楊明亮

(中鐵十八局集團有限公司，天津 300000)

頂管頂進施工是一種通過使用巖土鉆鑿施工，更換或者敷設地下管道的施工技術(shù)。因無需開展地面挖掘工作，因此可以穿越公路、鐵路等，適合應用在地下管道工程中，屬于一種安全性強、環(huán)保性高的施工工藝。但是在調(diào)蓄區(qū)建設工程項目中，受到地質(zhì)因素影響，頂管頂進時需要承載較大的推進力和荷載，由此產(chǎn)生一種比較復雜的應力關(guān)系。為了保證工程施工質(zhì)量，應加強對施工前期工程土層和荷載的分析。

1 工程概況

本工程位于廣州市增城區(qū)新塘鎮(zhèn)永和河調(diào)蓄區(qū)，共分為2段進行頂管施工，一段穿越永和河河道，頂進長度為128 m；一段穿越廣園快速高架橋且橫穿高壓燃氣管道、石油管道及光纜，頂進長度為138.2 m。頂管工作井距離燃氣管道約70 m，頂管與燃氣管交叉位置坐標X:2 560 850.947，Y:462 598.151，H:2.416，地面高程2.416 m,埋深2.198 m，交叉位置頂管設計管內(nèi)底標高-8.3 m，鋼筋混凝土管規(guī)格1 200 mm，即交叉位置管頂標高與燃氣管道底標高相對高差6 m以上(圖1)。根據(jù)鉆探資料，頂管層主要為淤泥質(zhì)土和細中砂。工作井采用逆作法施工工藝，井深約為10 m，采用泥水平衡頂管法進行施工，頂進DN1200鋼筋混凝土管。

圖1 DN1200頂管與DN762燃氣管線凈距圖(mm)

2 施工難點

本工程頂管穿越施工周邊環(huán)境復雜，涉及深基坑開挖(工作井深達11.6 m), 北湖至南湖之間通過永和河，北湖與凈水廠范圍段有高壓天然氣管道、石油管道和光纖，施工風險較大。因此，為最大限度保證施工安全和質(zhì)量，在正式施工之前，需要開展全方位的專家論證，以保證施工方案中的內(nèi)容和所選擇的技術(shù)都能滿足設計要求。

頂管從廣園快速路高架橋底承臺與承臺之間穿過，與燃氣管和石油管線平面相交，頂管管頂和燃氣管之間的凈距離為6.449 m,施工過程中需要注意燃氣管道。此外工程地質(zhì)為淤泥質(zhì)土和細中砂。為保證施工過程中周邊建筑物及燃氣管道的安全，在頂進施工時，務必要做好施工過程中的質(zhì)量控制，并通過高壓旋噴樁加固土體，減少土體變形，并加強施工過程中的沉降控制，最大程度減少對周邊建筑及管線的影響。

3 施工技術(shù)

3.1 頂管穿越燃氣管道的管線保護施工

首先采用人工挖探的方法，精準確定管線位置、管徑、走向、埋深，結(jié)合地質(zhì)鉆探資料，詳細了解管線周邊的地質(zhì)情況，將調(diào)查結(jié)果報業(yè)主、設計、監(jiān)理和燃氣管線部門確認備案。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，針對性采用相應的施工方法，確保頂管安全順利通過相交處的燃氣管。針對本次管線交叉，務必保證頂管上方土層的穩(wěn)定，以不觸及頂管上方的管線，確保頂管施工的安全。如果頂管頂至管線保護范圍內(nèi)，全程要服從燃氣管線產(chǎn)權(quán)單位人員的現(xiàn)場指導工作，以便順利完成管線交叉段施工任務。

3.2 施工工藝方法選擇

因頂管工程環(huán)境復雜，涉及建筑及燃氣管道，結(jié)合工程實際情況，制訂圖2所示的施工流程，采取泥水平衡式頂管施工技術(shù)，利用其破碎功能，在保證平衡土壓力的前提下，把泥水艙內(nèi)建設成大于地下水壓15 kPa左右的泥漿，從而達到平衡地下水壓力的效果。通過將進水添加黏土比例控制在合理范圍內(nèi)，即便挖掘面為砂石，也能形成一層不透水泥膜，讓地下水壓力與土壓力達到制衡狀態(tài)，避免頂管在頂進施工中造成的土體變形，最大程度減少對周邊建筑及管線的影響[1]。在工程施工中，頂管選擇了DN1200Ⅲ級鋼筋混凝土管承插管，管材允許頂力計算為

N=1 000ηfcA0

(1)

式中：N為施工管材的最大允許定力,kN；fc為管材的縱向抗壓設計強度,MPa；A0為管材環(huán)向最小截面面積,m2；η為不同管材的折減系數(shù)。按式(1)管材允許頂力計算結(jié)果為11 937.024 kN，設計最大頂力2 400 kN，設備最大頂力2 000 kN,均在管材允許頂力范圍內(nèi)，滿足要求。

圖2 頂管施工工藝流程圖

3.3 頂進設備安裝

通常情況下，頂管導軌一般采用鋼質(zhì)材料，將其安裝于鋼筋混凝土底板中。在頂管井內(nèi)建立頂進軌道過程中，應該結(jié)合管道坡度情況合理建設，也就是根據(jù)1‰的標準向下坡度，讓工具頭在出洞以后可以依照規(guī)定的軸線開始頂進施工。在正式頂進之前，必須對導軌定位精度和穩(wěn)定性進行檢驗，確認達到設計要求之后，再進行頂進操作，確保頂進時不發(fā)生沉降、變形問題。為避免發(fā)生頂進偏差過大的問題，在實際頂進施工中，要做到邊頂進，邊檢查，邊調(diào)整[2]。

在主頂千斤頂周圍設有油泵車停車位，油路安裝應該按照直線要求進行，減少轉(zhuǎn)彎，保證接頭不會漏油，安裝完成以后應做好試車工作。在頂進過程中，應該定時檢查維護，一旦發(fā)現(xiàn)故障問題及時處理。油泵車需要在防雨棚中作業(yè)，本頂鐵使用的為22 mm鋼板，剛度比較大，能夠滿足本工程頂進的需求，但需要保證頂鐵始終垂直相鄰面，使頂鐵軸線平行于管道軸線。在頂進中，要及時檢查頂鐵和導軌接觸面是否存在油污污染，如果存在要及時清理，以保證頂進的精度[3]。

在主頂裝置安裝中，一共設有4個千斤頂，呈兩列分布。通常情況下，使用的主頂千斤頂主要是單沖程千斤頂，總行程是15 m。在施工過程中，結(jié)合頂管井后靠背允許推力對油壓進行把控。油缸設置了油路控制系統(tǒng)，具有很強的自動化水平，能夠結(jié)合現(xiàn)場施工要求，及時修正主頂合力中心頂進參數(shù)，保證最大的頂進力，在設計允許范圍內(nèi)[4]。本工程泥水平衡頂管設備安裝布置見圖3。

圖3 泥水平衡頂管設備安裝布置

3.4 頂進施工

在完成工作坑中設備安裝工作以后，需要對各個位置運行情況進行檢查，也就是試頂。在實際操作中，應該定期對設備掘進的水平度、垂直度等進行詳細檢查，保證掘進的尺寸和標準都能符合設計要求。接著安裝工具管，再安裝混凝土管節(jié)，在正式頂進前，還要對標高進行測量，待試頂參數(shù)確定，各數(shù)據(jù)達標后，啟動頂進設備進行正常頂進[5]。在具體頂進施工中，為保證頂進的精度，控制好偏差，軸線偏差需控制在10 mm之內(nèi)，高程偏差不得超過10 mm。根據(jù)設計圖紙要求，現(xiàn)按頂進長度138.2 m計算阻力，總推力的計算公式為

F=F1+F2

(2)

式中：F為總推力，kN;F1為迎面阻力，F(xiàn)1按式(3)來計算，kN；F2為側(cè)摩阻力，kN,F2按式(4)來計算。

F1=πD2P/4

(3)

式中：D為管外徑,m；P為機頭泥水壓力，P=k0γH0，k0為靜止土壓系數(shù)，取0.55 kPa；H0為地面至掘進機中心的厚度，取值8 m；γ為土的重量，取1.8 t/m3。

F2= πfDL

(4)

式中：f為管外表面綜合摩擦阻力，現(xiàn)取0.5 t/m2；D為管外徑，m；L為頂距，m。

計算結(jié)果為

P=0.55×1.8×8=7.92 t/m3

F1=3.14×2.0736×7.92/4=12.89 t

F2=3.14×1.44×0.20×138.2=124.98 t

F=F1+F2=12.89+124.98=137.87 t

工作井內(nèi)設備頂進能力可達到200 t，采用4個50 t的千斤頂完全滿足要求。

在后座主頂油泵和千斤頂?shù)穆?lián)合作用下，促使管道不斷向前頂進，邊頂進，刀盤邊切削前方巖土。切削下來的巖土，通過輸送管道進入到泥土倉中，經(jīng)過充分攪拌后，形成濃泥漿，再通過排漿管道，將濃泥漿排出到機頭位置。管道頂進施工中，要逐節(jié)、連續(xù)進行，不能中斷和停止，一直頂進到接收井中，就能形成一個完整的管道[6]。頂進的速度要結(jié)合不同施工階段合理控制，比如在最開始頂進中，頂進速度不能超過40 mm/min；如果在頂進中遇到大規(guī)模巖石層，要適當降低頂進的速度，控制在10 mm/min即可；正常頂進的速度控制在120 mm/min。在初始頂進過程中，土量通?？刂圃诶碚摮鐾亮康?0%，常規(guī)情況下出土量控制在理論出土量的98%以上。具體泥水平衡式工具頭頂管施工圖見圖4。

圖4 泥水平衡式工具頭頂管施工示意圖

3.5 頂管進出洞口施工及土體加固

在頂管施工過程中，進出洞口作業(yè)作為一項比較關(guān)鍵的工作，施工過程中應綜合思考其安全性和穩(wěn)定性，特別是在工作坑出洞入口，頂管如果出洞比較安全，表示頂管施工已經(jīng)獲取一定成果。大部分頂管工作面臨失敗的原因就是在進出洞口。為確保洞口安全穩(wěn)定，在洞口預先采用3排高壓旋噴樁加固土體，布置圖詳見圖5。

圖5 頂管工作井的高壓旋噴樁加固的布置圖(mm)

止水環(huán)在頂管施工中起到的主要作用是防止發(fā)生滲漏問題。為發(fā)揮出止水環(huán)的作用，采用鋼法蘭加壓板作為止水環(huán)結(jié)構(gòu)，中間橡膠止水環(huán)的厚度不低于20 mm，且具有良好的拉伸能力和耐磨性，最大變形系數(shù)不應超過10%，并在頂進管道處安裝橡膠板，以形成一個類似逆向止水閥的裝置。止水環(huán)安裝完成之后，和混凝土墻體的接觸位置，要封堵一層水泥砂漿[7]。在使用中，結(jié)合施工現(xiàn)場實際情況和洞門周圍地質(zhì)環(huán)境，分析洞口漏泥、滲水發(fā)生的可能性，內(nèi)部安裝一臺排污泵，制定對應的處理方案。

3.6 頂管接口施工

管節(jié)接口連接是保證頂管施工質(zhì)量和效率的關(guān)鍵，為保證兩節(jié)頂管連接的緊密性，在具體連接之前，需要在接口位置放置一塊厚度不小于20 mm的木質(zhì)襯墊，其內(nèi)徑要大于頂管內(nèi)徑12 mm。頂管連接的縫隙，要用聚氨酯進行密封，以免發(fā)生滲漏問題，具體做法見圖6。

圖6 管道接口處做法詳圖(mm)

管節(jié)安裝時，承口工作面及橡膠圈表面連接位置需要涂抹一層潤滑劑，完成安裝后，及時放松外力，控制管節(jié)的最大回彈量不超過10 mm，確保橡膠圈一直在承插口工作面上，橡膠圈不能扭曲、外露，承插口不存在開裂、扭曲等不良現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)有翻轉(zhuǎn)、位移等現(xiàn)象，應拔出重新粘貼和插入。

3.7 管線交叉段施工方法

為保證管線交叉段施工質(zhì)量，本工程在此段施工中，采取了信息化施工技術(shù)，嚴格監(jiān)控燃氣管道的沉降是否達到或超過安全保護標準，嚴格控制頂管頂進時按地層損失率小于等于1%控制地面沉降，管道附加沉降或隆起量小于等于10 mm，警戒值為5 mm。沿軸線在頂管前面，布設沉降變形監(jiān)測點，實時觀測頂管施工的沉降情況，沉降監(jiān)測結(jié)果及時反饋給監(jiān)理單位，以便及時優(yōu)化施工參數(shù)，更好地保障施工質(zhì)量和施工安全。在頂管穿越過程中，減緩推進速度，控制好頂管掘進機方向，避免出現(xiàn)不必要的偏差，持續(xù)推進，減少掘進停頓次數(shù)。待頂管穿越后，必須對現(xiàn)狀燃氣管道繼續(xù)進行跟蹤監(jiān)測直至其變形趨于穩(wěn)定[8]。

3.8 特殊情況下燃氣管道的質(zhì)量保護

頂管施工過程中要嚴格把控土壓力環(huán)節(jié)，同時這也是保護地下管線最重要的措施。如果土壓力太高，土體便會隆起，土壓力太低，地面又會沉陷。針對土質(zhì)變硬的情況，可采取土倉內(nèi)加水或加泥漿的措施。

按照地質(zhì)條件，一般壓漿量控制在計算值的150%～200%。工程主要在粉質(zhì)黏土夾粉土中頂進，局部穿越填土層，取160%控制注漿量，注漿壓力控制在0.2～0.3 MPa。

案例工程每米管道理論注漿量計算式為

V=πDwtL=3.14×2.88×0.020×1=0.18 m3，可以滿足要求。

對于土質(zhì)變軟的地段，使機頭和管子連成一個整體，增加剛性，避免沉陷，同時在機頭注漿固結(jié)土體[9]。最后在頂管施工過程中控制好土體的沉降和位移的監(jiān)測，及時合理調(diào)整設定土壓力。

4 結(jié) 論

綜上，本頂進工程采用泥水平衡式頂管穿越方案施工，按照預定工期順利完成任務，且質(zhì)量驗收合格。因在施工過程中排除淤泥，同時加入了高壓旋噴樁施工技術(shù)加固土體，保證了施工質(zhì)量，未出現(xiàn)明顯的土體形變，沒有對周邊建筑及管線造成影響?？梢?，泥水平衡頂管頂進施工法配合高壓旋噴樁施工技術(shù)，適合施工環(huán)境復雜的淤泥質(zhì)土體環(huán)境，能夠在避免對周圍環(huán)境造成影響的情況下，順利完工，值得推廣。