钢筋混凝土管顶进施工技术探讨

2023-12-14邸璐

价值工程 2023年34期

邸璐

（中铁十二局集团第三工程有限公司，太原 030000）

0 引言

随着城市建设的不断发展，钢筋混凝土管在城市供水、排水等领域得到了广泛应用。然而，目前钢筋混凝土管道顶管施工技术仍面临一些挑战，如施工效率低下和施工风险较高。因此，探索和优化钢筋混凝土管顶管施工技术，提高工程质量和安全性成为了迫切需求。

本文通过对钢筋混凝土管顶管施工技术的研究，旨在提高工程质量、减少施工风险，促进城市供水、排水等领域的可持续发展。通过采用理论分析、实验研究和数值模拟等方法，本研究将为钢筋混凝土管顶管施工技术的优化提供有力的支持和参考。本研究的成果也将为相关领域的发展做出贡献，推动相关技术的创新与应用。

1 工程概况

河北保定市某区某水利干渠工程从南水北调中线总干渠取水，新建输水线路至XA 新区原水应急调蓄池，以保障远期新区城镇生产生活用水。某区干渠工程采用双管埋地管道输水，管径DN2400/2200，供水流量15.0m3/s，年供水量3.0 亿m3。原水应急调蓄池位于RC 县李茂村西，水池周边采用挖填结合方式形成围堤，调蓄池库底长500m（东西向），宽350m（南北向），堤身采用土料回填，内侧边坡1∶3.0，外侧边坡1∶3.0。

先期建设内容为输水管线长36.3km 和末端应急调蓄池及相关建筑物。

本工程顶管采用内穿DN2200 钢管和顶进DN2800 钢筋混凝土管。其中内穿DN2200 钢管主管道采用Q345R型钢管，内径2200mm，壁厚20mm。钢筋混凝土套管内径2800mm，壁厚255mm。本项目顶管工程共有6 处，具体分布情况见表1。

表1 顶管工程一览表

2 施工技术难点分析

本输水管道涉及下穿一处输水管，两处地埋管线，两处铁路及一条国道，共六处构筑物，共408m 长的管道采用顶管法施工，顶管法施工时，如顶管方向出现偏差可能会造成地面隆起，对跨越段落地基造成较大影响，如何减少对地基的影响，保证跨越段落的安全，是本工程的难点。

对策：①施工前根据设计文件对管道穿越区域处水文、地质情况，进行调查。详细了解建筑物与管道线路的位置关系，管道线路中埋设的地下管线等情况。②在开挖工作坑时，设置好排水、降水系统，并避免在雨季施工。开挖工作坑采用机械开挖，按设计做好安全防护，确保工作坑安全。③底板中心应与渠道中心线一致，为了减少顶进启动阻力和防止工作坑底板与渠道顶管底板相粘连，顶管施工前，工作坑底板顶面铺润滑隔离层。为了控制顶管顶进方向，在底板顶面做成前高后低的仰坡，在底板两侧设方向墩。④确认顶管机在导轨上的中心线、坡度和高程符合设计要求，安装调试顶进及辅助设备，并进行试顶工作。⑤顶管顶进施工前，先行对既有道路进行加固防护，初始顶进阶段，应低速度顶进。宜加密监测次数，当顶管机或工具管超过允许偏差时，及时采取纠偏措施。顶管机进入洞口后，止水圈与顶管机的间隐均匀、密封良好，应及时将洞口密封与首节管子外壁贴紧，防止泥水与注浆浆液从洞口泄漏。⑥顶管两端分别设置始发井及接收井，施工期间需加强对顶管两端的基坑以及输水、输气管道穿越部位的相关监测。为监测基坑四周土体沉降变化情况，在每个基坑四周各布置三个水准点，沉降采用水准仪观测；监测过程中发现有不均匀沉降或沉降量过大时应停止施工，待查出原因后，消除不正常沉降后再施工。顶管施工时，尽量在确保建筑物安全的情况下进行。

3 顶管施工工艺

3.1 设备选用

本工程根据设计勘察报告，经多方论证决定采用土压平衡式顶管设备，顶管机刀排的前端设有注浆孔，通过注浆孔可向挖掘面上注水或黏土浆改良土体，使其具有良好的塑性、流动性和止水性；隔仓板上设有土压力表，通过调节顶管机的推进速度或调节螺旋输送机的排土量，来控制土仓内的土压力；土压平衡式顶管机还具有操作方便、工作安全可靠、重量轻和刀盘驱动功率小的特点。

3.2 工作坑布置形式

顶管所用管材为DN2800 钢筋混凝土管，单根管长2米左右，管道质量及相关要求见《混凝土和钢筋混凝土排水管》GB/T 11836，接口型式可采用柔性钢承口，钢板厚度50mm。输水管道管材为钢管，公称直径为DN2200，顶管段两侧设置工作井及接收井，内侧及左右侧采用0.8m@1.0m钻孔灌注桩及冠梁，外侧采用1.0m@1.25m 钻孔灌注桩及冠梁，中间设置腰梁，内部采用609 钢管支撑。如图1 所示。

图1 顶管工作井平面大样图

顶管井施工完成后应在井设置符合安全规定的护栏及安全警示灯，施工时应作好安全防护措施，确保人员和设备安全。顶管井内应设置符合安全规定的爬梯或步梯。

顶管井底板施工宜满足以下要求：顶管井底板采用50 公分厚C20 混凝土浇筑底板四周设排水沟，角部设集水坑1～2 个。

涉及地下水影响的顶管井施工，应优先采取止水措施。确定采用管井、井点等方法进行施工降水的，施工降水方案应组织专家评审。

顶管井施工的降水应满足以下要求：①降水深度应确保地下水面低于顶管井基底0.5m；②降水应有顶管井周边河湖等积水及地下管线泄漏影响的应对措施；③降水应有对周边地下和地上管线、建（构）筑物监控的措施。

3.3 后背墙结构形式

按照设计要求如图2 所示，后背墙的安装应符合下列要求：后背土壁应铲修平整，并使壁面与管道顶进方向垂直。后背墙13000*700*50mm 钢板组装，组装后的后背墙应有足够的强度和刚度，其埋深应符合设计要求。后背土体壁面应与后背墙紧贴，孔隙应用砂石料填塞密实。根据后背施工设计安装后背，紧贴土体的后背材料，在其前面放置立铁，立铁前放置横铁。

图2 工作井后背墙结构图

3.4 顶力计算

根据《给水排水管道工程施工及验收规范》GB 50268-2008 规定，计算书选取K19+379.37～K19+439.37穿地埋管线（顶管）为力计算最大顶力，计算如下：

式中F 为总推力；

F1为迎面阻力；

pe为控制土压力；

Bc为管外径；

pA为掘进所处土层的主动土压力（kPa），一般为150-300kPa；

pw为掘进所处土层的地下水压力（kPa），本工程为不带水作业，顶管前确保地下水面低于顶管井基底0.5m；pw=0kPa；

p 为给土仓的预加压力（kPa），一般为20kPa。

式中F2为顶进阻力；

fk为管外壁与土的单位面积平均摩阻力（kN/m2）；

当触变泥浆技术成熟可靠、管外壁能形成和保持稳定、连续的泥浆套时，fk可直接取值3.0-5.0kN/m2。

L 为顶进长度（m）。

顶管经验计算公式：

式中F 为总推力；

k 为综合减阻系数；

如果注浆技术成熟可靠，最小可取0.3-0.4；

n 为钢筋砼管土质系数；

G 为管重力kN/m；

L 为顶进长度m；

为保证管道顶进时顶力有一定的富余，在选用设备时每坑采用2 个400T 的千斤顶。单向顶进长度大于100m时加设中继间。

3.5 洞口止水

本工程采用的洞口止水方法是在工作井制作时，需在出洞口处做砖砌止水墙，以便将洞口止水装置安装在平面上。止水墙预先在洞口预埋钢法兰，在钢法兰上焊接螺栓，然后安装橡胶法兰并用钢板压紧。

若土质较软或有流沙现象时，应对整个土体进行改良和加固，防止掘进机出洞时塌方。

3.6 钢筋混凝土管顶进

初始顶进阶段，应低速度顶进。宜加密监测次数，当顶管机或工具管超过允许偏差时，及时采取纠偏措施。顶管机进入洞口后，止水圈与顶管机的间隙均匀、密封良好，应及时将洞口密封与首节管子外壁贴紧，防止泥水与注浆浆液从洞口泄漏。初始顶进阶段，如地下水压过大应采取止退措施。在软土等复杂地层初始顶进时，顶管机与紧后1～3 节管节连接宜采用刚性连接，初始顶进结束后应拆除刚性连接，变为柔性连接。顶管机初始顶进时宜设置顶管机防转装置。初始顶进过程应收集顶力、实际地质条件等顶进数据及地层变形量测数据，机械顶管应注意切削刀盘扭矩、旋转方向、电流、土压或水压等数据，及时把握顶进及方向控制特性，为正常顶进控制提供依据。

正常顶进时应依据初始顶进确定的控制内容与参数施工。遇地质条件或环境条件改变时，及时调整控制参数。土压平衡顶管的开挖控制应以泥土仓压力、主顶油缸的顶速和塑流性改良控制为主，辅以排土量控制。本工程管线穿越75μm 以下粉土黏土细颗粒含量低于30%或砂卵石地层，根据地下水及顶进长度，采用泡沫改良砂土对顶管前方土体塑流性进行必要的改良。

顶管机到达接收坑洞口加固段，应逐渐降低掘进速度、停止注浆，并加强接收坑周围地面变形观测。变形超过预定值时，应采取有效措施才可继续顶进。顶管机接近接收坑洞口时宜缓慢连续顶进作业。顶管机进入接收坑洞口后，应及时破碎接收坑洞口填充物，调节止水装置，启动排水系统，直至将顶管机完全顶到接收坑内。顶管机进入接收坑到达预定位置后，应及时封堵洞口与管节的缝隙，同时进行填充注浆，控制洞口周围土体沉降。

3.7 钢管施工

顶管贯通后，对始发井进行清理，拆除后背墙、更换基座。采用汽车吊将钢管吊入始发井内，安放到带滑轮的支架上，钢管节间连接在始发井内完成，完成后分节推入钢筋混凝土套管内。管道安装完成后，钢筋混凝土套管与管道之间的环型空间注浆或吹砂回填，套管端部采用沥青麻丝、防渗水泥砂浆封堵。封堵前，需保证套管内积水排干。