城市密集区长距离小直径管道螺旋顶进施工技术研究与应用

郑彬

北京城建集团有限责任公司 北京 100089

1 概述

天通苑地区雨污合流管网改造工程是为落实北京市人民政府办公厅关于《优化提升回龙观天通苑地区公共服务和基础设施三年行动计划（2018～2020年）》建设项目，工程分批启动进行，其中一期工程总长度3.6km，其中雨水1.4km，污水2.2km，污水管线管径400-600mm，部分管段采用螺旋钻微型顶管施工。

螺旋钻微型顶管是通过激光定向系统导向，将导向杆钻进，使用扩孔钻头、出土螺旋、工具套管进行扩孔，同时排出土屑，再逐节替换工具管，铺设管道。具有管道顶进精度高、对周围土体扰动小，不产生泥浆、易操作等显著优点。但目前还处于不断发展阶段，其存在部分局限性，主要在于：①受目前设备动力系统及导向系统限制，顶进长度一般不超过50m；②需24小时连续施工，否则有管道抱死风险[1]。

因项目施工管线位于天通苑小区内部，无法24小时连续作业施工，且最长顶距达到78.4m。常规螺旋钻顶管施工工艺无法满足施工要求。

本论文依托于项目的特殊性，进行总结、创新，克服了城市密集区无法连续作业以及长距离顶进的难题，研究出长距离、强动力、高精度又便于施工（防抱死）的螺旋钻微型顶管施工技术，为工程项目的实施提供可借鉴的经验。

2 主要研究技术创新点和关键点

2.1 总述

本论文从动力、精度、间歇防抱死措施等3个方面进行研究，研究出3项创新技术：1）螺旋钻顶管导向系统远距离高精度控制技术；2）螺旋钻顶管砂砾石地层强动力系统长距离连续顶进技术；3）螺旋钻顶管顶进间歇期注浆减阻防抱死施工技术等三项技术，克服城市密集区无法连续作业以及长距离顶进的困难，完成施工任务。

2.2 详细概述

（1）螺旋钻顶管导向系统远距离高精度控制技术

常规导向系统采用在井下布置经纬仪，肉眼观测导向杆前端靶标，来控制导向精度，但凭肉眼很难在50米之后通过经纬仪清晰观测到光靶的位置。

为解决长距离的顶进需要，对经纬仪进行了改进，在经纬仪的目镜上安装了定制高清变焦摄像机及外接显示器，拍摄的影像送至操作台显示器，并通过显示器触摸屏调整焦距，达到在远距离清晰观测导向钻头内部LED光靶指示灯的实时指向位置，判断导向钻头的方向偏离情况，该升级能保证经纬仪清晰观测距离100m外的LED光靶指示灯位置，高精度控制导向精度。

（2）螺旋钻顶管砂砾石地层强动力系统长距离连续顶进技术

目前常规螺旋钻微型顶管的设备顶力最大的为100t，扭矩最大的为22000Nm。可适用最大顶距为50m（粉质黏土地层可达到50m，砂砾层、硬黏土层约40m），如果超出这个距离范围，或遇到砂砾、硬质黏土地层则不满足动力要求。

本项目最大顶进距离78.4m，且为含砂砾石地层，从长度及地层两个方面都对设备动力系统提高了很大难度，根据顶力计算，所需顶力约110t。

针对上述需求，对设备动力系统进行特殊改进，包括液压泵、油路、千斤顶、减速箱、动力单元等，主要加大液压油缸容量，选用结构紧凑、稳定耐用、功率突出的柱塞液压泵，增加液压传输效率，使新设备顶力提升；更换高功率紧凑型马达、调整减速箱齿轮齿比，在不增加体积的情况下使扭矩提升。改进后设备顶力达到130t，扭矩达到32000Nm，满足长距离顶进的需求。

表1 设备改进参数对比表

（3）螺旋钻顶管顶进间歇期注浆减阻防抱死施工技术

常规螺旋钻微型顶管施工需24小时连续施工，否则有管道抱死风险。但本项目紧邻住宅区，人员密集，不具备夜间施工条件，顶管不能连续施工，需停止12小时或以上，易造成顶管上方覆土下沉带来的压力过大，以及覆土渗入套管管缝中造成阻力过大的现象，导致管道发生抱死情况。

为克服这种不利条件，设置泥浆润滑系统，改系统由压缩泵和沿轴向固定在钢管外表面的3根小直径(25.4mm)钢管或HDPE管组成。根据不同地层，设置不同泥浆参数，具体如下表：

表2 泥浆参数表

在铺管过程中，尤其是在间歇性停工后，首先进行试顶进，实时关注顶力及扭力变化，当顶力或扭矩达到峰值70%时，开始同步注入膨润土泥浆，以润滑钢管外壁，在套管管壁与覆土间形成浆膜，减小管外壁与土层之间的摩擦力，满足间歇性施工要求。

3 技术方案

3.1 设备构成

（1）测量仪器：水准仪、经纬仪、塔尺、三脚架、棱镜杆。

（2）导向系统：高清变焦摄像机、电源、外接显示屏、连接线（延长线）。

（3）顶管机、泵站、机台、油管、相应配套的顶盘、顶铁、靠背、顶架等。

3.2 施工流程

竖井施工→测量放线→顶管机安装及调试→导向系统安装→先导管顶进→出土外管顶进→钢筋混凝土管顶进→设备拆除。

3.3 竖井施工

本工程始发井尺寸5*4m、接收井及反挖井尺寸3*3m，均采用倒挂井壁结构形式。

3.4 测量放线

根据测量控制点布置整个工程的控制网，在井周围布设一个高精度的控制点，用以测放、检查和修正工作井井区和井下的测量点，如轴线点、井下的测量起始点和后视点等。

3.5 顶管机安装及调试

(1)后背安装

后背结构为混凝土加钢后背形式。厚度为0.2m，高度2m，宽度2m。在后背墙前垂直地面放置钢后背，钢后背与后背墙之间的空隙以C20素混凝土浇灌填充。

(2)后背墙反力核算

R=KB(H2Kp/2+2CKp +hHKp)

式中：R：总推力之反力（KN）；

K：系数（取1.5～2.5之间），取2.0；

B：后座墙的宽度，取3m；

H：后座墙的高度（m），取2m；

C：土的粘聚力，取32KPa；

Kp：被动土压力系数，KP =tg2（45°+11°/2）=1.47；

h：地面到后座墙顶部土体的高度，取5.5m；

代入得：R=KB(H2Kp/2+2CHKp+hHKp)=2460.78KN；

R/P=2460.78/1077.02≈2.28，受力符合要求。

(3)顶架安装

轴线施放完成后，先从井上控制点高程减去流水面的高程，计算出高差，在流水面往上1米的位置做好标记，以方便测量，流水面加上管的半径为中心点，用中心点测量到坑底的数值减去机架的高度，计算出所需要的垫的高度，安装机架时按照此标准安平机架。

(4)主顶机安装

将主顶机架吊入井内，沿轴线平行位置，并按坡度调整，安装到已调平的机架上，并调至水平。利用经纬仪调好顶进坡度，使误差控制在1mm范围内。

(5)连接油管及电缆安装

按照设备接口安装油管及电缆。安装油管时需注意：油管需要安装在不影响机台运转的方向，用软质材料包裹油管与坚硬物接触的部位，防止连续震动损坏油管；保持接油管接头清洁并连接稳固，连接不稳固容易损坏设备。

3.6 导向系统安装

利用加密导线点通过联系测量放出工作坑内管线中心线以及高程，在中心点线上安放激光经纬仪，调整激光经纬仪坡度，使激光经纬仪按照设计坡度投影至先导管上。

经纬仪安装完成后，安装定制高清变焦摄像机，在安装过程中要注意经纬仪的角度变化，摄像机要连接牢固，随后连接外接显示器，用灯光辅助寻找经纬仪十字中心，找到后在屏幕上做好标记点。导向系统安装完成后，开始安装导向头光靶，斜掌上方为12点方向，光靶安装时按照长灯朝12点的方向为原则。

图1 导向系统示意图

3.7 先导管顶进

导向系统安装完毕取下洞口封堵，推进导向钻头进入土体，先导管采用D=104mm双臂中空钻杆，每段长度1m～1.5m，按设计坡度进行顶进，顶管机顶进一节先导管后回缩，安装下一节先导管，直至先导管到达接收坑[2]。

通过连接在经纬仪上的高清变焦摄像机，拍摄的影像送至操作台显示器，查看屏幕上的标记点是否在光靶中心，判断导向头的方向偏离情况。通过调整导向铲头转动方向改变导向方向，导向钻头顶进时，要坚持勤调整原则，避免因偏差过大，导致以后纠偏困难，并做好资料记录。

图2 先导管顶进示意图

3.8 出土外管顶进

导向完成后，将前端装有扩孔钻头的螺旋绞龙以及起到支撑作用的出土外管与最后一节导向杆连接，出土外管采用与新建管线管径一致的钢管，每节出土螺旋刀盘与出土外管长度1.0-1.5m。

启动主顶机通过液压马达带动螺旋钻头，使螺旋钻头转动切削土体，螺旋叶片将切削的土体向后输送出来，出土外管形成顶管预通道，使切削的土体能够顺利排出。第一节出土外管顶进完成后，预留接头，安装下一根螺旋刀盘及出土外管，向前顶进主油缸的同时回抽超前缸，使两个出土外管间顶进严实，随后对两个出土外管的接缝进行焊接。依次按照上述步骤顶进，直至顶进完成[3]。

图3 出土顶进示意图

3.9 钢筋混凝土管顶进

螺旋刀盘与出土外管距离接收坑剩余1-2m时，在工作坑安装转换节，转换节一端与出土外管连接，一端与混凝土管承插连接，然后顶进，水泥管在工作井每顶进一节，出土外管在接收井拆卸回收一节，依次循环，直到机头进入接收坑内，完成整个顶管施工。

图4 钢筋混凝土管顶进示意图

3.10 设备拆除

先导管到达接受井后，工作井安装螺旋刀盘与出土外管，螺旋刀盘与出土外管每顶进一节，先导管在接收井处拆卸回收一节，依次循环，直至螺旋刀盘与出土外管到达工作井，随后将所有设备依次拆除。

4 结束语

目前，城区内排水管道建设，因受限于现况条件影响，基本不具备明开槽施工条件，故需采用顶管等非开挖施工方式完成施工，目前行业内大管径顶管施工技术已日益成熟，但对于400-600mm管径的微型顶管施工，因相比于大管径顶管，对设备及操作要求高出很多，且实际施工过程中存在许多制约条件，目前还处于不断探索、发展阶段。

螺旋钻微型顶管具有管道顶进精度高、对周围土体扰动小，不产生泥浆、易操作等显著优点。可以满足新建管道大部分施工需求，但常规螺旋钻施工技术，还存在部分局限性，主要在于施工长度、进度、连续性等。

本论文在常规的螺旋钻微型顶管的基础上进行科技创新，研发了螺旋钻顶管导向系统远距离高精度控制技术；螺旋钻顶管砂砾石地层强动力系统长距离连续顶进技术；螺旋钻顶管顶进间歇期注浆减阻防抱死施工技术等三项技术，克服城市密集区无法连续作业以及长距离顶进的困难，完成施工任务，有效的解决了城市密集区、长距离螺旋钻微型顶管的关键施工技术难题。同时也标志着在城市密集区、长距离、小直径螺旋钻微型顶管技术上的新突破，在很大程度上促进了该领域施工技术的优化升级，极大地推动了技术生产的进步，为今后类似施工提供了宝贵的经验。