球墨铸铁微顶管技术的工程应用

任 盛，景纪国，赵 健，任宪超，李华成

(1.新兴铸管股份有限公司上海销售分公司，上海 200437；2.新兴铸管股份有限公司销售总公司，河北 邯郸 056300)

0 前 言

近年兴起的非开挖技术是利用各种岩土钻掘设备的技术手段，通过导向、定向钻进等方式在地表极小部分开挖的情况下敷设、更换和修复各种地下管线的施工新技术，因不需要全面开挖，免除了噪音、尘土、污水等污染而被广泛应用。目前可作为短顶管的管材有：钢管、铸铁管、水泥管、玻璃钢等，都可以采用非开挖顶进方式，可应用于市政供水、市政雨污水等领域。

1 微顶管技术优越性

1)可以有效缩短管道修复施工工期，减少施工给周围环境带来的影响。

2)综合成本低，具有较好的经济和社会效益。在相同的条件下，非开挖施工的综合效益低于开挖的成本，埋深越深优势越明显。

2 微顶管选材

微顶管技术一般指管径小于600 mm的顶管施工技术，主要分为泥水平衡顶管(一次工法)和地箭式顶管(二次工法)。地箭式工法又分为标准地箭技术和改良地箭技术(N指标准贯入试验锤击数)：土质硬(N>15)→排土→标准地箭式；土质软(N<15)→不排土→改良地箭式

3 微顶管种类和使用领域

微顶管按材质分：球墨铸铁管、钢管、树脂混凝土管、钢筋混凝土管。其按领域可分为供水、排水。

排水无压重力流领域可采用球管和树脂混凝土管、钢筋混凝土管；供水压力较小时可采用球墨铸铁管、钢筋混凝土管；供水压力较大时宜采用球墨铸铁管、钢管。常用几种短顶管管材对比分析见表1。

表1 常用短顶管管材对比

4 微顶管工艺优势

1)管道铺设精度高，误差±3 cm。经纬仪激光制导满足排水管道重力流要求。

2)顶进速度快，单段施工不超过两天，土层越软施工速度越快。

3)施工占地面积小，工作坑直径2.6 m，接收坑直径为2.1 m。(单边接井)也可只开挖一个工作坑进行接入现况管道的勾头施工。

4)无空隙、不沉降，顶管时挤土不扩孔，管壁与土层之间不存在沉降隐患。

5 顶管施工工程案例应用

以上海华翔路项目为例，该工程位于上海青浦区华翔路(博驰路-博恒路)，采用非开挖微型顶管施工工艺组织施工，短顶管管径为DN300。以钢筒Φ2 090工作井作为顶管工作井、接收井，可以满足施工及安全要求。

工作井施工采用机械操作，所采用的机械设备名称为摇管机，型号为Φ2 590型,辅助设备为200型挖掘机。钢筒的壁厚为20 mm,内径为2 090 mm,每节钢筒的长度为2.0 m，钢筒之间采用焊接方式连接，钢筒的下部切割为锯齿状，齿深为5 cm。摇管机将钢筒安装至设计标高后，采用挖掘机将钢筒内的土取出，取土结束后立即采用C35混凝土封底，厚度为100 cm。为保证顶管过程中封底要求及钢筒的稳定性，钢筒底部嵌入土。

6 球墨微顶管生产质量控制

本工程选用k9的DN300球墨铸铁管，按照《非开挖铺设用球墨铸铁管》(YB/T4564—2016)的要求，标准要求的最小允许顶推力为1 240 kN。

1)试验依据：用于制作顶管的球墨铸铁管试验方法参照《水及燃气用球墨铸铁管、管件和附件》(GB/T 13295—2013)或《污水用球墨铸铁管、管件和附件》(GB/T 26081—2010)标准的试验方法。

2)顶管水泥保护层外观质量采用目测检验，混凝土强度的试验方法参照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)标准中的试验方法。

3)顶管终饰层和内衬的试验方法参照《水及燃气用球墨铸铁管、管件和附件》(GB/T 13295—2013)或《污水用球墨铸铁管、管件和附件》(GB/T 26081—2010)标准的试验方法。

4)用于顶管的试验段(整铸1 m长)；顶管管壁平均厚度：插口端9.1 mm,承口端8.5 mm；顶管内径(衬水泥后)平均通径：插口端300 mm,承口端297.5 mm；顶管重量：理论重量112 kg，实际重量115.2 kg。

5)顶管推力试验前水压试验：测试条件水压4 MPa，保压1 min。

6)在液压油缸直径300 mm的水压机上进行对顶推法兰的加压试验。测试数据汇总见表2。

受压面积S=3.14×0.152=0.07 m2

直管截面积S1=3.14×0.315×0.009=0.009 m2

表2 测试数据汇总

7)测试原理。压力机逐渐加压形成对试验管材的推力，测试顶推法兰受力数据、需要用油缸受压面积换算(F=P×S)直至达到《球墨铸铁管系统的非开挖应用—产品设计与安装》(ISO 13470—2012)及《非开挖铺设用球墨铸铁管》(YB/T 4564—2016)的要求，根据标准，DN300顶管最小容许顶推力为1 240 kN(F=127 t)

计算依据：按标准顶推力(kN)=压力机压力值(MPa)×油缸受力面积(m2)×1000

即：1 239 kN=17.7 MPa×0.07 m2×1 000

工厂实际试验顶推力是1 610 kN(161 t)，大于标准值，施工顶管施管安全。

7 短顶管施工过程中的质量控制

在施工过程中特别针对以下两点进行监控量测，以指导安全施工及保护工程周边环境，采取必要的施工保护措施，确保其安全：①基坑支护体径向变形；②地表及路面开裂与下沉。

具体方案如下。

1)基坑施工现场必须组织专职量测小组。量测小组在施工单位项目部技术负责人领导下，负责测点埋设、日常量测和数据处理等工作，并及时向主管技术领导和部门反馈量测数据。

2)五固定：固定观测人员；固定观测仪器；固定观测水准尺；固定观测路线；固定观测方法。

3)每次观测之前将仪器露天放置30 min。

4)烈日下观测使用观测伞，温差变化较大时使用仪器罩。

5)常规水准观测顺序为后前前后。

6)在线路上预先测量距离，水准仪与水准尺之间的距离不超过50 m，分别在水准尺和水准仪摆设处作相应标志。

7)基坑支护过程监控测量。

8 施工应急预案的方针与目标

根据本工程施工特点及地质情况，充分考虑到施工技术难度和困难、不利条件等，经多方讨论和分析，确定本项目的突发事件、风险或紧急情况处置方案。

顶管施工主要安全防范重点为：施工过程中的地下管线破坏、顶管受阻、管道顶裂、土质较硬、地下水较大、高处坠落、物体打击、机械伤害、起重伤害等。

8.1 地下管线破坏

1)施工前积极与相关管线单位联系，明确工作井及顶管路由位置是否有管线交叉。

2)对照物探资料，采用管线探测仪、导向仪等技术手段，对施工区域内地下管线进行复测。

3)工作井及接收井沉井位置与相邻管线至少保持1 m以上安全距离。

4)施工中如遇地下管线破坏情况，应立即停止施工，与管线所属单位联系，积极配合抢修工作。

8.2 管道顶裂

1)原因分析：管材质量存在缺陷、顶力过大超过管材的破坏强度。

2)预防措施：管材应选择正规的生产厂家，有完善的出场证明资料如出场合格证及检测报告。管材进场后应按规范要求及时送检，现场应检查每节管的外观，是否有质量缺陷。为有效地减小管道顶进时的阻力，应配置减阻剂，在推黑管及推管过程中，充分打浆，减小摩阻力。

3)应急处理措施：在施工中如遇管道顶裂情况，在管道破碎处增设一座Φ2 090 mm钢筒沉井，取出破碎管道。

8.3 顶管受阻

管道顶进时如遇大石块或其他障碍导致推力异常增大，造成顶管受阻情况，应使用将机头拔出，在接收井中向工作井进行施工等方法，直至顶通为止。

8.4 土质较硬及地下水较多

施工前，对照地勘资料，选择合理的施工方法。对土质较硬的地层，采用出土机头二次工法施工，可有效减小顶管阻力，确保成功率。

如遇地下水较大，防止切割出、入土洞口后，土体与水流入工作井，造成工作井周边塌陷，可采取以下措施：施工前在工作井周边进行压密注浆或旋喷桩，改善地质；在出、入土洞口安装镜面框，可有效阻止水土流入工作井。

9 使用案例

球墨铸铁管(以下简称“球管”)因其卓越性能被供排水行业所认可，在上海区域使用了1 m、2 m等各种长度的球管短顶管，其中1 m长的球墨短顶管具有：管道铺设精度误差±3 cm；施工占地面积小，工作坑和接收井直径仅2.6 m；顶进速度快，单段施工不超过两天，土层越软施工速度越快等优点正在被供排水客户逐步信赖。上海区域使用情况如下：长桥污水处理厂使用DN1000×2 m，临港新区农污水使用DN300×1 m，宝山区(月浦镇盛石路)使用DN300×1 m，宝山区张华浜污水使用DN600×2 m；2021年8月华翔路首次在自来水领域使用DN300×1 m短顶管仅用6 h就完成，球墨短顶管安装简便、顶进速度快等产品优势在充分发挥出来，短顶管的应用范围得到新的突破。

10 结 语

球墨铸管因其卓越性能被供排水行业所认可，目前已迅速发展成供排水主流管材。铸铁短顶管的开发应用有效解决了整条管线同材质、同寿命的问题，从上海地区已使用的案例看，尤其是2021年8月华翔路首次在全国自来水领域使用DN300×1 m短顶管，解决了传统管材树脂管顶推力不足，钢管焊接工艺繁琐占时间等问题，效果比传统使用的树脂砂、混凝土、钢管等优势更明显，球墨铸铁管短顶管承插接口安装方便，防腐性能强，容许顶推力大，管材到现场后可直接快速安装，是值得推荐使用的一种管材。

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