非开挖技术(顶管)在宜金公路污水管道工程中的应用

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摘要：结合工程实例―老宜金公路污水管道工程中的非开挖技术（顶管）的应用，探讨顶管施工技术在实际工程案例中的具体操作方法及对在工程中遇到的问题的阐述和分析。

关键词：非开挖技术、顶管、工作坑、接收坑、注浆

中图分类号：K826文献标识码： A

前言：

近年来随着城镇化进程的加快，各类市政项目及配套设施迅速建成，其中市政道路的附属工程雨污水工程接连修筑成，为城镇地区的雨污分流做出了重大贡献。城镇雨污水管道作为市政管道的一种，有其相应的施工技术。它不同于建筑管道，也异于工业管道，受所处地段的道路交通及社会环境的干扰比较大；其布局走线要统筹全局考虑，施工技术方案也应综合考虑成本、工期及环境因素等要素。而顶管这种非开挖技术在市政排水工程中（特别是交通繁忙及不适宜开挖的地段）得到越来越多的应用。

非开挖技术是指在不开挖地面的情况下，穿越公路、铁路、河流、建筑物等，在闹市区、古迹保护区，进行管道建设的地下顶管铺设；它是一项不影响交通、不破坏环境，施工工期短，综合成本低，具有社会效益显著等优点的先进技术。本作者结合以下工程实例对该项技术在市政排水工程中的应用做出了一些探究。

1、工程概况：

老宜金公路W1~W11为D1000钢筋混凝土顶管长677米，管道埋深为5.15~5.55米，井中心距老宜金公路中心线18米。

2、施工工艺：

本工程顶管施工采用的是泥水平衡顶管。它是用机械切削泥土并采用水力输送弃土,同时利用泥水压力来平衡地下水压力和土压力的顶管方式。顶管过程中在管道四周注入触变泥浆来减少摩阻力,同时可借助中继环达到长距离顶管的目的。具体施工布置见图1 。

图1 施工布置示意图

1 、泥浆罐车;2 、泥浆箱;3 、注浆系统;4 、操作系统;

5 、吊车;6 、管材;7 、主顶油泵站;8 、掘进机;9 、管

道;10 、中继环;11 、后靠背;12 、主顶油缸;13 、导轨;

14 、环形铁;15 、测量系统;16 、栏杆

其工艺流程(见图2)

3、施工方法

3.1、工作坑和接收坑施工

工作坑是掘进机向前推进并承受主顶油缸反作用力的构筑物,接收坑是回收掘进机的构筑物。工作坑和接收坑一般有钢筋砼沉井、地下连续墙、钢板桩、砼砌块、钢瓦楞板拼装等多种方法构筑,但工作坑所能承受的最大推力由管材能承受的最大推力为先决条件,然后再验算工作坑后背是否能承受最大推力的反作用力。若能承受,则把这个最大推力作为主顶油缸的总推力P ;若不能承受,则以工作坑后背所能承受的最大推力的反力R作为总推力的依据,另外要考虑1.2～1.6 倍的安全系数,即:

R =αB(γH2 Kp/ 2 + 2cHKp0.5 +γhHKp)

式中:R ―――总推力之反力,kN ;

α―――系数,取1.5～2.5 ;

B ―――后座墙的宽度,m;

γ―――土的天然密度,kN/ m3 ;

H ―――后座墙的高度,m;

Kp ―――被动土压系数,为tg2 (45°+φ/ 2) ;

c ―――土的内聚力,kPa ;

h ―――地面到后座墙顶部土体的高度,m。

3.2、管子及接口

本工程顶管管材采用D1000“F”型接口管材。选材优良管材处理好管子接口对顶管施工是十分重要的。要按有关规范对管材做现场检查验收，如发现不合格坚决予以退回。另外应注意的问题是：顶管管道的第一节和最后一节需特殊处理，管口处理设钢板。

3.3、顶管设备

泥水式顶管的主要设备有掘进机、主顶油缸、基坑导轨、顶铁、后靠背、注浆设备、起重设备和出土设备等。顶管掘进机有多种形式,不同的土层、水文地质、施工环境应选用不同的机型。主顶油缸根据管材口径和推力大小的不同采用多台组合而成,组合的方法是把所需的多台油缸安装在一个油缸架上,架子一般用槽钢焊制成,主顶油缸一般对称布置,单台推力在800～3000之间,耐压多在31.5MPa。基坑导轨一般用工字钢或槽钢或旧钢轨等焊制成,导轨的轨面高程与管内底高程一致,便于安装定位。导轨就位后一定要把它与工作井底板上的锚固钢板焊成一个整体,防止顶管时移位。导轨的几种形式如图3 所示。

图3 导轨形式示意图

(a) , (b) 为轻型导轨; (c) , (d) 为重型导轨

导轨的轨距计算式为:

B = （R2外 - R2内）0.5

式中:B ―――管道与导轨接触点之间的距离;

R外―――管材的外半径;

R内―――管材的内半径。

泥水式顶管的顶铁有环形和马蹄形,一般用20mm 厚钢板焊制成,F 型钢承口管用的环形顶铁和马蹄形顶铁形式如图4 所示。

图4 顶铁示意图

(a) 环形顶铁; (b) 马蹄形顶铁

后靠背一般为正方形,边长比管子外径大60～100cm ,厚度为25～30cm ,采用16～22mm 钢板焊制成。后靠背能把主顶油缸数百吨的反推力比较均匀地分布在后背墙上,从而防止后背墙的破坏。本工程中DN1000 顶管采用2 台2000kN 等推力主顶油缸,DN1650 顶管采用4 台2000kN 等推力主顶油缸。顶管的起重设备主要有轨道式龙门起重行车和吊车两种,根据管材重量不同选用不同的吨位。如果顶程不长,工期较短,最好采用吊车;如果顶程长,场地好,最好选用龙门行车,可节约成本,降低噪声污染。

注浆设备一般用无脉动、压力较稳的螺杆式注浆泵,它输出的泥浆能很好地挤入管道与土之间的缝隙里,使之在管子周围形成一个完整的泥浆套。注浆压力控制在0.15～0.2MPa 之间。泥水式顶管的输土为流体输送,主要由进排泥泵、基坑旁通装置和泥水管路系统组成,进排泥泵采用同一型号的离心式水泵,在长距离顶进中可增加一台中间接力泵来输送泥水。基坑旁通装置是由若干阀门和管道组合而成,可以使泥水循环流动,阀门可以手动也可电动操作。泥水工作井旁通装置示意见图5 。

图5 泥水工作中旁通装置示意图

泥水管路系统主要由泥水钢管、泥水软管、各种阀门、流量计和压力表等组成。泥水钢管一般用半柔性接头、与管子等长的钢管组成。在掘进机头内、中继环、工作井内需采用2～7m 不等的软管,便于安管及检修时拆卸。泥水管路中还要安装流量计和压力表,以便对流量、压力进行控制和记录。

4、测量及纠偏控制

无论工作井和接收井之间是否通视,可借助全站仪用独立坐标系法将工作井和接收井的预留孔中心准确定位,用水准仪测量预留孔高程,计算出顶进坡度,然后在工作井壁上靠接收井一侧设一轴线后视点,在井下安放J2 级激光经纬仪,顶进过程中可通过摄像头直接从掘进机内激光靶上看到偏差。测量纠偏是顶进中的控制关键,必须坚持勤纠偏的原则,测量纠偏成功可以减少顶进阻力,增加顶进长度,提高顶进质量。顶进纠偏一般采取调整纠偏千斤顶的方法进行编组操作实施,对手掘式机头,当偏差较大时采用局部超挖的方法作为辅助措施。顶进过程中要定时对管道轴线和高程进行复测。

5、掘进顶管

5.1、顶力估算

在泥水式顶管中,推力可按下式估算:

F = f ×π×D1×L +π×D22×γ×(H + 2D2/ 3) tg2(45°+φ/ 2)/4

式中:F ―――顶力,kN ;

f ―――管周摩阻力,kN/m2 ,根据各种土层施工经验其值取2～12kN/m2 ,管周摩阻力大小与注浆效果、顶进偏差控制有关;

D1 ―――管道外径;

D2 ―――掘进机外径;

H ―――管顶净覆土厚度,m;

γ―――土的天然密度,kN/m3 ;

φ―――土的内摩擦角, (°) 。

5.2、顶进

掘进机出井前必须对所有设备进行全面检查,液压、电气、压浆、水压、照明、通讯、通风等操作系统是否能正常进行工作,各种仪表、阀门、传感器是否正确显示,然后进行联动调试,确认没有故障后方可准备出井。正常顶进的程序为:

(1) 拆除洞口封门;

(2) 推进机头,机头进入土体时开动大刀盘和进排泥泵;

(3) 机头推进至能卸管节时停止推进,拆开动力电缆、进排泥管、控制电缆和摄像仪连线,缩回推进油缸;

(4) 将事先安放好密封胶圈的管节调下,对准插入就位;

(5) 接上动力电缆、控制电缆、摄像仪连线、进排泥管,接通压浆管路;

(6) 启动顶管机、进排泥泵、压浆泵、主顶油缸,推进管节并排出泥浆;

(7) 随着管节的推进,不断观察轴线位置和各种指标仪表,纠正管道轴线并根据土压力大小调整顶进速度;

(8) 当一节管节推进结束后,重复(2) ～ (7) 操作步骤继续推进;

(9) 在长距离顶进时,根据顶力计算在规定位置设置中继环。

5.3、顶进到位

(1) 顶进即将到位时,放慢顶进速度,准确测量出机头位置,当机头到达接收井洞口封门时停止顶进;

(2) 在接收井内安放好接引导轨;

(3) 拆除接收井洞口封门;

(4) 将机头送入接收井,此时刀盘的进排泥泵均不运转;

(5) 拆除动力电缆、进排泥管、摄像仪及连线和压浆管路等;

(6) 分离机头与管节,吊出机头;

(7) 将管节顶到预定位置;

(8) 按次序拆除中继环油缸,并将管节靠拢;

(9) 拆除主顶油缸、油泵、后座及导轨;

(10) 将注浆孔用水泥砂浆封闭严密;

(11) 清场。

6、注浆减阻

为了减少管道顶进过程中的摩阻力,在坑壁与管壁间注入触变泥浆,形成泥浆套。触变泥浆是由膨润土与掺合剂碱及水配置而成,其中配合比为膨润土∶碱∶水= 16%∶0.32%∶84%。触变泥浆拌制后,储于储浆罐内,放置12h 即可使用。泥浆由泵加压,经预先设置好的注浆孔注入到坑壁与管壁中间。注浆孔中需加设单向阀,注浆压力一般为(2～3)γH。注浆时按注浆孔位置的前后顺序依次进行。

7、中继环

在长距离顶进过程时,由于主顶油缸不能提供足够的顶力或后靠背及管材不能承受更大的顶力时,就必须在一定距离上设置若干个中继环,将管道分段依次顶进。中继环的总推力应按主顶油缸总推力的80%设置,中继环油缸的进程一般在30cm 左右,油缸外径比管壁厚略小为宜。当主顶油缸的推力达到中继环总推力的50 %左右时应安放第一只中继环,以后每当达到中继环总推力的70%～80%时安放一只中继环,而当主顶油缸达到中继环总推力的90%时必须启用中继环。

8、质量控制措施

顶管施工时,为确保顶进质量,要做好以下几方面工作: (1)定位放线准确; (2) 准确计算顶力、反推力; (3) 严密控制检测偏差,及时控制纠正千斤顶,调整方向; (4) 由专人负责地面沉降观测,随时报告; (5) 千斤顶的高压油泵专人负责操作,运转中勤检查,作好日常保养维护。

技术探讨与问题分析：

一、顶管工程的测量工作是整个顶管工程质量的关键，它的好坏将直接影响到管线线形的平顺，甚至影响到顶管的顺利贯通，因此需精心实施，确保无误。

①本工程测量包括高程测量和左右偏差测量两部分。

②高程测量较为简单，在地面上把永久性水准引测到井边，通过垂直钢尺引测至井下设临时水准点，再在管道内架设水准仪测至机头内标靶，即可知道机头高程偏差。此水准还可从机头测出来，闭合差按二级水准控制。

③左右偏差测量较复杂，在直线顶管中，我们可以在后座设一激光经纬仪，在满足通视的条件下，直接看机头内标靶就可以知道左右偏差。

④在井内后座处设置一个固定仪器墩，上架自动跟踪仪(测角精度2”，测距精度3+5ppm)。在井边设置固定脚架，上架棱镜，这样管道内就布设成了延伸导线，按导线法进行测量。方法是从井内自动跟踪仪器井边固定棱镜，作为起始导线边，然后从井内自动跟踪仪器管道内第一台全站仪，通过导线法传递，一直测到机头内棱镜，通过测量程序算出机头棱镜的坐标，再根据此棱镜与管中心的几何关系算出管中心坐标，与设计坐标比较，得出机头的实际偏差。

⑤井边棱镜的坐标和井内强制对中坐标通过地面上已知控制点放设，方法是三角测量，其误差控制在允许范围内。

二、本工程W7―W8管段出现以下现象：管子中心线左右两侧的地面产生沉降。并且，随着时间的推延，沉降槽的宽度与深度均与日俱增。分析其原因为采用了辅助的降水施工所造成的沉降，因此在以后的工程中应尽量少采用降水这一辅助施工手段，而采用无须降水的机械式顶管施工。

结束语：

顶管施工与开槽埋管施工相比,具有施工进度快、自动化程度高、地面沉降小、对周围环境影响小等优点。随着我国大中城市经济的迅猛发展和外来人口的涌入,城市原有污水系统已不能满足要求,旧有管线上部大多为密集建筑物或交通干线,顶管施工以不需要开挖就能穿越公路、铁路河流、地面建筑物的优势,在城市污水管网的施工中将会得到广泛的应用。

参考文献：

无锡市市政建设工程有限公司有关资料。