梁忠旗 核工業(yè)華東建設(shè)工程集團(tuán)有限公司

1 工程概況

本工程是市政工程中將道路匯水排入河流的排水管道，管道長(zhǎng)度266m。由于管線敷設(shè)所經(jīng)路線建筑物較多，距離周邊建筑物較近，管道埋深5.9m～9.5m不等，設(shè)計(jì)為直徑2.2m的Ⅲ級(jí)F型鋼承口鋼筋混凝土頂管施工。

2 工程地質(zhì)情況

本工程地貌為低丘崗地，河流沖積階地，地形起伏較大。場(chǎng)區(qū)底層自上而下劃分第四系全新統(tǒng)人工填土層素填土；第四系全新統(tǒng)沖積層卵石；第四系上更新統(tǒng)殘積層粉質(zhì)黏土；白堊系基巖含有全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化以及中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。主要以第四系松散巖類孔隙水（潛水）與基巖裂隙水為場(chǎng)內(nèi)地下水源。場(chǎng)內(nèi)地下水在季節(jié)影響下變化幅度為1m～3m。

3 逆作法施工工作井與接收井

采用逆作法設(shè)計(jì)施工掘進(jìn)井、接收井各1 座，梯形護(hù)壁墻結(jié)構(gòu)作為內(nèi)襯。

3.1 井的平面、立面及配筋（見圖1-圖4）

圖1

圖2

圖3

圖4

3.2 井體逆作法施工工藝流程（見圖5）

圖5

井采用分層開挖法開挖井坑內(nèi)土方，每層開挖深度控制在1.5m 以內(nèi)，按設(shè)計(jì)要求綁扎鋼筋，搭設(shè)第一節(jié)的模板，而后澆筑混凝土，在上節(jié)護(hù)壁混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%時(shí)，進(jìn)行第二節(jié)護(hù)壁墻開挖施工直至設(shè)計(jì)井底。

在完成最后一節(jié)護(hù)壁后及時(shí)拆除模板，即可澆筑100mm厚C15素混凝土墊層。素混凝土墊層初凝后，進(jìn)行底板鋼筋安裝，連續(xù)澆筑混凝土。

頂管背墻（內(nèi)襯墻）是掘進(jìn)機(jī)千斤頂?shù)闹饕至c(diǎn)，墻體高4.0m、寬5.0m、厚度0.60m，采用Φ22mm@150mm 雙層雙向配筋，C35混凝土一次完成。

4 頂管施工

頂管施工分為：頂進(jìn)前準(zhǔn)備工作，頂管進(jìn)洞段施工，頂管正常段頂進(jìn)施工，頂管出洞段施工。

4.1 施工工藝流程（見圖6）

圖6

4.2 頂進(jìn)掘進(jìn)機(jī)選型

本工程擬采用TY-DG（NP）2000型泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)，操作機(jī)手必須是熟練工人，操作必須按照設(shè)備說明書工作，見圖7。

圖7

4.3 泥漿系統(tǒng)的安裝

在掘進(jìn)井旁設(shè)置泥漿池，采用并聯(lián)法進(jìn)而有效縮短排漿管長(zhǎng)度保證排漿暢通，為防止排泥泵中有較大塊狀物進(jìn)入導(dǎo)致排泥泵堵塞甚至損壞，在排泥泵前設(shè)置沉石箱將塊狀物沉淀過濾，見圖8。

圖8

將注漿系統(tǒng)中的泵升級(jí)為螺旋泵以有效減少注漿過程中的脈動(dòng)現(xiàn)象。保證漿液均勻攪拌，系配置減壓系統(tǒng)，將隔膜式壓力表分別安裝在泵出品處1m外以及機(jī)頭注漿處。

4.4 頂進(jìn)前準(zhǔn)備工作

（1）地面準(zhǔn)備工作

1）施工用電、用水、用路及排水和照明設(shè)備安裝。

2）施工材料、施工設(shè)備及人員準(zhǔn)備。

3）建立井上、井下測(cè)量控制網(wǎng)。

（2）井下準(zhǔn)備工作

1）洞門安裝

為避免因?yàn)槎慈εc管節(jié)間大約6cm 的結(jié)構(gòu)縫隙導(dǎo)致在頂管出洞及正常頂進(jìn)過程中出現(xiàn)外部土體及觸壁泥漿涌入始發(fā)井內(nèi)的情況發(fā)生，必須在施工前安裝剛性防水套管在洞圈上。在洞口設(shè)計(jì)預(yù)留法蘭上安裝洞口止水裝置，并在鋼管與套管間加擋圈，設(shè)計(jì)管位與擋圈要保持同心，誤差控制在2mm 以內(nèi)。擋圈與套管間的空隙用油麻填實(shí)，套管與鋼管間其他部位用石棉水泥填實(shí)。

2）頂管背墻

圖9

圖10

頂管背墻拼裝橫排200mm×200mm 枕木，枕木前密排30#工字鋼，工字鋼錨固下扎500mm，在工字鋼前再安放頂鐵。

3）頂管機(jī)下井

頂管機(jī)下井前，為保證起重設(shè)備吊裝工作區(qū)域安全可靠，需對(duì)地基承載力進(jìn)行檢測(cè)。

①安裝調(diào)試下井的發(fā)射架以及后頂裝置。

②下井放置刀盤及驅(qū)動(dòng)段。

③糾偏鉸接段應(yīng)以完整單元下井并安裝在在發(fā)射架后，下井后通過螺栓與刀盤及驅(qū)動(dòng)段可靠緊固連接。

④螺旋機(jī)下井安裝到位。

⑤U型頂鐵下井安裝到位。

⑥電器柜安放。

4）定位主頂及調(diào)試驗(yàn)收

定位時(shí)，主頂與管節(jié)中心軸線成對(duì)稱分布，保證頂進(jìn)軸線控制良好、管節(jié)受力均勻。主頂定位后，頂管機(jī)軸線要和設(shè)計(jì)軸線保持一致。所有千斤頂要調(diào)試驗(yàn)收，反復(fù)調(diào)試確保頂管機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，保證性能完好。

5）工作井導(dǎo)軌安裝

①導(dǎo)軌采用雙排120工字鋼、20槽鋼焊接，定制加工。

②利用測(cè)量?jī)x器對(duì)導(dǎo)軌安裝情況進(jìn)行監(jiān)控，安裝導(dǎo)軌時(shí)允許偏差值控制在以下范圍內(nèi)：一是中心軸線左右3mm以內(nèi)；二是頂面高程+3mm以內(nèi)；三是兩導(dǎo)軌內(nèi)部間距±2mm以內(nèi)。

③兩導(dǎo)軌凈距計(jì)算

其中：B——基坑導(dǎo)軌間距（mm）；

D——管外徑（mm）；

h——導(dǎo)軌高（mm）；

e——管外底距枕鐵面的距離（mm）。

按上述公式求出DN2200 頂管導(dǎo)軌之間的寬度為1067mm。

6）千斤頂安裝

（1）本工程采用4 臺(tái)千斤頂，每臺(tái)千斤頂參數(shù)為250t。千斤頂固定在支架上時(shí)應(yīng)與管道中心的垂線保持對(duì)稱，千斤頂著力點(diǎn)應(yīng)在管節(jié)垂直半徑的1/2～1/3為宜，其合力集中點(diǎn)應(yīng)與管壁產(chǎn)生的反作用力集中點(diǎn)保持在相同軸線上。

（2）千斤頂選用ZB.50 型的高壓油泵，工作時(shí)油泵由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，經(jīng)分配器、控制閥等控制節(jié)點(diǎn)后進(jìn)入千斤頂，各千斤頂以并聯(lián)方式將進(jìn)油管一起連接，各千斤頂活塞的出力要和行程保持一致的效果，油管要順直安裝，減少轉(zhuǎn)角。

7）頂鐵的安裝

頂鐵選用1 組3000kN 級(jí)專用配套頂鐵（順鐵），頂鐵的相鄰面互相垂直，要有足夠的剛度。在安裝前，要把頂鐵與導(dǎo)軌之間、頂鐵與頂鐵之間的部位擦拭干凈，清除泥土、油污等贓物以保持接觸面干凈。頂鐵單塊放置時(shí)保持穩(wěn)定。在頂鐵與管口之間塞入緩沖襯墊，管端可增加U型或環(huán)形頂鐵防止頂力過大。保持管道的軸線、千斤頂軸線和頂鐵軸線之間兩兩平行。頂鐵的中軸線以及管道中心的垂線應(yīng)保持對(duì)稱，避免頂力偏離軸線造成“崩鐵”情況發(fā)生。頂鐵拼裝后要利用鎖定裝置對(duì)拼裝進(jìn)行鎖定。

頂進(jìn)前要在頂鐵與管口之間填充緩沖物（如膠合板）使頂力均勻地分布在管端。

管節(jié)未進(jìn)入土層前，在接口外部墊上油氈或木墊板，管口靠?jī)?nèi)側(cè)保持10mm～20mm的間隙；頂緊后兩管間應(yīng)保持10mm～15mm的合理孔隙。

4.5 頂進(jìn)施工

4.5.1 參數(shù)計(jì)算

1）總頂力計(jì)算：

式中：F—總頂力；

Fp——頂進(jìn)阻力（kN）；

NF——頂管機(jī)的迎面阻力（泥水平衡選NF=п/4×D2gP）；

P——控制土壓力P=K0×γ×H0；

D0——管道外徑（m），取2.64；

L——管道設(shè)計(jì)頂進(jìn)長(zhǎng)度（266m）；

fk——管道外壁單位面積平均摩擦阻力（kN/m2）（采用觸變泥漿減阻：粉質(zhì)黏土取5.0）

Dg——頂管機(jī)外徑（m），取2.7；

K0——靜止土壓力系數(shù)，一般取0.55；

γ——土的濕重量（kN/m3）；取19；

H0——地面至掘進(jìn)機(jī)中心的厚度（m），取最大值8.5m。

2）管材允許頂力計(jì)算

式中Fdc——混凝土管道允許頂力設(shè)計(jì)值（N）；

φ1——混凝土材料受壓折減系數(shù)，可取0.90；

φ2——偏心受壓強(qiáng)度提高系數(shù)，可取1.05；

φ3——材料脆性系數(shù)，可取0.85；

φ5——混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整系數(shù)，可取0.79；

fc——混凝土受壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（N/mm2）；

Ap——管道最小有效傳力面積（mm2）；

γQd——頂力分項(xiàng)系數(shù)，可取1.3。

DN2200 鋼筋混凝土管允許頂力：Fdc=10917783N=10917.78kN=1092t；

設(shè)計(jì)工作井能承擔(dān)的最大頂力：2005.9t（計(jì)算條件：井深9.755m、外寬6.4m）；

經(jīng)比較后得知：管材允許最大頂力＜計(jì)算總頂力＜工作井允許最大頂力，取最小值作為油缸的總推力，主頂油缸選用4 臺(tái)300t 級(jí)（3000kN）千斤頂。主頂推力應(yīng)控制在管材安全范圍值（取允許最大值的90%）983t以下。

4.5.2 進(jìn)洞施工

在進(jìn)洞口設(shè)降水井，在頂管機(jī)進(jìn)洞前，控制洞內(nèi)水位在洞圈下1m。

因洞門和管節(jié)間存在6cm的周邊間隙，采取能夠使頂管機(jī)頭規(guī)范進(jìn)洞的相應(yīng)措施，避免因進(jìn)洞時(shí)造成水土流失導(dǎo)致路面沉降。

洞門完全打開后，注意洞門四周水土情況，如水土情況良好、不滲水，則頂管機(jī)以快速、均勻推進(jìn)速度前進(jìn)。如洞門有滲水現(xiàn)象，則采用降水井降低地下水位。在第一節(jié)管節(jié)頂進(jìn)至內(nèi)襯400mm后，頂管機(jī)停機(jī)并與管節(jié)脫離，將頂管機(jī)接收后立即組織洞門封堵施工。此階段必須連續(xù)施工，洞口派人監(jiān)護(hù)，發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)處理。

以千斤頂配合鉸接油缸用最快的速度完成頂管機(jī)與管節(jié)脫離以確?？焖俜庾《撮T。

為加快速度，采用自下而上、左右兩邊同時(shí)開始的洞門封堵操作，洞門結(jié)束封堵后，對(duì)洞口空隙采用C30 膨脹混凝土填實(shí)。

4.5.3 中繼間接力頂進(jìn)

由于單向頂進(jìn)距離長(zhǎng)達(dá)266m，管材結(jié)構(gòu)允許最大頂力為983t，因此僅靠主頂頂力無法頂進(jìn)到終點(diǎn)，必須設(shè)置中繼間進(jìn)行逐段接力頂進(jìn)。在總推力超過計(jì)算總推力60%時(shí)設(shè)置第一個(gè)中繼間；在總推力超過計(jì)算總推力80%時(shí)設(shè)置第二個(gè)中繼間，在總推力超過計(jì)算總推力的90%時(shí)應(yīng)啟用中繼間。用中繼間專用頂進(jìn)設(shè)備去頂進(jìn)中繼間以前的管段。為防止中繼間開始頂進(jìn)時(shí)向工作井方向退移，工作井內(nèi)的千斤頂要緊頂在導(dǎo)軌上接的管子上。中繼間工作順序：第一個(gè)中繼間頂進(jìn)→卸油壓→第二個(gè)中繼間頂進(jìn)→卸油壓→開動(dòng)工作井千斤頂→循環(huán)頂進(jìn)至接收井。

4.5.4 管節(jié)減摩

為控制沉降作用及減少頂進(jìn)過程中土體對(duì)管道造成的摩擦阻力，應(yīng)在管道與土體接觸界面壓注觸變泥漿形成一圈泥漿套以達(dá)到減少土體摩擦阻力效果。在施工期間應(yīng)保持泥漿不失水，不沉淀，不固結(jié)，保證觸變泥漿起到應(yīng)有作用。

1）泥漿配比

表1 每立方泥漿材料用量表

表2 觸變泥漿指標(biāo)

2）壓漿設(shè)備及壓漿工藝

使用泥漿攪拌機(jī)配比表進(jìn)行制漿，純堿和CMC 應(yīng)預(yù)先化開（CMC 可以邊攪拌邊添加），再加入膨潤(rùn)土攪拌20min，要將泥漿充分徹底攪拌均勻。

HENY壓漿泵如固定在始發(fā)井口，在使用前應(yīng)先在儲(chǔ)漿桶內(nèi)儲(chǔ)存、拌制拌漿機(jī)的出料，待一定時(shí)間過后方可通過HENY泵送至井下。以0.3MPa左右的注漿壓力進(jìn)行泵送。

3）壓漿施工要點(diǎn)

①壓漿應(yīng)由專人控制觸變泥漿在施工期間不失水、不固結(jié)、不沉淀，保持泥漿穩(wěn)定性。

②嚴(yán)格按壓漿操作規(guī)程施工，頂進(jìn)時(shí)要及時(shí)壓注觸變泥漿去充填所形成的建筑空隙，在管節(jié)四周形成可減少頂進(jìn)阻力和地表沉降的泥漿套。

③壓漿時(shí)必須遵循“先壓后頂、隨頂隨壓、及時(shí)補(bǔ)漿”的原則。

4.5.5 止退裝置

在實(shí)際施工過程中，即便管節(jié)有較長(zhǎng)頂進(jìn)距離，在每次拼裝管節(jié)或加墊塊時(shí)，主頂油缸仍然會(huì)受前端過大阻力影響在回縮過程中連帶機(jī)頭和管節(jié)共同后退200mm～300mm。當(dāng)頂管機(jī)和管節(jié)往后退時(shí)，機(jī)頭和前方土體間的土壓失去平衡易引起機(jī)頭前方的土體面得不到穩(wěn)定支撐而坍塌，因此，需要將兩套止退裝置分別安裝在前基座的兩側(cè)，當(dāng)推完油缸的工作行程，銷子會(huì)在管節(jié)安裝的時(shí)候插入管節(jié)的吊裝孔。和基座焊接在一起的止退裝置后支柱會(huì)抵消掉由銷子及銷座傳遞而來的管節(jié)的后退力，進(jìn)而把管節(jié)穩(wěn)住。

5 出洞施工

測(cè)量的頻率與精度應(yīng)隨頂管機(jī)頭與接收井靠近而逐步加強(qiáng)，控制軸線在合理區(qū)間。確保頂管機(jī)能準(zhǔn)確進(jìn)洞。頂管要帶一個(gè)向上的初始角（約5′）穿墻，不能出現(xiàn)工具頭下跌的情況，要支托起穿墻管的下部，管段相互之間（包括工具管）的聯(lián)結(jié)要加強(qiáng)。迅速推進(jìn)工具管縮短穿墻管內(nèi)的土體暴露時(shí)間。在頂管穿墻位置施作止水工序，防止因?yàn)闇p阻泥漿流失過多造成孔口塌陷進(jìn)。

要測(cè)量確認(rèn)接收井洞門位置的坐標(biāo)，頂管機(jī)接收架以實(shí)際標(biāo)高進(jìn)行安裝。

5.1 出洞工藝

（1）安裝洞口止水擋圈，將止水擋圈裝置在出洞孔井壁上臨時(shí)固定，待掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)至止水擋圈位置處，止水擋圈再根據(jù)掘進(jìn)機(jī)外圓與止水圈板內(nèi)圓的周邊等距離進(jìn)一步固定。確保止水圈中心與管道中線軸線保持一致的同時(shí)，與井壁間密實(shí)，以防漏漿。

（2）接收導(dǎo)軌按管道設(shè)計(jì)要求鋪設(shè)；在出洞孔砼上安裝延伸導(dǎo)軌，其坡度和標(biāo)高與軌道一致。

（3）要防止出現(xiàn)洞口漏泥、水情況，設(shè)置一臺(tái)排污泵，制定安全保證措施以及時(shí)排除洞口隱患。

（4）在出洞前，需先割掉預(yù)埋鋼盒外側(cè)鋼板，將止水鋼環(huán)焊接到預(yù)埋鋼盒的外側(cè)，再將止水橡膠圈安裝在止水鋼環(huán)上。在準(zhǔn)備出洞時(shí)，預(yù)先清除鋼盒內(nèi)側(cè)擋土鋼板，工具頭在清理預(yù)留孔內(nèi)雜物后立即推進(jìn)預(yù)留孔，防止暴露時(shí)間過長(zhǎng)。工具頭外殼要緊抱止水橡膠圈。為防止工具頭出現(xiàn)“磕頭”情況，頂進(jìn)工具頭進(jìn)入穿墻管后工具頭及時(shí)與第一節(jié)鋼管進(jìn)行剛性聯(lián)結(jié)。

（5）在出洞施工初期，容易發(fā)生頂管機(jī)反彈引起的土體不規(guī)則坍塌，使頂管機(jī)再次推進(jìn)時(shí)方向失去控制和往上爬升。由于頂管機(jī)正面主動(dòng)土壓力遠(yuǎn)大于頂管周邊各種摩擦力的總和，為此，平行于地面在洞口的兩側(cè)各安裝好一條工字鋼，當(dāng)主頂千斤頂準(zhǔn)備回縮加頂鐵時(shí)，各自焊牢兩條工字鋼與相接觸的頂鐵，然后將千斤頂回收，頂管機(jī)可以避免反彈。

（6）在出洞施工時(shí)，在頂管機(jī)的兩側(cè)焊上底面與導(dǎo)軌面平齊的擋板，擋板壓在導(dǎo)軌上，防止頂管機(jī)發(fā)生扭轉(zhuǎn)。頂管出洞后，洞口管壁周圍采用C30膨脹混凝土填實(shí)。

6 頂管施工重點(diǎn)技術(shù)控制

6.1 地層形變控制

（1）在施工前，根據(jù)地質(zhì)資料分析將穿越地層的物理及力學(xué)特性，在掘進(jìn)時(shí)，通過地質(zhì)資料與出土實(shí)樣的對(duì)比，按照情況對(duì)掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)及時(shí)調(diào)整，進(jìn)一步加強(qiáng)施工控制。在頂進(jìn)過程中，要連續(xù)均衡的速度頂進(jìn)施工，避免過長(zhǎng)時(shí)間停滯，不斷按照反饋數(shù)據(jù)調(diào)整土壓力最佳狀態(tài)設(shè)定值，通過控制出土量避免欠挖或超挖情況發(fā)生。

（2）掘進(jìn)機(jī)頭開挖面、機(jī)頭糾偏、機(jī)頭后面管道外周空隙注漿填充不足、管道在頂進(jìn)中與地層摩擦、管道接縫及中繼間滲漏等都會(huì)引起地層損失。所以在頂管施工中要以實(shí)際情況為準(zhǔn)，根據(jù)不同土質(zhì)情況、覆土深度情況和地面沉降情況，結(jié)合分析測(cè)量報(bào)表，對(duì)泥水與土壓平衡值做出及時(shí)調(diào)整。同時(shí)要求保持相對(duì)平穩(wěn)的坡度，控制糾偏量，減少對(duì)土體的擾動(dòng)。根據(jù)頂進(jìn)速度，及時(shí)掌握排泥量以及地層有關(guān)變形數(shù)據(jù)，對(duì)注漿壓力和注漿量做出及時(shí)調(diào)整，從而控制最佳軸線和地層變形狀態(tài)。

（3）在結(jié)束頂管后，通過注漿孔用1∶1 的水泥漿液將管道外壁觸變泥漿置換出來，注漿壓力控制在0.3MPa～0.5MPa，注漿流量7L/min～10L/min，以加固管道外土體，防止在今后正常使用過程中管道產(chǎn)生不均勻沉降。

6.2 頂進(jìn)軸線控制

在頂進(jìn)施工中應(yīng)密切關(guān)注頂進(jìn)軸線。每節(jié)管頂進(jìn)結(jié)束后，應(yīng)對(duì)機(jī)頭進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量，“勤測(cè)勤糾，小角度糾偏”，每次糾偏的角度一般控制在0.50 分以下，通過合適的曲率半徑將管道逐步調(diào)整到正確軸線上來，應(yīng)避免猛糾導(dǎo)致相鄰兩段管道產(chǎn)生較大夾角，進(jìn)而使土體出現(xiàn)較大擾動(dòng)及管節(jié)間出現(xiàn)張角。圓形頂管施工時(shí)對(duì)橫向水平要求較高，所以在頂進(jìn)過程中要密切注意機(jī)頭的轉(zhuǎn)角情況，可采取刀盤反轉(zhuǎn)、加壓鐵等措施回糾機(jī)頭出現(xiàn)微小轉(zhuǎn)角的情況。頂進(jìn)軸線應(yīng)將偏差控制在以下范圍內(nèi)：高程±20mm；水平：±20mm。

6.3 控制頂管軌跡的措施

頂管機(jī)、后頂設(shè)備及反力系統(tǒng)要按照設(shè)計(jì)坡度安置。調(diào)整后座千斤頂合力中心的方式來控制初始偏差，確保機(jī)頭初始狀態(tài)穩(wěn)定和軸線順直。根據(jù)地面監(jiān)測(cè)的沉降數(shù)據(jù)調(diào)整頂管機(jī)參數(shù)及出土速度，將正面土壓控制在合理區(qū)間內(nèi)，避免地面沉降量在+10mm～-20mm 范圍之外。時(shí)時(shí)跟蹤機(jī)頭推進(jìn)時(shí)的姿態(tài)，采取泥漿平衡及調(diào)整鉸接油缸伸長(zhǎng)量的手段及時(shí)糾正推進(jìn)軌跡的偏移，保證推進(jìn)線路正常進(jìn)行。

6.4 控制頂管允許最大頂力的措施

選用總推力為1200t的主千斤頂，為了防止頂力超過允許值，導(dǎo)致管材因頂力過大損壞，在主頂油泵設(shè)備調(diào)試時(shí)，通過調(diào)整壓力閥的方式控制系統(tǒng)的總推力保持在983t 以下，并用螺栓將閥鎖死，保證施工中不出現(xiàn)超出頂力的情況發(fā)生。

6.5 防止背土措施

加大注漿頻率，通過觀察現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況以及地質(zhì)狀態(tài)來選擇注漿的方法和把握注漿方量。需設(shè)置專人對(duì)注漿負(fù)責(zé)，要均勻且合理地注漿。每日檢查地面環(huán)境和管道的注漿口。