大口径混凝土管道机械前导钢护筒顶管施工技术

夏梓桐 （中铁四局集团第五工程有限公司，江西 九江 332000）

0 前言

南宁市那平江流域治理工程（一期）河道治理工程分析范围为那平江河主河道和支流，重点治理区域为那平江河道中游段三塘镇和下游段仙葫片区。最终确定该项目主要目的为采取相关工程措施，消除黑臭水体，达到污水不排河、雨季限溢流和内源污染受控制的效果，满足市考核要求。本工程主要施工范围内新建截留污水管线和调蓄池进出水管线总长L=38766m，管径为D200～D2800mm，多采用顶管施工，目前在管道掘进过程中，有人工顶管和机械顶管两种方式，存在地区差异性明显、水平参差不齐、缺乏规范性管理等问题，有待进一步优化。目前管道掘进主要依赖人工顶管为主，掘进速度缓慢，并且存在极大的安全风险，造成直接经济损失，甚至引发安全事故。随着社会的进步，技术的发展，机械顶管慢慢进入我们视线之中，大大提高了掘进的速度，并提升了施工过程中的安全，但是机械顶管存在费用较高的问题，一些中小型项目也只能望而却步，无法实现广泛的应用。基于以上背景，本论文提出一种大口径混凝土管道机械前导钢护筒顶管施工技术，结合机械顶管安全系数高和人工顶管单价低的特点，能够有效保证施工效率，降低施工成本，节省人力物力的消耗，保证效益。以下就对该施工技术的施工步序、关键技术要点等进行详细阐述，以期对今后同类型建设项目提供技术借鉴。

1 依托工程概况

南宁市那平江是邕江水系的内陆支流，北起罗伞岭水库，南至南宁市仙湖汇入邕江。多年来，随着南宁市经济、人口的快速发展，那平江成了沿河企业、居民的排污通道，河道不通、水质恶化，环境脏、乱、差。

那平江由主河道、主河道右支流、主河道左支流、支流1、支流2、支流3、支流4及支流5组成，其中主河道长27.521km，支流河道长44.577km，总长约72.098km。本工程整治重点区域为那平江河道中游段三塘镇和下游段仙葫片区。主要工程内容包括清淤工程、截污管道工程、调蓄池工程、一体化泵站工程。其中管道工程中D2800mm机械顶管管道位于那平江河岸边右侧，管线线路大致呈现圆弧状，圆弧半径达180m，根据地勘报告及现场工作井开挖地质情况，该段管段大部分处于黏土层中，土颗粒细腻，粘聚力低，内摩擦角数值小，遇水后易塌方，且管道埋深较深，施工周期长，难度大，可供参考的类似工程经验较少。

2 目的

大口径混凝土管道机械前导钢护筒顶管施工技术主要是对大口径混凝土管道顶管施工传统施工工艺的优化，结合机械顶管安全系数高和人工顶管单价低的特点，解决了传统施工工艺耗时长、效率低、人力物力消耗大等效益问题。为国内大口径混凝土管道施工的质量控制及工程效益提升提供借鉴。

3 思路

3.1 发现问题

该段顶管地质条件差，按照设计采用常规泥水平衡机械顶管施工方法在安全和进度方面均有保障。根据项目清单“Ⅲ级d2800mm钢筋砼钢承口管顶进”单价为10856元/m，而对应市场单价为8000元/m（此单价仅对应单次顶进管段小于60m，需频繁吊装顶管机）。若不优化施工方案，根据单价，加上项目其他开销，存在亏损风险。若采用传统人工顶管，大口径管道在不良地质条件下，很难保证作业人员安全。

3.2 原因分析

①D2800mm机械顶管市场分析

D2800mm管道泥水平衡顶管机生产厂家相对较少，涉及大口径混凝土管道的市政顶管项目相对较少，从而机械厂家和具备施工能力的协作队伍在该领域竞争少，单价高。项目部很难从竞争性谈判中获得好的施工工艺和良好的单价。

②人工顶管技术分析

目前，常规顶管施工主要分机械顶管和人工顶管。传统人工顶管依靠人工在管道中对掌子面进行挖掘，每掘进适当长度，通过工作井中设置的油顶对末端管道进行顶推以达到顶管效果。管道尺寸口径越大，人工挖掘掌子面遇到塌方事故风险越高，且作业时间长，掌子面顶部塌方若没有管道及时顶进支撑，易造成持续塌方，从而反映至地面上，出现地面下沉的现象。

若不能采用传统机械顶管和人工顶管，则必须采用新型的第三种顶管方式。

3.3 制定对策

针对在工艺方面出现的质量问题及问题分析结果，制定相应的对策如下：

结合机械顶管安全系数高和人工顶管单价低的特点，创新性地采用“机械前导钢护筒顶管施工方法”。

3.4 对策实施

对策制定完成，进入对策的实施阶段，分析对比，过程调整，将创新实践的效果进行总结，形成成果。

4 大口径混凝土管道机械前导钢护筒顶管施工技术优点

①成本较泥水平衡顶管机低，有效控制成本，保证效益。

②前导钢护筒预先插入软弱掌子面，对掌子面1m具有支护作用，防止掌子面持续性塌方。

工艺经济效益、时间效益对比表

③利用扒沙机对掌子面进行开挖，避免人工直接开挖造成的安全事故，同时，提高掘进速度。

④钢护筒配置机械油顶，有效调整轴线，控制管道顶进方向，保证管道顺直。

5 工艺原理

①在人工顶管施工工艺的基础上，在顶管管道顶端增加机械前导钢护筒，其结构大样图如图1所示。通过管道后方油顶将管道和前端钢护筒向管道前进方向顶推，至钢导管前端顶紧掌子面，再通过钢护筒中油顶使钢护筒前端1m部分预先插入软弱土层，提前利用钢护筒对掌子面顶部进行防护。

图1 机械前导钢护筒结构大样

②钢护筒插入掌子面土层后，利用扒沙机对掌子面进行开挖，开挖长度50cm，新鲜掌子面后仍有50cm在钢护筒的防护下。再由后方油顶和钢护筒油顶配合顶推50cm，使钢护筒前端插入掌子面土层1m，然后开挖。

③具体操作示意图如图2所示，如此①、②循环，完成顶管施工。利用钢护筒上固定设置的4台油顶，调整管道顶进方向，达到纠偏效果。油顶行程端与混凝土管道一端靠紧，通过微调4个油顶行程，使整体管道轴线与钢护筒轴线形成微小角度，继而调整钢护筒的导向。

图2 顶管系统操作示意图

6 施工技术主要步序

①测量定位管道顶进方向以及高程；

②安装装配式后背墙，调整机械油顶以及轨道轴心方向及坡度；

③安装机械前导钢护筒并调整机械油顶方向及轴心位置，机械前导钢护筒实样如图3所示；

图3 机械前导钢护筒实样

④利用龙门吊下放管道并调整方向及高度，使其与后背墙处机械油顶以及机械前导钢护筒内部机械油顶处于同一轴心位置；

⑤开启后背墙处机械油顶电机，使机械油顶或已完成的管道、下放管道、机械前导钢护筒三者紧密接触，再关闭后背墙处机械油顶电机，过程中必须确保三者始终与轨道处于同一轴线上；

⑥开启机械前导钢护筒内部机械油顶电机，将机械前导钢护筒顶进土层50cm，关闭机械前导钢护筒内部机械油顶电机，由履带式立爪装载机（俗称“扒沙机”）将掌子面处土体挖出，经牵引小车运出至土斗，并由龙门吊吊出。作业掌子面实景及扒沙机管内作业实景如图4图5所示；

图4 作业掌子面实景

图5 扒沙机管内作业实景

⑦清理完毕机械前导钢护筒内部土体后，开启后背墙处机械油顶电机，将管道顶进50cm；

⑧重复步骤④、⑤、⑥、⑦直至将管道顺利顶通。

7 取得效果

大口径混凝土管道机械前导钢护筒顶管施工技术方案成功应用于管道工程中D2800顶管施工，该工程中D2800管道长度为900m，埋深为9～12m，该段管线大部分处于粉质黏土层中，土颗粒细腻，粘聚力低，内摩擦角数值小，掘进过程中掌子面塌方严重，给施工带来极大安全隐患。一种大口径混凝土管道机械前导钢护筒顶管施工方法的应用，很好的解决的这一难题。

实施效果良好，管道顺利顶进，轴线控制进度高，有效控制成本，增加效益，具体经济效益、时间效益对见上表。

8 结语

大口径混凝土管道机械前导钢护筒顶管施工技术方案的应用有效的控制不良地质条件下围岩塌方现象，保证掘进过程中施工人员的安全；提高掘进以及出土效率，从而达到提高功效的作用；在施工工序以及机械方面进行优化，在保障安全以及质量前提下大大节约经济成本等优势，具有较高的推广应用价值，为国内地下顶管施工的成本控制及工程效益提升提供借鉴。