管工作的重點，應委托有相應資質的專業(yè)單位進行監(jiān)測。

(2)該工程主要監(jiān)測點布置

水平位移：沿著施工頂進路線埋16根測斜管，埋深大于14m，觀測頂管過程中土體側向變形及周邊環(huán)境的變化。

沉降：沿著施工頂進路線布置14個沉降觀測點，觀察施工過程中地面沉降變化情況。

8 工程效果

該工程的頂管現(xiàn)已全部施工完成，如圖9所示，經檢測頂管的位置、軸線偏差、中線方向、高程和坡度均符合要求。管節(jié)間的對接及進、出洞處均無出現(xiàn)滲漏，路面沉降經檢測符合要求，施工質量達到預期的良好效果。

[1] 王飛.淺談頂管法的應用與技術措施[J].科技信息(科學教研),2008(22).

[2] 何耀濤.市政工程中頂管施工技術要點[J].中國市政工程，2008(12).

Discussion on pipe jacking construction method

HUANGZhihe

(China State Construction Engineering YuanNan Group, QuanZhou 362000)

This paper introduces the construction of the project, the calculation of the thrust of the jacking pipe (data), the difficulty of pipe jacking construction, and the basic construction of the project. Working principle, construction process and characteristics, the installation and commissioning ofthe main equipment, the selection of reinforced concrete pipe, the measurement, correction and control during the construction of the pipe jacking, the mud injection (displacement), settlement observation and other construction process, The construction process control measures and points, put forward the corresponding treatment methods, focusing on the jacking, measurement, correction to explore the completion of the pipe after the completion of the quality of the test to achieve the desired good results.

Pipe jacking; Construction method; Control

黃志河(1975.5- )，男，高級工程師。

E-mail:469444070@qq.com

2017-04-05

TU99

A

1004-6135(2017)09-0054-05