潜埋暗挖与顶管复合技术在管道工程中的应用

王 怀 斌

(北京市自来水集团禹通市政工程有限公司，北京 100120)

随着城市的发展，城区内各类管道施工的难度逐渐增大，往常采用的大开挖技术由于城区内条件限制，使用越来越困难，非开挖施工技术应运而生。非开挖施工技术是指在不开挖、少开挖的条件下进行地下各类管网敷设、维修和更换的施工技术。主要应用于电力、通讯、市政管道在穿越高速公路、铁路、建筑物、河流、湖泊等既有区域的非破坏性施工技术。随着工程物探、计算机技术、岩土工程技术及新材料等技术的快速发展，非开挖技术也得到了进一步的发展。

1 常见非开挖管道施工技术介绍

非开挖施工技术的选择往往取决于管道的管径，大口径管道的铺设主要采用大直径顶管法、盾构法和潜埋暗挖法；小口径的管道铺设主要采用：微型隧道法、水平螺旋钻进法、定(导)向钻进法、夯管法等。本文主要介绍潜埋暗挖法、顶管法、定(导)向钻进铺管技术和盾构铺管法。

1.1 浅埋暗挖法

潜埋暗挖法是常用的隧道暗挖施工法的一种，采用人工或者机械按照预定的施工顺序逐步开挖隧道，并且进行隧道支护以保证人员安全以及工程质量。其常用的施工流程为：施工准备→确定施工方法→现场监控量测与初期支护→防水设施或防水隔离层→二次衬砌或喷锚衬砌→竣工。

1.2 顶管法

顶管施工法的工作原理为：在预先开挖的工作井内设置主千斤顶、配置支座，施工作业面前段为工具管，需铺设的管道设置在工具管后端，采用主千斤顶推动下工具管向土层内掘进，掘出产生的泥土以泥浆的形式通过泥浆泵经管道排出(亦可采用螺旋泵)，每当推进一节管道后，主千斤顶撤回，进行另一节管道的下管，继续第一步工作，如此往复，直至管道铺设完毕。

其常见施工流程为：施工测量→工作井施工→顶进设备安装调试→吊装管道→工具管连接→装顶铁→开启油泵顶进→出土(出泥)→拆工具管→砌检查井。

顶管法的主要工作任务有顶进方法的选择、工作坑的布置与施工、管道顶进、顶管接口处理和管道压浆。

1.3 定(导)向钻进铺管技术

水平定向钻施工方法是根据现场实际情况规划设计的管道轨迹上通过导向钻进、扩孔、拉管等工艺过程在不开挖地表的前提下，将管道敷设在既定位置的非开挖施工方法，施工机械主要为定向钻机，线性控制主要设为控向仪器。

其基本工作原理为：按预先设定的地下铺管轨迹采用钻孔机钻设小口径先导孔，随后在先导孔出口端的钻杆头部安装扩孔器回拉扩孔，当孔洞尺寸达到设计直径时，在扩孔器的后端连接旋转接头、拉管头和管线，反方向进行回拉管线，最终完成敷设任务。主要施工顺序为：地质勘探→规划和设计钻孔轨迹→配制钻液→钻先导孔→回拉扩孔→回拉铺管→管端处理。

1.4 盾构铺管法

盾构法是近年来发展迅速的一种施工技术，广泛应用于地铁、管网施工中，主要设备为盾构机，盾构机前端为刀盘，通过刀盘旋转切削与之接触的土壤，形成钻屑，在钻屑中加入适量的液体形成泥浆，通过输泥设备送到地面。机头前进时，机后预留的空间可以将提前预制的混凝土衬砌管片拼装成环状形成隧道衬砌结构。当前，也有大口径管道工程使用盾构技术，即采用盾构法进行隧道施工，隧道施工完成后，敷设管道，管道与隧道间的孔隙进行注浆，组成完整的管道系统。

2 复合施工工艺介绍

2.1 工程概述

本工程位于已建再生水厂内部，土质为黏质土，周边为水处理构筑物，不具备大开挖进行管道施工的条件，且一旦管网施工不当，可能对周边构筑物和管道产生破坏性影响。经技术经济比较，选择潜埋暗挖与顶管法复合施工技术进行施工。

2.2 施工工艺

根据前文所述工艺及工程特点，将两种施工工艺进行对比便会发现若采用顶管顶进的混凝土管道作为潜埋暗挖法作业的二次衬砌，并在一次衬砌和二次衬砌间注入防水材料形成防水隔离层，可以使管道周围形成一层闭合的防水层，以达到地下管道防渗漏的目的，并且喷锚暗挖施工时对周围土体的加固和一次衬砌又能使管网施工时的工作面稳定，从而保证施工人员和管网的安全。在施工过程中，先采用潜埋暗挖法进行隧道内土体施工，在完成一次衬砌后，采用顶管法将管道敷设于隧道内，并在一次衬砌和管道间注入防水材料，形成稳定可靠的管道复合结构。

3 施工方法

3.1 周围土体加固及一次衬砌施工

1)超前小导管注浆对周围土体加固。在土体开挖前，需对周围土体进行注浆加固，加固流程如图1所示。

2)隧道内土方开挖。结合本次管道施工的特点，土方开挖选择短台阶法人工进行挖方，隧道土体上台阶开挖高度受圆形格栅拼装面位置和人员操作空间约束。其工艺流程如图2所示。

施工过程的注意事项：a.隧道出土前首先确认已注浆加固的拱部土体的稳定状况；b.开挖过程中应严格遵循“管超前，严注浆，短开挖，强支护，勤量测，快封闭”的十八字方针；c.隧道开挖过程，通过监控量测发现变形较大或出现局部坍塌时，要立即停止开挖，采用掌子面注浆、打锁脚锚杆、密排格栅就位等措施来解决。

3)一次衬砌施工。一次衬砌采用净空2.6 m圆形钢筋混凝土锚喷结构，其结构为钢格栅(纵向连接筋)+钢筋网片+喷射混凝结构。喷射混凝土的粗细骨料、水泥、速凝剂等进行进场检验并对水泥和速凝剂进行速凝效果检验，要求初凝时间不大于5 min，终凝时间不大于10 min。喷射混凝土的顺序为：

a.按“送风→开机→给料→待料喷完后方可停风”的顺序进行；

b.覆盖面混凝土层在开挖面暴露后立即进行；

c.钢架、网片等安装完成后，先喷钢架处，然后喷钢架之间的混凝土，直至喷够设计厚度，将钢架完全覆盖2 cm以上。现场可用肉眼观察和锤击法进行检查。

3.2 顶管法施作二次衬砌

施工复合法施工时，管道作为喷锚暗挖的二次衬砌，提高了二次衬砌的整体性，同时使管道周围土体加固并施作防水隔离层，使污水管在运行时更加稳定可靠。喷锚暗挖施工挖除了隧道内土体，使管道顶进阻力减少，同时不用使用泥浆护壁，提高了顶管施工的效率。顶管施工最主要的控制内容为：顶力计算、顶进速度的控制。

1)顶力计算。顶管段顶进距离较短，通常确定机械顶管总顶力，使用经验计算公式(1)：

P=NGL

(1)

其中，P为总顶力，m；G为单位长度管体自重,kN/m；N为土质系数，本工程在隧道内取1.5；L为顶距，m。

本次施工使用DN1 950 mm的混凝土管每节长为2 m，管重为3 690 kg/m，顶距L=11 m,则预测总顶力为：P=NGL=1.5×3 690×10×11=609 kN。

2)轨距计算。采用2根50 t顶镐，借用新建4 m高检查井(待强度达到100%)作为顶管后背。导轨选用重型钢轨(32 kg)，两钢轨净距按式(2)计算：

(2)

其中,A为导轨间距；D为管材外径(2 400)；e为导轨距管道外壁净距，取2 cm；h为导轨高程,取15 cm。

代入相关数据，得到本次施工导轨间距的计算值为1 072 mm。

3)二次衬砌后背注浆。二衬背后注浆管布置在拱顶及两侧，每断面3根，纵向间距6.0 m。回填注浆材料选用水灰比为1∶0.4～1∶0.5的水泥浆，并在水泥中添加2%～3%MgO微膨胀剂。回填注浆设备与超前小导管注浆设备相同。进浆量应小于50 L/min，注浆压力根据实际情况确定，一般为0.3 MPa，达到或接近设计终压后稳压10 min。

4)顶进速度。顶管施工时的顶进速度宜控制在30 mm/min～50 mm/min，入洞后的前5米以及纠偏时用较低速度，以后视管道顶进时现场的情况适当加快顶进速度。

4 结语

本文根据工程特点，选取潜埋暗挖与顶管法复合施工技术进行管道工程施工，通过工程实践的检验，使用该施工方法可以同时发挥两种施工方法的优点。此施工工艺在场地受限的条件下，对管道进行施工时，既能保证管道周围土体的稳定，又能在管道周围施作防水隔离层，避免了单独采用顶管法施工时接口处容易出现地下水渗漏等问题，同时采用潜埋暗挖法施作的一次衬砌形成闭合钢筋混凝土保护层，可以有效的防止高压地下水等不利因素对管道的冲击。可对其他类似工程有借鉴意义。