查湘義

（遼寧省交通高等專科學(xué)校 建筑工程系，遼寧 沈陽(yáng) 110122）

頂管技術(shù)是基于盾構(gòu)技術(shù)之后而逐步發(fā)展的地下管道施工技術(shù)，該技術(shù)是將工具管或掘進(jìn)機(jī)吊入工作坑，借助主千斤頂將工具管或掘進(jìn)機(jī)頂入土層中，然后通過(guò)人工挖土或機(jī)械掘進(jìn)等方式不斷將工具管或掘進(jìn)機(jī)穿越土層，并將緊隨其后的待敷設(shè)管道依次連接而埋設(shè)在土層中，直至到對(duì)面接收井的地下管道敷設(shè)方法。頂管技術(shù)在敷設(shè)管道過(guò)程中，不需要開(kāi)槽施工，能夠減少土方開(kāi)挖量，降低施工成本，并且不破壞地面交通，在穿越公路、河流、鐵路等障礙物時(shí)優(yōu)勢(shì)顯著，所能敷設(shè)管道的直徑也在加大，能夠滿足給排水管道敷設(shè)需求，因而在市政給排水管道施工中得到廣泛的應(yīng)用［1-2］。

1 工程概況

某市污水干管擴(kuò)建工程，增設(shè)一條污水主干管，管徑為DN2200～DN2400，總長(zhǎng)3.2 km，其中DN2400頂管1 000 m，DN 2200頂管2 000 m，DN1400頂管200 m。施工地點(diǎn)為某市濱河路輔道，將沿線污水引入污水處理廠統(tǒng)一進(jìn)行處理排放。

根據(jù)鉆探結(jié)果顯示，場(chǎng)地內(nèi)分布的地層自上而下分為人工填土層、第四系海陸交互沉積層及殘積層。①人工填土層，主要由粘性土含少量碎塊石、磚頭等建筑垃圾組成，層厚0.60～10.0 m；②第四系沖積層，由淤泥質(zhì)黏土和有機(jī)質(zhì)礫砂組成。淤泥質(zhì)黏土層頂埋藏深度介于3.50～7.60 m，層厚0.70～1.50 m。有機(jī)質(zhì)礫砂層頂埋藏深度介于2.80～10.0 m，層厚1.10～6.80 m；③第四系海積層為淤泥質(zhì)黏土，層頂埋藏深度介于4.20～7.9 0m，層厚1.40～8.50 m。地下水類型以潛水為主，主要賦存于第四系各地層中，其中第四系沖積有機(jī)質(zhì)礫砂屬?gòu)?qiáng)透水性地層，涌水量大，為主要含水層。勘察測(cè)得場(chǎng)地鉆孔地下水位埋深1.70～5.0 m。

根據(jù)以上地質(zhì)和地下水情況分析，本工程敷設(shè)管道會(huì)有地下水及流砂的情況，所以頂進(jìn)施工機(jī)械采用封閉式泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)，主要由頂管機(jī)、主千斤頂、泥水循環(huán)系統(tǒng)和泥水分離裝置組成。

2 污水管道頂管法施工

頂管施工的流程為：工作井施工→設(shè)備設(shè)施安裝→頂管始發(fā)頂進(jìn)（挖土、運(yùn)土、頂進(jìn)、測(cè)量）→頂管中部頂進(jìn)（挖土、運(yùn)土、頂進(jìn)、測(cè)量、管節(jié)安裝）→全線貫通→設(shè)備拆除［3-4］。

2.1 工作井施工

工作井采用沉井法施工，所有沉井均分為兩節(jié)制作，兩次下沉?；诘乜眻?bào)告，工作井施工前必須對(duì)井位周邊進(jìn)行地質(zhì)改良，避免工作井施工引起地表沉降、本工程地質(zhì)改良采用雙管高壓旋噴樁施工工藝。在施工中，出現(xiàn)了冒漿過(guò)大等異常現(xiàn)象，對(duì)此對(duì)發(fā)生原因進(jìn)行了及時(shí)查明并采取了措施，如改變旋噴壓力，并適當(dāng)縮小噴嘴孔徑等，消除了該問(wèn)題的發(fā)生。

2.2 設(shè)備設(shè)施安裝

頂管施工的設(shè)備設(shè)施主要分為地面設(shè)備設(shè)施和豎井內(nèi)設(shè)備設(shè)施兩部分。地面設(shè)備設(shè)施安裝主要包括泥漿制備、注漿潤(rùn)滑、泥漿處理、空壓機(jī)組、冷卻系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、供漿泵以及地面管路、電氣儀表、控制線路等設(shè)備設(shè)施的安裝。豎井內(nèi)設(shè)備設(shè)施安裝主要包括人工爬梯、污水泵、頂管反力座、頂進(jìn)軌道、洞門(mén)密封、頂管機(jī)、排泥泵、管道、閥門(mén)、線纜等。

本工程頂進(jìn)過(guò)程中，穿越豐富的地下含水層，因此工作坑內(nèi)洞口止水不容忽視。止水圈由預(yù)埋法蘭底盤(pán)、橡膠板、鋼壓板、墊圈與螺栓等組成，法蘭底盤(pán)預(yù)先埋設(shè)在沉井內(nèi)，端面平整，安裝牢固。

2.3 頂力計(jì)算

為了保證掘進(jìn)機(jī)頭能夠順利頂入土層中，需事先計(jì)算頂進(jìn)所需要的頂力。頂管的頂力按下式計(jì)算：F=F1+F2（F1為迎面阻力、F2為頂進(jìn)阻力），其中F1=π/4×D2×P=3.14/4×2.42×10.45 ＝ 47.25 t（D 為管外徑取2.4 m、P為控制土壓力），P= K×γ×H =0.55×1.9×10=10.45 t/m2（ K為靜止土壓力系數(shù)，取0.55，γ為土的濕重量，取1.9 t/m3，H地面至掘進(jìn)機(jī)中心的厚度，取10 m）。

F2＝ πD×f×L=3.14×2.2×0.5×100＝ 345.4 t（D為管外徑2.2 m、f為管外表面平均綜合摩阻力，根據(jù)地層情況取0.5 t/m2、L 為頂距，取100 m），則總推力F=47.25+345.4=392.65 t。根據(jù)總推力及管材軸向允許推力，選用2臺(tái)200 t級(jí)油缸。

2.4 頂管始發(fā)頂進(jìn)

頂管始發(fā)頂進(jìn)以頂管隧道0 ～15 m作為頂管始發(fā)頂進(jìn)段。通過(guò)本段頂管頂進(jìn)掌握地層情況，調(diào)整和控制頂管機(jī)掘進(jìn)各項(xiàng)參數(shù)。始發(fā)頂進(jìn)過(guò)程：?jiǎn)?dòng)頂管機(jī)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)，旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)，調(diào)整刀具與洞門(mén)密封的相對(duì)位置。安排兩名人員攜帶手電筒進(jìn)入刀盤(pán)艙內(nèi)，準(zhǔn)備在向前推進(jìn)頂管機(jī)時(shí)，隨時(shí)觀察刀盤(pán)、刀具與洞門(mén)密封之間的情況。在洞門(mén)密封橡膠圈上涂抹黃油，起到潤(rùn)滑作用，以防止密封圈的磨損和損壞，并將洞門(mén)密封扇形壓板沿徑向向外調(diào)整至最大位置。頂進(jìn)推力不宜過(guò)大，推進(jìn)速度要慢，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速適當(dāng)降低，讓刀盤(pán)在每一斷面切削時(shí)間長(zhǎng)些，以使刀盤(pán)正面阻力均勻，從而保持頂管機(jī)的正確位置和正常狀態(tài)。頂進(jìn)過(guò)程中要勤測(cè)量，確保軸線位置準(zhǔn)確。

2.5 頂管中部頂進(jìn)

該工序的主要步驟為泥水循環(huán)、刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)切土、啟動(dòng)頂進(jìn)系統(tǒng)、頂管頂進(jìn)、油缸回縮、管節(jié)安裝等。

1）泥水循環(huán)及處理。當(dāng)在松散、富含水、透水性強(qiáng)的地層頂進(jìn)施工時(shí)，采用泥水加壓平衡模式掘進(jìn)，以此來(lái)保證開(kāi)挖面不會(huì)發(fā)生坍塌與沉降。在頂進(jìn)中泥水不斷地在開(kāi)挖面上形成良好的泥膜，保持開(kāi)挖面的穩(wěn)定。

本工程每個(gè)頂管作業(yè)面的泥水系統(tǒng)均采用三級(jí)泥水處理系統(tǒng)對(duì)泥漿進(jìn)行處理。這種泥水處理系統(tǒng)主要包括一套泥水分離設(shè)備和一臺(tái)壓濾機(jī)組成。泥水分離設(shè)備是把排出的泥漿渣土混合物經(jīng)過(guò)初篩把粒徑≥5 mm的固相顆粒篩濾出，將大量的泥塊通過(guò)振動(dòng)篩進(jìn)行首次分離，分離出來(lái)的泥塊、碎石直接落到渣料堆放場(chǎng)；粒徑≤5 mm的固液混合物進(jìn)入泥漿沉淀槽內(nèi)，再由渣漿泵將該混合液泵入漩流器，由旋流器把粒徑≥45 μm的固相分離進(jìn)行分離，因分離出來(lái)的固相物含水量較大，經(jīng)過(guò)振動(dòng)篩將含水率進(jìn)一步降低，形成可堆放渣料后，落到渣料堆放場(chǎng)堆放；經(jīng)旋流器分離器分離后的泥漿，再經(jīng)過(guò)二級(jí)旋流器處理，將泥中粒徑≥25 μm以上的固相清除，最后經(jīng)壓濾機(jī)設(shè)備將泥漿中的顆粒物質(zhì)進(jìn)一步分離，分離出的泥漿呈清水狀，重新進(jìn)入泥漿箱進(jìn)行再利用，從而達(dá)到環(huán)保效果。

2） 切土、頂進(jìn)。在頂管機(jī)頂進(jìn)過(guò)程中，一定要嚴(yán)格控制開(kāi)挖量，防止出現(xiàn)超挖和欠挖。超挖容易引起地層沉降；相反，欠挖容易引起地層隆起。由于泥水平衡式頂管開(kāi)挖的泥砂隨同循環(huán)泥水一起排出，不能直接測(cè)量開(kāi)挖量，所以要根據(jù)供排泥漿流量、供排泥漿密度、土工試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)計(jì)算就可以估算出頂進(jìn)時(shí)實(shí)際開(kāi)挖土量，通將實(shí)際挖土量與理論挖土量進(jìn)行對(duì)比，及時(shí)調(diào)整頂進(jìn)參數(shù)，防止出現(xiàn)超挖和欠挖。

3）管節(jié)安裝。管道接口采用T型鋼套環(huán)，并用齒形橡膠圈進(jìn)行密封。管道預(yù)先在工廠進(jìn)行預(yù)制、養(yǎng)護(hù)，合格后運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)吊入到工作坑內(nèi)安裝。安裝前對(duì)管道表面、鋼套環(huán)、橡膠密封圈等材料進(jìn)行詳細(xì)的檢查，外觀應(yīng)無(wú)破損，無(wú)裂縫、凹痕等缺陷并應(yīng)無(wú)油污。木襯墊粘結(jié)時(shí)凹口和凸口應(yīng)對(duì)中，環(huán)向間隙應(yīng)均勻。

2.6 長(zhǎng)距離頂進(jìn)技術(shù)

1）中繼間頂進(jìn)。本工程管線頂進(jìn)距離為3.2 km，因此為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離頂進(jìn)，在頂管頂進(jìn)一段距離后，需要安裝中繼間。本工程中繼間采用組合式中繼間形式，此種形式中繼間在貫通后可直接閉合到位，不需要二次澆筑混凝土，該結(jié)構(gòu)主要由前端管節(jié)（鋼制外殼）、后端管節(jié)、液壓油缸、油缸支架、密封圈及壓環(huán)、反力架、液壓站以及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)構(gòu)成。中繼間安裝包括地面組裝和井下安裝兩部分。首先將中繼間液壓油缸、支架、油管、密封圈及壓環(huán)安裝到前端管節(jié)的鋼制殼體內(nèi)。吊裝下井安裝前，將井內(nèi)管節(jié)頂進(jìn)到位，使管節(jié)露出密封部分不大于50 cm，為中繼間安裝提供充足的安裝空間。然后將前端管節(jié)吊裝入井，并將其與前一根管節(jié)插接，最后將后端管節(jié)吊裝入井，與前端管節(jié)插接。中繼間的工作順序是：第一套中繼間頂完后卸油壓開(kāi)始第二套中繼間頂進(jìn)，其后的中繼間依次頂進(jìn)，最后豎井內(nèi)主頂頂進(jìn)完畢，開(kāi)始新一輪的循環(huán)頂進(jìn)。

2）泥漿套頂進(jìn)。為了減少管壁與土壁之間的摩擦阻力，本工程采用泥漿套頂進(jìn)。頂管頂進(jìn)潤(rùn)滑注漿遵循“先注后頂、隨注隨頂、及時(shí)補(bǔ)漿”原則。頂管機(jī)尾部后0～20 m內(nèi)的頂管隧道充分注漿，以形成一個(gè)穩(wěn)定、完整的泥漿套。之后管節(jié)注入的泥漿是用以不斷補(bǔ)充，使?jié){套保持連續(xù)。頂管機(jī)尾部后0～20 m內(nèi)的頂管隧道同步注漿量通常為地層間隙的2～3倍，其后面的同步注漿量為1.5～2倍。注漿壓力應(yīng)大于水土壓力0.01～0.02 MPa，應(yīng)保持填充狀態(tài)，而不是劈裂狀態(tài)。如圖1所示。漿液由制漿機(jī)拌制，隨即儲(chǔ)存到儲(chǔ)漿罐中，然后利用注漿泵通過(guò)膨潤(rùn)土管路從地面輸送至隧道內(nèi)各注漿站，注漿站將漿液分配到根注漿管內(nèi)，相應(yīng)地通過(guò)管節(jié)的4個(gè)注漿孔注入地層。注漿站閥門(mén)由壓縮空氣控制開(kāi)啟，并通過(guò)控制電纜與控制臺(tái)建立通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

圖1 注漿效果示意圖

2.7 全線貫通

頂管機(jī)頂進(jìn)至最后30 m時(shí)，應(yīng)完成所有貫通準(zhǔn)備工作，包括端頭加固效果檢查、洞門(mén)密封裝置安裝、設(shè)備拆除等。距離貫通30 m開(kāi)始，加密進(jìn)行隧道內(nèi)導(dǎo)線測(cè)量和聯(lián)系測(cè)量。獲取包括頂管機(jī)刀盤(pán)面距豎井中心距離、隧道軸線水平和高程偏差等準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。分析測(cè)量成果，貫通前及時(shí)調(diào)整頂管機(jī)姿態(tài)，保證頂管機(jī)體精準(zhǔn)貫入接收洞門(mén)。頂管機(jī)進(jìn)入接收井后，利用接收洞門(mén)處預(yù)埋的注漿管壓注雙液漿，同時(shí)從混凝土管注漿孔壓注雙液漿，并在最終兩根管節(jié)位置壓注聚氨酯封堵。壓注聚氨酯時(shí)，保持對(duì)稱、間歇，使其充分膨脹。

3 結(jié)語(yǔ)

本工程施工線路長(zhǎng)，管道敷設(shè)所穿越的土質(zhì)條件復(fù)雜、地下水位豐富，這為本工程的施工帶來(lái)了更大的難度。針對(duì)管道敷設(shè)時(shí)所處位置的施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及水文地質(zhì)條件，應(yīng)該合理選用不同施工方案，調(diào)整施工參數(shù)，對(duì)出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象及時(shí)查找原因并提出解決措施。以上基于頂管施工的工藝流程，對(duì)其施工中的技術(shù)要點(diǎn)及控制措施進(jìn)行了詳細(xì)的分析，可以為類似的工程提供參考價(jià)值。在以后的項(xiàng)目施工當(dāng)中，應(yīng)該對(duì)頂管技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步完善，除了要保證施工進(jìn)度、合理控制施工成本以外，還要對(duì)頂管的安全管控、偏移監(jiān)測(cè)技術(shù)、糾正方法及材料設(shè)備選型等方面進(jìn)一步加以完善。

［1］ 曾新民，郭坤，方紫霖. 二次頂管法在小口徑排水管道敷設(shè)中的應(yīng)用［J］. 給水排水，2014，40（5）：92-95.

［2］ 胡發(fā)明.頂管技術(shù)在市政工程中的應(yīng)用研究［J］.江西建材，2013，（1）：187-188.

［3］ 曹永芳，趙建波. 頂管法施工技術(shù)在市政工程建設(shè)中的應(yīng)用［J］. 四川水力發(fā)電，2015，34（1）：68-70.

［4］ 丁文學(xué).矩形土壓平衡式頂管在廣州地鐵工程中的應(yīng)用［J］. 現(xiàn)代城市軌道交通，2012（1）：36- 38.