地下管道工程顶管施工工法应用

王玲玲

（中铁二十二局集团第五工程有限公司,重庆 400700）

1 项目概述

河源市滨江大道为城市主干道施工,本次进行北段(科技三路至科技九路)道路工程改造,改造后的标准为双向6车道,本次施工路线全长为3km,红线宽度为52m。道路中心线处敷设新建污水主管道,设计管径D800mm,管道埋深58m,里程KO+050 至K1+550,该路段路基构成差异明显,主要是填筑土质地面,地面1.1 米以下为中、粗砂,1.1 米以上为粘土,不具备高度稳定性。

2 施工工法及技术要求

2.1 施工部署

滨江大道北段属于道路升级改造。道路施工必须在雨、污水管道施工完毕后进行,并尽快安排施工。根据现场实际情况,考虑分段、逐点的施工方法。管道施工采用顶管施工方法。滨江大道K0+033-k1+550 共有10 口工作井。施工采用两台泥水平衡顶管机。其中,1#顶管机以W39 为工作井的起始井,将其推向W35 方向→W31→W27→W23,2#顶管机以W19 为工作井,向W15 方向推进→W11→W7→W3。平均每天顶管20 米。地面设有操作室系统、泥浆池系统和环保车,用于泥浆沉淀后的运输和处理。

2.2 顶管施工流程与方法

顶管相关工作部署如下,每160m设计一个顶管工作井,各个顶管工作井中间设置顶管接收井用于接收,在工作井和接收井当中应设置顶管中间井。微型式掘进机由主顶的油缸沿轴线方向前行推进,掘进机的头部进入到止水环,穿过土壤层进入中间井。电机提供动力旋转切割刀盘,并通过切割刀盘进入土层。挖出的土壤在旋转切割刀盘中被粉碎,然后输送到泥浆舱,和泥浆相混合。之后由泥浆泵通过泥浆传输系统的泥浆排放管泵送到地面。当掘进机完全进入到土层面下,将第一节管材接头吊下,放置在掘进机尾套上,使其与掘进机头部形成连接。第一节管材接头顶入后,开挖停止,液压渐渐收回。另一节管材接头被吊放至导轨中,套在第一节管材接头后面,连接在一起并再次顶起。整个过程重复进行操作,直到所有管材被顶进土层内,形成一条永久性地下管道。

2.2.1 施工流程：测量放样出前置点→工作井开始施工→测量并放线→导轨架、液压系统、止水环等设施安装→地面辅助设施安装→顶管掘进机具吊装就位→激光经纬仪安装→掘进机启动进入土体→正常施工顶进作业→顶管机穿过土体进入接收井。

2.2.2 施工方法及技术要求

2.2.2.1 顶管机选型

选择满足使用条件的顶管机是完成项目施工的重要前提。结合现场实际需求选择地面遥控泥水平衡掘进机。根据管径要求,选用DN800 泥水平衡顶管机顶管设备。

2.2.2.2 配套设备

主要包括泥浆泵、基坑旁路、泥水管道系统、千斤顶、高压油泵、顶铁等。

2.2.2.3 测量控制

（1）测量放线定位：先是需要复核甲方提供的水准点、导线点等基础材料信息。经监理审批后,在沉井位置进行测量定位。并根据现场布置情况,选择临时轴线控制点和水准控制点的布置点位。合理设置前导墙和后座墙控制点。并在施工过程中对轴线每日进行测量,测量的主要内容有工作井前、后壁的绝对位移量,核实前、后壁是否发生位置偏移,确保工作井稳定安全可靠。

（2）顶进过程中前行轴线的复核：在进行现场施工的过程中,由于激光发射器需要定期校验,所以难免进行拆装。原有的定位销有可能出现少量的位置移动。因此在施工开始后,激光束方向的调整十分必要,具体步骤如下：a.根据井位坐标放出顶轴方向。首先,根据工作轴的方向,将两个钉子固定在墙上。b.利用水准仪在洞口适当位置放样确定出激光点的高程HJ,在洞口的墙上清楚的标记出HJ 点位,然后通过该点位标示出一条水平线。高程HJ 点位按以下公式计算：HJ=H0+D0/2+DH。其中：H0- 设计水位高程；D0- 管道内径；DH- 激光束与管道轴线之间的高度差。c.将激光发射器布置好后,确定出平面位置。调整激光发射器发射的激光束,使其保持设计的水面坡度,之后调整发射器的纵向位置,使激光束击中水平线的同时通过HJ 点。d.在钢钉上悬挂帆线,在适当位置悬挂两条垂直于帆线的垂直线,通过调整激光发射器的平面位置和发出的光束位置方向,使得激光同时穿过两条垂直线,用直板观察线后通过调整直到垂直线的阴影分开,激光投影出现的半圆大小对称。此双垂线法简便易行。

2.2.2.4 顶管设备的安装

（1）工作井内设备主要有：后座垫铁、导轨、油缸支架、油缸、穿墙止水设备等。a.后座垫铁：主要作用是将主顶轴向产生的反向作用力均匀的分摊到后座墙上。以减少对后座墙壁的损坏。通过确定垫铁四角的位置,做好标记,在所需区域内凿墙,找平底部,然后将垫铁放置到安装位置上,调整平面方向（通常在底部放置2 毫米的橡胶垫）,使得确定的平面与顶管前进方向相垂直。误差可允许范围为2 毫米。最后,使用混凝土填充后座垫铁与后座墙壁之间的缝隙。b.导轨：是由两条相互平行的轨道构成的,其主要作用是为了保证推进过程中能够平稳向前移动,使得管材沿着既定的轨道方向顺利进入到土层中。二是给顶铁提供稳定的支撑。基坑底部将设置前进轴线,通过调整轨道的中心线与前进轴线相重合,一般通过工字钢调整轨道高度。误差可允许范围为2 毫米。两条导轨之间的距离计算如下：

图1 导轨示意图

式中：A0——两导轨的中间距(mm)；A——两轨上部的净距(mm)；a——两轨的上顶宽度(100mm)；D——管外径；h——导轨高度 (140mm)；e——管外底距底板的距离(100mm)；经计算:D800 间距为449mm。

c.油缸及油缸支架：油缸支架采用槽钢焊接而成,主要功能是固定主顶油缸的轴向。根据基坑底部设置的顶进轴线方向,调整支座中心线与其对准,垫起支架调整高度。调整完成后,把支架和底板钢筋焊接牢固,并用混凝土缝隙填充密实。24 小时后,将油缸提升到支架上,并用钢板压紧。要把油缸和其支架的定位误差控制在2mm以内。d.穿墙止水设备：止水环安装必须确保橡胶板中心以及压橡胶板的钢环板中心都必须与顶管孔轴线相重合,使橡胶板切割均匀,确保土和泥浆不会溢出。止水环结构组成（如图2 所示）包含钢制法兰和压板,中间为20mm厚的橡胶圈。

图2

（2）地面配套设备：主要包括主控室和主要顶进装置的安装,泥浆棚、泥浆系统设备和监控设备的安装。

a.主控室及主要顶进装置：主要顶进设备放置在主控室内。包括主顶油缸、主要顶进油泵和油管。b.泥浆棚及泥浆系统设备：泥浆棚由钢管焊接成支架,上盖波纹瓦。棚内主要设置泥浆箱（罐）、泥浆泵、电箱等。c.监测系统设备：主要为工具管内摄像头和激光导向装置。监测线路必须在开始顶进前校准和调试完毕,确保与主控室连接正常。

（3）顶进设备：主要有高压油泵、千斤顶、顶铁、顶管机、泥浆循环系统等设备。

a.高压油泵：由电机驱动,额定压力为31.5MPa。每个千斤顶的进油管并连,以确保每个千斤顶的活塞输出及行程相一致。b.千斤顶：是顶管掘进的主要设备。本工程拟选用400t 液压千斤顶2 台。c.顶铁：是用于传导和分散顶进力的设施。要求其承受住顶进压力后不会产生变形或受损,并且吊运方便快捷。d.顶管机及泥浆系统设备：选用密封式泥水平衡顶管机,泥浆系统设备由搅拌桶、搅拌机、泥浆泵、泥浆管线和沉淀池等组成。e.其他设备：工作井旁设置25t 汽车吊,平时用于吊装材料和设备。

图3 顶进设备布置图

2.2.2.5 后座墙

是在管材在顶进过程中向千斤顶提供相反作用力的一种受力结构。要求其结构必须稳定,随时监测,一旦出现变形损坏,顶进施工立即暂停。

2.2.2.6 顶进施工

（1）顶进过程。管道外的控制台负责发出操作顶管机指令。顶管机工具头的旋转、实况监控、压力数量显示、纠偏操控只要一人完成。顶进管道时,千斤顶后部不动,在千斤顶向前推动下,将混凝土管向前推进。顶进一段混凝土管后,收回千斤顶,拆除水、气、电、泥浆管道,吊入下一段凝土管,测量校核找准轴线位置,安装凝土管接头止水材料,连接各管路,启动油泵开始少量顶进,收回千斤顶,测量轴线并加顶铁,继续顶进,直至完成一节混凝土管顶进,重复以上过程。主要施工工艺流程如图4 所示。

图4 顶管施工工艺流程

顶进速度的快慢,需要根据现场实际土壤情况而定。以防止路面出现坍塌。在施工过程中,要通过压进泥浆同时顶进的方式保证压力。由于现场突发状况,需要暂时停止前进施工时,也必须让工具前端保持留有足够压力,以保持压力能够平衡。恢复施工时需要对整个管道补浆。

（2）出土施工。出土过程中需向顶管机内注入所需泥浆,用刀盘切削顶管机前的原状土,与注入的泥浆体进行搅拌,然后,利用吸泥泵运送到地面的泥浆池中,经过沉淀后的泥沙要及时外运处理,表面的泥浆可循环利用施工中。

当冲、吸泥浆泵工作稳定时,冲泥舱内部应该保持一定压力,泥水压力应当和地下水的压力相较平衡。泥水压力如果过大会发生突顶现象,泥水压力如果过小容易出现顶管机前方坍塌现象,因此控制顶进和排泥速度非常重要。

（3）注浆减阻。注浆系统是由浆液搅拌、注浆及循环管道组成。泥浆搅拌指将注浆用的材料与水按比例混合形成所需要的泥浆（需静置24 小时再使用）。注浆由注浆泵进行,注浆的压力和注浆量可根据压力表和流量计进行控制。循环管道分为总管、支管。总管安装在管道的内侧,支管负责把总管浆液输送到各个注浆孔。

灌浆过程：制浆和静置→注浆→顶进中注浆→停止顶进→注浆停止。

（4）方向校正、纠偏。纠偏千斤顶,一般安装在工具头的纠偏节位置,当掘进机头部偏离时,相应的测量点中心会偏离光斑的中心,发出偏离的信号,并通过视频传输至控制台上的监视器。控制台应立即对特殊情况进行反应处理,以控制工具头的前行方向。一般前进方向允许误差在10 毫米,如果超过此范围,则应立即采取措施予以纠正。

工具头在顶进土层5-10m 范围内,允许偏差为：高程30mm、轴线50mm。当实际施工时范围超过此偏差时,控制台应及时采取措施纠正。纠偏过程同样需要缓慢进行不宜过快,逐步将关节恢复到正常位置。不允许纠偏时速度过快或强度过猛。

在顶进长度30-40 米之间时或顶管穿出墙洞时发生偏差,是对整段偏差造成影响较大的部分。尤其在出墙洞时,由于所选用的管材长度较短、前端工具头部分自重大,孔径附近土壤较松弛,容易发生向下移动现象。此时可通过工具头的调整偏差功能结合调整千斤顶进行方向控制。将每一步的调整控制在5 毫米为一单元。再次进行顶进长度为1m时,根据激光经纬仪等设备测量位置偏移的程度。当偏差趋势未减小时,应该加大纠正的力度；当偏差趋势稳定或下降时,保持原有的力度不变,继续向前,当偏差逐渐降低时,同样需要逐渐降低纠正强度。

图5 顶进方向纠偏示意图

2.2.2.7 顶进注意事项

（1）在顶进过程中应该遵守：“先启动切刀挖泥,再顶进,随挖随顶”原则。作业过程中需要保持持续性,尽量避免中途停工,避免因停机造成阻力增大,增强顶进难度情况的发生。

（2）最先顶进的管节方向和标高决定着整个管道的施工质量,必须在开始就确定符合设计要求,同时应及时监测检查,出现问题要及时纠正。

（3）顶铁安装应确保平稳,无偏斜。每次活塞缩回后,应更换可能放置最长顶铁,以尽量减少连接的顶铁数量。顶进时,作业人员不可以站在顶铁的上面和侧方,且要时时留意顶铁是否存在异常。

（4）顶管顶进的过程中,如果管前土体发生坍塌、后背发生倾斜、管体偏位过大或油泵压力表指针急剧上升,应即刻暂停施工。

（5）施工记录作为施工过程中的动态凭据,要认真记录填写顶进过程中的各项数据,按照规范填写交接班记录,将顶进的过程动态清楚表述、问题明确、对策得当、以便能够采取相应应对措施。

（6）在顶管注浆和顶进结束后,应及时补浆进行处理,控制沉降。同时在施工过程中,为了避免沉降的发生,可以将水参数降低6%左右,提高泥浆的粘稠度。这样能有效的控制泥浆流失,从而确保表面不发生沉降。

3 结论

通过在本工程中顶管施工的实际应用,我们总结出,在一定的地质条件中和特定的施工环境下,经过现场调查,考虑到管道施工顶管施工技术可以更安全、高效地达成工期目标,减少对相邻地下及地上管道和结构物的干扰。这是一种稳定、高效的施工工法。