复杂条件下市政道路工程污水管网暗挖顶进施工技术

2013-09-10姚旭君

四川水力发电 2013年5期

姚旭君

(中国水利水电第七工程局有限公司一分局，四川彭山 620860)

1 工程概述

某市政道路工程位于成都市天府新区范围内，该市政道路工程为城市快速道路，设计线路全长18.9km，设计道路红线宽度60m，其路幅组成:3.5m人行道+10.5m辅道+5m分隔带+22m主车+5m分隔带+10.5m辅道+3.5m人行道。其中K0+900～K1+350段排水工程设计污水管为D1000，埋深13～15m。根据该段地勘资料，该地层主要为中等风化的砂质泥岩，岩石硬度较大;同时，该段道路两侧均为高档住宅小区，紧邻道路红线，根本无法采用大面沟槽爆破施工。若采用冲击破碎锤进行槽挖施工，不仅施工难度较大，而且沟槽施工进度和回填质量均无法保证。因此，对该段污水管网采用暗挖顶进施工技术。

2 施工工艺流程

施工准备→测量放线→工作坑施工→设备安装→顶进施工→测量纠偏→下节管道吊装→管道贯通→管周注浆→检查井砌筑→井坑回填。

3 暗挖顶进施工

对工作坑施工、设备安装及顶进施工3个施工关键技术进行了叙述。

3.1 工作坑施工

施工均考虑利用污水管检查井作为工作井和接收井，工作井设计尺寸为5m×5m正方形操作面。

3.1.1 工作井开挖

由于工作井基坑深度大、周边施工条件复杂，最终采用人工配合旋挖钻进行开挖。场平完成后，根据工作井的中心坐标定出基坑中心桩、纵横轴线控制桩及基坑开挖边线。首先采用扭矩为240kN·m、额定功率300kW的大型旋挖钻机按照工作井设计尺寸依次连续造孔。钻孔深度低于污水管底部0.5m。为保证成井质量，钻孔直径为:周边孔1～1.5m，中孔为2m。采用旋挖钻成型后，工作井基坑实际尺寸略大于设计尺寸，满足工作井净空尺寸的要求。同时，采用人工对井坑周边遗留棱角及遗留岩柱进行处理。

3.1.2 工作井支护

基坑开挖完成后，为保证基坑边坡稳定，确保其能够抵抗岩石风化、雨水及地下渗水冲刷，对整个基坑周边及孔口1.5m方位进行喷锚支护。对井口及井口以下3m部位进行加强锁口:采用长2.5m、间距 1.5m ×1.5m 的 φ22 钢筋锚杆、100 mm×100mm的φ6钢筋网挂网及喷护厚度为10 cm的C25混凝土联合支护。井周3m以下部位风化砂质泥岩层相对比较稳定，采用素喷厚度为8～10cm的C25混凝土进行支护。

3.1.3 后背墙设计

后背墙是千斤顶的支承结构，后背墙必须有足够的强度且表面平整，本工程采用的后背墙构造如下:贴井壁垂直浇筑一层薄壁找平混凝土，混凝土采用C30混凝土现浇，宽2.5m，高2.5m，厚0.3m。在千斤顶作用点的位置预埋厚度为30 mm、尺寸为 1.5m ×1.5m 的钢板。

3.1.4 井坑基础处理及排水

本工程工作井基坑底板采用厚度为15cm的C15混凝土进行找平。工作井基础周围设尺寸为30cm×30cm的排水明沟，基坑一角设一个尺寸为100cm×100cm的集水井，使用水泵将基坑内的水抽排出坑外，集水井顶部设置井篦，防止人员失足受伤。

3.1.5 安全防护

为保证施工安全，在距离基坑开挖边线1m处设高1.2m的安全防护栏，防护栏用φ48钢管焊接。为防止基坑上部碎石掉落伤人，在栏杆底部设置高度为20cm的砖砌踢脚板，兼顾地表挡水。

为方便进出工作井，在直井段的井壁设置全封闭式爬梯，爬梯采用∠75mm×75mm×6mm角钢做骨架，梯步采用φ25螺纹钢筋与角钢骨架焊接牢固，梯步步高30cm，爬梯宽度为0.7m。

3.2 设备安装

3.2.1 旋臂吊安装

本工程采用最大起重量为500kg的旋臂吊。安装前，选好起吊位置，在该处浇筑厚度为30 cm、尺寸为4m×4m的C30混凝土操作平台，按旋臂吊位置埋设20mm厚钢板和地脚螺栓，同时分别在钢板位置分别设置4根长3.5m的φ25岩石锚杆并确保锚杆与钢板可靠焊接。

3.2.2 顶进设备安装

(1)导轨安装。

导轨安装是顶管施工中的一项重要工作，安装的准确与否直接影响管子的顶进质量，导轨材料选用18kg/m的轻型钢轨，导轨内距A按下式计算:

式中 D为待顶管外径，1.2m;h为导轨高，本工程用QU100导轨，高度为0.14m;e为管外壁与轨枕表面垂直净距，为0.01～0.03m，此处取值为 0.03m。

导轨安装前，首先由测量人员在基坑底板标定出管道中心线，并用水准仪将高程引测至边壁上，导轨吊装到位后，由测量人员实时监测导轨安装过程，严格保证导轨位置、坡比满足施工要求。导轨安装的允许偏差为:轴线位置小于3mm;顶面高程+3mm;两轨内距±2mm。调校合格后，使用道钉将导轨固定在方木基础的轨枕上。

(2)顶进设备安装。

采用300t螺旋千斤顶作为主顶，千斤顶行程为1.2m。千斤顶后端用方木和分压环将反力均匀作用于后背墙，前端顶进分压环(分压环制作与管端面接触相对平整，无变形)，顶铁将顶力传至管节。主顶安装与管道中心的垂线对称且两边等距，千斤顶坡度同污水管设计坡度，其合力的作用点应在管道中心的垂直线上。

3.3 顶进施工

3.3.1 顶进力计算

顶进力计算公式:

式中 Fp为顶进力，kN;Do为管道的外径，m;φ 1000混凝土管外径为1.2m;L为管道设计顶进长度，m;本工程最大顶进长度为42m;鉴于本工程管道外壁直接与导轨接触，不与顶洞岩壁发生接触或很少接触，因此，此处仅考虑管道与导轨的摩擦阻力，管道外壁与导轨的单位面积平均摩擦阻力通过下式计算:fk= μN=0.5 ×6.91=3.455 kN/m2。式中:μ为滑动摩擦系数;钢筋混凝土管道与导轨间滑动摩擦系数取值为0.5;N为管道单位面积正压力，N=mg=0.7056 ×9.8=6.91(kN);NF为顶管机迎面阻力;人工挖掘:NF=π(Dg－t)tR=146.95(kN);Dg为顶管机外径，m，本工程选1.036m;t为工具管刃角厚度，m，本工程选0.1m;R为挤压阻力，取300～500kN/m2，本处选最大值500kN/m2。

经计算，顶进力 Fp=693.7kN，约等于70.79 t。

本工程后座主要受力体为工作井井壁，工作井井壁为中等风化砂质泥岩。根据地勘资料，中等风化砂质泥岩天然抗压强度标准值为3.9MPa(3900kN/m2)，后座的土抗力R为3900×3.14×0.5182=6343.43(kN)，约合647t;R 应为总顶进力Fp的1.2～1.6倍。经过以上计算，反力R=647t＞总顶进力1.6Fp(1.6 ×70.79=113.26t)，后背墙的承载能力满足顶管施工要求。

本工程采用的设计顶管管道破坏荷载为0.0513kN/mm2。顶管时所用顶铁为22a工字钢，其与管道接触面积为0.11m×0.1m×2=0.022(m2)，则污水管单位面积承受荷载为693.7 kN ÷ 0.022m2=31531.82kN/m2=0.032kN/mm2。经上述计算可知，污水管承受的顶进荷载0.032kN/mm2＜0.0513kN/mm2，管道能够承受最大顶进42m时所施加的顶进荷载。

3.3.2 顶进施工

在顶管施工中，对管道施工精度要求特别高。施工必须严格按照设定的管道中心线和工作坑位建立地面与地下的测量控制系统。在井坑内测设至少2个导向点，顶管顶进时依靠导向点进行方向及坡度控制。同时，为满足顶管施工精度要求，在施工中使用激光经纬仪及水准仪对管道垂直方向及水平方向进行测控和校核。

本工程采用D1000顶管专用污水管，顶管段为中等风化砂质泥岩区域。为保证管道顺利顶进，顶洞开挖直径为1500mm，顶洞底部考虑需安装导轨，可做适当超挖(超挖约15cm)。顶洞采用直径为150～200mm金刚石直筒空心钻机取芯进行大面岩石开挖。由于顶洞空间狭小，通风不畅，因此，钻进过程中采取注水钻进，以避免产生大量粉尘。边角部位棱角、突起及遗留的岩柱采用风镐、镐头、冲击锤及手锤等进行处理，对于破碎下来的岩石，人工搬运或用短把锹装车，人工拖动运输斗车输送到管道以外的顶坑内，用设在顶坑上方的旋转臂卷扬机将土吊出井坑集中堆放。

本顶管段岩石情况较好，在人工开挖时，每次掘进10～15m(掘进长度可视岩石变化做出相应调整)后，再顶进一次。顶进过程中，随着管道延伸，在管道外侧四周设置4根φ25的注浆花管，以备后期管道与洞壁之间回填灌浆用。