摘 要：以上海市徐汇区某排水及道路修复工程为实例,对顶管法施工在市政下水道工程中的施工技术进行探讨和总结,介绍了顶管施工方法与流程、顶管作业技术措施,阐述了顶管法施工采取的安全监测及保护措施,这些措施有效保证了各段顶管施工的安全,为工程顺利开展提供了保证。


以上海市漕东支路 (龙漕路~曹东二路) 排水及道路修复工程为例, 对顶管法施工在市政下水道工程中的施工技术进行探讨和总结。本工程位于徐汇区, 地处城市繁华地段, 污水管道走向主要沿着交通繁忙道路, 沿线建筑物密集, 地下管线错综复杂。工程主线新建Φ1 500 mm雨水管道主要采用顶管的施工方法, 顶管工作坑采用钻孔灌注桩的围护形式。共设置2个工作井 (编号为CDY4、CDY17) 、2个接收井 (编号为CDY11、CDY21) 。新建雨水管为Φ1 500mm钢筋混凝土管, F型接口, 采用顶管施工, 分3段顶进施工, 管道全长485 m。工程实施的主要目的是解决漕东支路沿线街坊及路面排水问题。工程所处地质情况:管线所经地域, 埋管底标高为-4.0~-5.0 m, 管道基本位于 (4) 1层淤泥质黏土层内, 局部可能涉及有 (3) 层灰色淤泥质粉质黏土层。

1.施工准备

根据现场条件, 摸清施工区域的土质、地下水位置, 以及地下障碍物、公共管线、附近建筑物和道路交通等情况, 采取必要的防范措施, 正确组织施工。


1.1 工作坑设置


工作坑采用钻孔灌注桩的围护结构:钻孔灌注桩的桩径为Φ600 mm桩长为9.9~11.4 m。基坑最外围采用双排Φ600 mm旋喷桩形成止水帷幕, 旋喷桩桩长为11.9~13.4 m。坑底以下2 m厚度土壤进行压密注浆, 注浆孔间距为1.0 m, 呈梅花型布置。基坑开挖过程设置两道支撑。


1.2 工具管选型


选择好顶管掘进机对顶管施工至关重要。根据本工程顶管口径、施工条件和土质情况, 加上以往类似条件下的施工经验, Ф1 500 mm雨水管顶管施工采用泥水平衡顶管掘进机。泥水平衡顶管机具有双重平衡功能, 即其能自动平衡顶进正面土体的土压力, 同时通过对泥水室进行泥水加压, 又能平衡地下水压力。不仅保证了施工过程安全可靠, 也很好地控制了地表隆沉, 工程施工全过程地表隆沉值控制在了1 cm以内。此外, 泥水平衡式顶管掘进机还装有主顶速度检测仪、倾斜仪等, 对顶进速度、机头旋转、水平倾角自动进行测量, 为顺利完成顶管全过程提供了安全和技术保障。


1.3 顶力计算


顶管的顶力以最长段工作井CDY4至接收井CDY11段Φ1 500 mm顶管为例, 长度185 m, 按式 (1) 计算, 经计算总推力需533.7 t。


F=F1+F2          (1)


式中:F为总推力;


F1为迎面阻力;


F2为顶进阻力。


1.4 顶进系统选择


本工程主顶进系统采用4只200 t双冲程等推力油缸, 行程3 200 mm, 总推力800 t。4只主顶油缸组装在油缸架内, 安装后的4只油缸中心位置与设计图一致, 使顶进受力点和后座受力都保持良好状态。安装后的油缸中心误差<10mm。主顶液压动力机组由一台大流量斜轴式轴向柱塞泵供油, 采用大通径的电磁阀和系统管路, 减小系统阻力。因主顶系统顶力满足设计要求, 本工程不设中继站。


2.顶管施工方法及流程


顶管法施工是借助于主顶油缸及管道间中继间等的推力, 将工具管或掘进机从工作坑内穿过土层一直推到接收坑内吊起。与此同时, 也就把紧随工具管或掘进机后的管道埋设在工作井与接收井之间。这是一种非开挖的铺设底下管道的施工方法。


本工程待顶管工作坑内设备安装完毕, 经检查各部处于良好状态, 即进行开挖和顶进。首先将管子下到导轨上, 就位以后, 装好顶铁, 校测管道中心和管底标高是否符合设计要求, 合格后即进行管前端挖土以及顶进作业。施工顺序为:施工准备→挖顶进工作坑→顶进设备安装→工具头入井内→人工挖土→管道顶进→混凝土管拼装→管道贯通→拆工具管→砌检查井→回填壁后。


2.1 顶管施工技术措施


2.1.1 顶进施工

(1) 顶进利用千斤顶出镐在后背不动的情况下将被顶进管子向前推进, 其操作过程如下: (1) 安装好顶铁, 挤牢, 管前端留一定长度后, 启动油泵, 千斤顶进油, 活塞伸出一个工作行程, 将管子推向一定距离。(2) 停止油泵, 打开控制阀, 千斤顶回油, 活塞回缩。(3) 添加顶铁, 重复上述操作, 直至需要安装下一节管子为止。(4) 卸下顶铁, 在混凝土管接口处放一圈麻绳, 以保证接口缝隙和受力均匀或采用其他防渗漏措施, 保证管与管之间的连接安全。(5) 重新装好顶铁, 重复上述操作。


(2) 顶进时应注意事项: (1) 顶进时应遵照“先挖后顶, 随挖随顶”的原则。应连续作业, 避免中途停止, 造成阻力增大, 增加顶进的困难。(2) 首节管子顶进的方向和高程, 关系到整段顶进质量, 应勤测量、勤检查, 及时校正偏差。(3) 安装顶铁应平顺无歪斜现象, 每次收回活塞加放顶铁时, 应尽可能换用安放最长的顶铁, 使连接的顶铁数目为最少。(4) 顶进过程中, 发现管前土方坍塌、后背倾斜, 偏差过大或油泵压力表指针骤增等情况, 应停止顶进, 查明原因, 排除故障后, 再继续顶进。


2.1.2 顶管工具管进出洞措施


顶进前所有顶进设备及顶管掘进机必须全部安装就位, 设备需试运转。在穿墙前通过衬墙上的预埋螺栓安装好帘布橡胶板、圆环板、扇形后板等止水装置。


(1) 顶管工作井出洞措施:采用压密注浆的方法临时加固洞口, 将掘进机机头顶进至工作井导墙内, 为防止初始出洞阶段由于正面水土压力大于掘进机周边的摩阻力, 而使掘进机及管段在拼装时发生后退现象, 在前20~30 m顶进混凝土管外壁设置埋件, 每次拼装管子前将已顶进的部分与井壁进行连接, 直至不发生后退为止。


(2) 顶管接收井进洞措施:在顶管掘进机接近洞口30~50 m时, 作一次全面的轴线及高程复核, 在确认无误后, 在接收井内做好接收的一切准备工作, 包括接收平台的搭设。工具头顶进到井壁后, 停止压浆, 拆除接收井的封门, 顶管掘进机穿进井墙上开始上接收架, 马上采取临时止水措施, 并继续顶进, 待完全上架后按设计对进洞管段采取永 久性止水封堵措施。


2.2.3初始顶进管道防后退措施


由于在初始顶进阶段正面水土压力远大于管周围的摩擦阻力, 拼接管子时主推千斤顶在缩回前必须对已顶进的部分与井壁进行固定, 否则管道发生后退会导致洞口止水装置受损。因此在初始10~15节混凝土管外侧埋设预埋钢板, 在主推千斤顶退回前将混凝土管与井壁相连, 直至混凝土管外壁摩阻力大于掘进机正面水土压力为止。


2.2触变泥浆配制及压浆方案


触变泥浆制作在整个顶管过程中起到非常重要的作用, 泥浆主要作用有两个, 一个是支承作用, 二是润滑作用。


配制最 佳支承作用的触变泥浆根据顶管穿越土层筛分曲线详尽地掌握土层的颗粒分布, 选择适当的膨润土微细颗粒所占的数量及膨润土的种类, 配制保证支承作的泥浆, 泥浆制作考虑一定的粘滞度和注浆的厚度。本工程润滑泥浆材料主要采用钠基膨润土, 纯碱、CMC、物理性能指标:密度1.05~1.08 g/cm3, 黏度30~40 s, 泥皮厚3~5 mm。


注浆设备用BW-200压浆泵, 将符合物理性能要求的润滑泥浆通过总管、支管、球阀、管节上的预备注浆孔压到管壁与土体之间, 包住混凝土管。


管段压浆顶进时贯彻同步压浆与补浆相结合的原则, 工具管尾部的压浆孔要及时有效地进行跟踪注浆, 确保能形成完整有效的泥浆环套。管道内的压浆孔进行一定量的补浆, 补压浆的次数及压浆量根据施工情况而定。压浆时必须坚持“先压后顶、随压随顶、及时补浆”的原则。顶进结束, 对已形成的泥浆套的浆液进行置换, 置换浆液为水泥砂浆并掺入适量的粉煤灰, 在管内用单螺杆泵压注。压浆体凝结后 (一般为24 h) 拆除管路封闭注浆孔, 将孔口用环氧水泥堵抹平。


2.3 混凝土套管顶进技术要求


工程采用钢筋混凝土管, F型接口。在混凝土管顶进过程中, 千斤顶的顶力必须大于各种混凝土管产生的作用力, 混凝土管方能正常顶进。


混凝土管的顶进能否按原定的标高和方向顶进, 主要与千斤顶作用点有关系。当使用一个千斤顶顶进时, 着力点在混凝土管中心垂直线靠管底的1/3处;顶管的管端与顶帽之间, 还有千斤顶与后靠背墙之间都应该衬上软垫, 以防止受到的力不均匀, 影响混凝土管的正常顶进;当顶完一镐时, 可以用小千斤顶把顶杆退回到原来的位置上, 再增加一段顶铁接着顶进。顶管所用顶铁可多准备几根, 这样可根据管端和千斤顶间的不同间距, 交替使用顶铁。当被顶的管子尾部只剩下0.3 m时, 可以把千斤顶杆退回到原来的位置上, 然后卸下顶帽和顶铁, 再下一根混凝土套管。两根管子的对口缝隙应衬上软垫, 并且在混凝土管内用内胀圈固定, 再用木楔挤紧, 方可继续顶进。当顶完全部混凝土管套管后, 可以取下挤紧内胀圈的木楔, 然后用石棉水泥抹口, 或者用水泥沙浆抹口, 再将环口缝隙填满塞严, 以防止渗漏。


在混凝土管顶进的过程中, 每顶进一根管, 必须测量一次标高和中线, 如果土质不好, 更需要随时检查。当顶进60 cm时, 必须测量一次, 以确保准确无误。如果发现所顶混凝土管左右偏离, 则需在偏离的一侧少挖一些土, 在另一侧多挖些土, 这样可以纠正混凝土管的偏离。如果所顶混凝土管出现“低头”情况时, 倘若误差不太大, 则可将小千斤顶放在垫木上, 让力的作用点在管端上, 随着混凝土管顶进, 放松小千斤顶, 这样可使混凝土管逐渐地恢复到正常位置上;如果混凝土管出现“仰头”情况, 可以将管底土适当地多挖一些, 或者把千斤顶的作用点向上稍作移动, 等恢复正常后, 再把力的作用点挪回到原来的位置上继续顶进。通过上述方法, 就能保证混凝土管的正常顶进, 顶管施工才能顺利进行。


2.4 测量与纠偏


(1) 顶管测量。(1) 测量次数。开始顶第一节管子时, 每顶进20~100 cm测量一次。校正时, 每顶进一镐即测量一次。(2) 中心线测量。在直线顶管中, 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知道左右偏差。(3) 高程测量。一般在工作坑内引设水准点, 停止顶进, 将水准仪支设在顶铁上, 测量前端管底高程。


(2) 顶进纠偏原则。顶管要符合设计要求的轴线进行, 利用顶管机倾斜仪和测量数据提供的机头折角、倾斜仪基数和走动趋势、前后尺读数比较、机尾处地面沉降量等数据进行分析。主要是工具管头部测量与纠偏的相互配合, 纠偏是完成管道线型的主要手段, 纠偏原则如下: (1) 勤测勤纠, 即每顶进一段距离, 测量一次工具头轴线及标高偏差情况。(2) 小角度纠偏:每次纠偏角度要小, 微机每次指出的纠偏角度变化值一般都≤0.5�。(3) 纠偏操作中不能大起大落, 如果在某处已经出现了较大的偏差, 这时也要保持管道轴线以适当的曲率半径逐步地返回轴线上来, 避免相邻两段间形成的夹角过大。


(3) 纠偏措施。(1) 顶进过程中的纠偏可采取调整纠偏千斤顶的方法, 进行纠偏操作。若管道左则千斤顶采用左伸右缩方法, 反之亦然, 如同时有高程和方向偏差, 则应先纠正偏差大的一面。(2) 发生较大偏差应分析发展趋势, 采用分次逐步纠正, 勤调微纠, 若偏差超过质量标准, 应通知停止顶进, 研究有效措施, 方可继续顶进。(3) 对顶进中发生因顶管机头的旋转影响出土、测量等情况, 必须采取措施, 防止偏转扩大。方法有改变切削刀盘的转动方向, 在管内的相反方面增加压重块, 直到正常。


3.顶管作业技术措施


3.1 防水排水措施


(1) 由于本管道为雨水管道, 为防止管道渗漏和地下水涌入, 管节间必须有可靠的防水措施;本工程采用F型钢套环, 楔形橡胶圈密封。


(2) 顶管工作应尽量从下游向上游方向进行, 地下水由工作面流向工作井集水坑, 再用泵排出地面。


3.2 不良地层事故处理技术措施


在顶管过程中, 由于泥水平衡压力控制不当或停顿时间过长, 可能会造成突顶和工作面塌方事故。发生突顶时应该逐渐降低工具管内泥水压力, 使泥水压力略小于地下水压力, 关闭冲泥水枪和吸泥泵, 启动千斤顶缓慢顶进一段距离, 待顶力升高, 采用小水力冲泥, 间歇启动吸泥泵排泥, 做小量排泥。发生塌方时应该逐渐升高工具管内泥水压力, 使泥水压力略大于地下水压力, 关闭冲泥水枪和吸泥泵, 启动千斤顶缓慢顶进一段距离, 待顶力升高, 采用小水力冲泥, 间歇启动吸泥泵排泥, 做小量排泥。


3.3 管道渗漏治理


对管道渗水和漏水点, 先凿V形槽, 埋入导水水管, 用速凝水泥封闭管周, 待水泥有一定强度后, 用手动泵压入水泥水掺玻璃浆液封堵。


3.4 顶管作业面通风照明


顶管作业面通风采用压入强制性通风措施, 用风机通过3.81 cm铁管向工作面压风。管内照明采用36 V电源专用箱及3 k V以下的变压器, 输出电压24 V, 能满足管道内照明亮度要求。在管道右上方每隔10 m布置一个灯架, 照明电缆也固定在上面, 按顶进距离逐步延伸装置。


3.5 顶管坑内检查井砌筑


管道完成后, 按设计图在坑内用砖砌筑检查井, 井内外批防水砂浆。待砂浆达到一定强度后, 回填石屑至管顶面, 用水冲实, 其上用土回填, 分层夯实。


3.6 沿线地面设施保护措施


顶管施工会对沿线地面的道路、构筑物和公用管线产生一定影响。为确保其安全, 在本工程施工前, 对道路沿线的信息管线、中国联通管线、信号灯管线等进行搬迁, 对道路原雨水管道进行改排, 待顶管结束后恢复。


3.7 沉降监测


在顶管管位沿线路口和构筑物上布设沉降监测点。


(1) 一般道路沿轴线布置5个断面, 每断面布置9点, 断面间距为5 m, 点位间距5 m;构筑物的沉降观测点布置在4个角的位置, 并在管道轴线附近处适当加密, 确保沉降能够及时得到反映, 以便采取应急措施。


(2) 检测频率。开始顶进施工时为2 h一次, 穿越构筑物区域时每节管一次。后期沉降, 施工后15 d内为每24 h测一次。


3.8 施工安全监测及保护措施


(1) 在出洞后的顶管过程中, 根据地面沉降监测数据对顶管正面土压力和泥水压力调整到最 佳值, 防止因正面水土流失引起的沉降。


(2) 顶管施工必须连续顶进, 不得中断。顶进过程掌握好顶进速度与出土速度, 保持土体稳定。另外在顶管机头穿越道路时应加强注浆, 使机头及管道周围形成润滑套, 减小摩擦阻力, 从而减小管道对周围土体的侧压力。


(3) 顶进过程中, 在顶管沿线进行全线路跟踪注浆, 用来加固管线附近土质强度, 以防止土体流失道路产生沉降。


(4) 顶管完成后, 除进行一般的澎润土泥浆置换外, 特别要加强路面下方的补浆, 路面下方的土体可通过设置在管道上的注浆孔注入水泥砂浆, 填补路面下方土体的空隙, 从而使路面下方土体的强度尽量恢复到顶进前的状态, 以保证路面的安全可靠。


上述施工安全监测及保护措施, 有效地保证了本工程各段顶管施工的安全, 为工程顺利开展提供了保证。


4.结语


本工程施工采用非开挖式顶管施工方法, 加快了施工进度, 对施工沿线房屋和公用管线起到了很好的保护作用, 基本没有影响施工沿线居民的出行交通, 也无噪声、粉尘污染, 取得了良好的社会和经济效益。



摘自《建筑科技》