市政排水工程手掘式顶管施工技术研究与应用

张 冕 王 飞

(中国水利水电第十一工程局有限公司,河南 郑州 450001)

1 工程概况

拟改建工程位于武汉市青山区某公园，该公园为武汉市的主要公园，其内绿树成荫、鸟语花香，是青山区人民休闲的主要场所。根据武汉市政府要求，在公园西大门靠北向东修建雨水箱涵，原有一雨水d=1 800 mm管涵(埋深为4 m)在某段与新建箱涵重叠，共371 m，工程施工前，需保持该管道排水畅通，因此该段雨水管涵需改迁。改迁后的雨水管为临时性工程，管径仍为1.8 m，运行一个汛期，新建的排水箱涵建成投入运行后，该雨水管就另行作废。公园为人们休闲娱乐场所，采用明挖法施工破坏了植被，影响了城市生态环境，增大了开挖量，且于新建的雨水箱涵施工干扰严重；而采用顶管法则减少了地表占用面积，保护了地表植被，减少了对环境的破坏。

2 手掘式顶管施工方法

2.1 工艺流程

测量定位放线→机械开挖土方至地面以下1 m→人工挖刃脚土方→人工夯实基底→浇筑混凝土垫层→扎刃脚及井室钢筋→立模→浇筑混凝土(一次)→沉井下沉→扎井壁钢筋→立模→浇筑井壁混凝土(二次)→沉井下沉到位→清底及垫层混凝土浇筑→扎封底钢筋→浇封底混凝土→顶管→流槽及井内设施施工。

2.2 沉井施工

1)基础开挖及垫层。

在混凝土灌注时，为了防止不均匀沉降的出现，需要在机械设备的帮助下，向地面下方开挖1 m左右的距离。沿刃脚轴线2.5 m范围内开挖原状地基夯实，并浇筑10 cm厚C15混凝土垫层。

2)刃脚制作。

木模进行刃脚制作,模板上涂刷隔离剂,刃脚的内侧构造复杂，需精心制作。

3)模板工程。

模板工程的对拉螺栓的间距、模板的数量经计算确定,脚手架井室内搭设满堂红脚手架，井室外搭设双排脚手架，为确保脚手架整体稳定性设置水平和竖向剪刀撑，井室模板加固采用止水对拉螺杆。

4)混凝土浇筑。

沉井施工按二次浇筑，二次下沉施工，施工缝采用中埋式橡胶止水带。

沉井预留洞口设橡胶止水条。沉井预留洞口在下沉前用红砖进行封堵，封堵厚度同井室壁厚，封堵完成后采用M7.5水泥防水砂浆抹面。

当结束沉井混凝土浇筑，并将模具拆下后，需要打磨外壁，并为了缓解沉井在下沉时所存在的摩擦力，需要将一层润滑油涂抹其中。

5)沉井下沉。

通过沉井重力作用，使其下沉至图纸中的标高。随后，利用人工与机械配合的方式来进行挖土下沉。其中，鉴于地下水位低于沉井底标高，所以基坑降水可不做要求。

在沉井挖土时，需要保持对称均匀，并且需要以中心为圆点，向四周进行开挖。此外，在挖土过程中，每层的挖土厚度控制在40 cm左右，并在沉井下沉过程中，将垂线与观测点设置在周围，以便在下沉过程中可以有效的实施监测，有助于第一时间修正扭曲与偏移等情况。

按照“多沉少挖，少沉多挖”的原则来实施纠偏作业，逐步扩大刃脚下的挖土，切记不可一次掏空，避免纠偏利用大量挖土来实现，同时按照测量数据来实施纠偏作业，做到发现偏差，及时纠正。另外，如果偏斜值为要求值的25%，便需要实施纠偏作业，同时对下沉全过程进行勤测、勤纠、缓纠。

当下沉达到图纸标高位置1 m处后，需要对下沉速度加以控制，当与图纸标高距离30 cm时，便需要停止开挖作业，同时对沉井在此时的速度进行监测，保证沉井可达到图纸所要求的标高范围内，少量欠挖采用人工掏土。

6)沉井封底。

沉井下沉至设计标高后，清除基底杂物，等待沉井8 h自沉累计不大于10 mm时即可进行封底。封底时先对基底进行人工夯实，再铺筑20 cm厚碎石垫层并采用手动夯实。垫层上部浇筑20 cm厚C20素垫层混凝土，最后浇筑30 cm厚C30钢筋混凝土底板混凝土，其中底板与井壁接触部位进行凿毛处理，保证新老混凝土接触良好。

2.3 顶管施工

1)工艺流程。

测量放样→井下导轨机架、液压系统、止水圈等设备安装→靠背混凝土浇筑→工具管吊装安装→预留孔封头拆除→工具管顶出工作井→正常顶进→顶进过程偏差调整→工具管顶进接收井。

2)测量放样定位。

起初，向两个沉井周边将测量控制点的引线接入，同时复核预留孔在工作井与接收井中的中心轴线。

3)导轨安装见图1。

两根导轨的内距按下列公式计算如下：

A0=A+a。

A=2(D-h+e)(h-e)。

其中，A0为两导轨中距，mm;A为两导轨上部的净距,mm;a为导轨的上顶宽度,mm;D为管外径,mm;h为导轨高度,mm;e为井外底距底板的距离,一般为200 mm～300 mm。

基础混凝土达到1.2 MPa，在基础预埋件上安装导轨，与预埋件焊接牢固，导轨外侧焊加肋，导轨布放直顺、平整，导轨的两根型钢的平行度安装误差控制在±2 mm内，导轨型钢后背焊接为整体，保证垂直度。

4)主顶液压系统。

液压系统采用日产Rrc—10EC型液压系统，使用100 t油缸4个,行程为1.1 m,最大推动力为400 t。根据工作井所处位置地质的承载力数据分析工作井满足顶进要求。顶管采用φ1 800 mm顶进阻力计算公式如下:

推力计算F=Fo+f×S×L。

Fo=(Pe+Pw)×(Bc/2)2×π。

F=0.2+0.3×(G/100)2+2.7×(G/100)×m2。

其中，F为总推力,t;Fo为初抵抗力,t;S为管外周，m；L为推延长，m；Pe为切削单位推进力，t/m2。

Fe=0.4×击力。

其中，Pe为切削室内的泥水压力。

Fw=地下水压+0.2。

其中，Bc为顶管机外径,m;R为管外周抵抗力,t/m2;G为砂粒，%;M取大粒径/管外径。

管节顶进时正面阻力的计算式为:

Pe=0.4×N=0.4×10=4 t/m2(按土压平衡式顶管顶进阻力估算)。

Pw=地下水压=0.2 kg/cm2=(0+2.4/2-2.00)+2=1.2 t/m2。

Fo=(Pe+Pw)×(Bc/2)2×π=11.2 t。

每米顶管直线顶进时周边阻力计算式为:

R=0.2+0.3×(G/100)2+2.7×(G/100)×

m2=0.2+0.3×(0/100)2+2.7×(0/100)×(0/2 400)2=0.2。

f=R×S=0.86 t/m。

顶进阻力:F=Fo+F×L。

根据以上公式计算(最大覆土约为2 m),得出φ1 800预制混凝土顶管顶进过程中最大顶进阻力约为288 t。

5)机头安装。

此次采用φ1 800 mm,高960 mm，钢质机头吊装在导轨与进洞口轴线、高程吻合。

6)管材的选用。

本次顶管段采用“F”型钢筋混凝土顶管专用管，接口采用橡胶垫片，是一种埋入式的厚壁管,它一端有一个凹形接口、钢环套、夹垫圈,另一端为一个凸接口、密封圈。一个永久密封的管接口可在两者连接为一体后形成。另外，将蜡涂刷在管道外表面，可以降低表面的摩擦力，有助于其顺利的穿越土层，同时为了缓解局部挤压所造成的压力差，可以在其中设置夹垫圈，并且对彼此管端间所存在的负荷起到一定缓冲的作用。

7)管道顶进。

在下管过程中，禁止坑内存在作业人员。其中，当与导轨距离小于0.5 m后，作业人员便可继续工作。管子到达指定位置后，可将第一节管子放置在轨道中，并对管子的中心、两端以及高程等参数进行测量，待对安装是否合格进行确认后，方可将管子进行顶进作业。在顶进过程中，应注意放慢顶进速度，确保所有接触面均紧密结合后方可按照设计速度进行顶进作业，并注意顶进施工需保证连续顶进。首管顶进时测量间隔不超过30 cm，正常顶进时测量间隔不应超过1 m。顶管掘进接触或切入土层后，应在机头内自上而下分层开挖，避免正面坍塌，顶进时昼夜两班不间断施工。

8)顶管进洞技术措施。

为防止工具管进洞时机头下沉,采取机头固定措施。

在开始顶进前，需将一道环形橡胶止水圈放置在洞口，以便减少润滑浆液的流失，有助于降低顶进的阻力。

对可能存在洞口漏水与漏泥等情况进行分析，并将一定数量的排污泵设置其中，以备不时之需。此外，为了避免机头下沉情况出现，保证顶进的可靠性，需要将加固措施设置在机头部位，同时用拉杆将机头连接，并用手拉葫芦在导轨中拉紧，确保机头可在导轨方向中顶进。待工具管顶进结束后，将第一管节吊放并进行拼接，随后将工具管辅助设备安装在工具管的后管节内。

顶进前管材外壁需涂石蜡处理。一般来说，管节的顶进与工具管头进洞后的姿态、轴线方向有着密切联系，所以在进行顶进作业时，前三节管子需要与机头彼此连接，同时用拉杆将机头位置固定，避免出现下沉。在顶进过程中，油缸的纠偏可在激光点的帮助下来实现，确保将其控制在轴线范围中。对于纠偏角度来讲，每次的纠偏度数不能大于1°，同时按照“先上下,再左右”的原则进行纠偏，避免大幅度纠偏机头而导致顶进困难情况的出现。

在顶管过程中，对土压平衡值需要及时调整，并将坡度控制在相对合理的范围内，有助于降低土体扰动对顶进工作的影响。另外，以顶进速度为参照，对地层变形的信息数据进行控制，以此来对注浆量与注浆压力进行调节，确保将地层变形与轴线保持在合理的范围内。

在顶进时，将一定的润滑泥浆注入到管节外壁中，以此来降低与土体的摩擦阻力。与此同时，润滑泥浆通常采用性能稳定的触变泥浆，并且确保其不出现失水、固结与沉淀，同时根据实际情况调整泥浆的配比，有助于顶进工作可以顺利完成。

压浆可通过压浆孔球阀得到控制，并且为了及时对压浆压力进行调控，需要将压力表安装在地面压浆的出口位置。

9)顶管进接收井阶段技术措施。

a.顶管机出洞前洞口土体加固。

为了确保接收井中可以顺利的完成工具管的进入，需要采取措施避免接收井内涌入工具管出洞后的土体，以便井中接头可以顺利实现。此外，当施工现场地质存在较差的情况时，可在接收井进入工具管前，通过注浆的方式来对洞口土体进行加固，并注意对加固的具体位置进行合理的布设。

b.顶管机状态的复核测量。

为了保证工具管可以精准的进入到接收井中，需要对顶管机的位置进行测量，同时对顶管状态进行确认，以便施工方案与施工轴线等可以获得准确的评估，从而保证施工可以在既定方案下得以顺利实施。

c.凿除砖墙。

在工具管快要进入接收井时，将接收井预留洞封堵砖墙凿除，以免损坏工具管。

d.顶管机进接收井。

待破坏接收井砖墙封门后，应及时将管节顶进，以便将出洞时间尽量缩短。同时，机头和混凝土管节可在工具管整体进洞后加以快速分离，并按照图纸要求来处理管节与接收井的接头，防止水土出现大量流失。

3 新技术的应用

3.1 工具管稳定进土准备工作

用主顶油缸把手掘式工具管放在安装牢靠的基坑导轨上，其与第一节混凝土输水管及后续管连接在一起。当工具管进入洞口止水圈后，就可以从工具管内将原来用砖墙封堵的预留孔洞破洞，将洞口的砖一块块取出。

3.2 工具管初始进洞技术

工具管在进洞前，需要用水平尺对其顶部的水平状态进行检测，确保其与导轨保持一致。如工具管水平状态存在偏差，则必须重新进行工具管的顶进作业，并对存在偏差的原因加以查明。

3.3 纠偏措施

在初始顶进过程中，应特别加强测量工作。如果存在偏差，则可通过挖土来予以调节。与此同时，通过运用多种测量方式来进行测量，并将测量结果收集起来进行综合性的分析。此外，尽量在初始顶进作业期间避免反复多次使用纠偏油缸完成校正工作，同时保证在正常情况下，油缸可对左右、高低的准确性进行有效的控制。

3.4 注浆减阻注意事项

在利用手掘式顶管进行注浆作业时，注浆孔不得设在工具管内，并且第一环注浆孔在工具管后的第一节管子中。与此同时，由于注浆压力较大，导致工具管前的挖掘面会出现漏液问题，影响注浆效果，则截止阀可以在第一节注浆管中设置，以方便对此加以开启与关闭，以此来提升注浆质量。

3.5 预防措施

手掘式顶管是一种开敞式的顶管工艺，要预防地下存在有毒和有害气体，顶进过程中要加强顶管内空气质量检测。还要制定坍塌应急预案，对于地下水位较高的区域最好采用井点降水。

4 结语

通过对武汉某排水系统改建工程的手掘式顶管施工技术的研究与应用，可以减少地表占用面积，保护地表植被，减少了对周围环境的破坏，不受浅埋地下土层各类复杂管线的影响，可以有效预防和排除障碍，具有一定的推广应用价值。