浅析大口径钢管顶进施工技术

浅析大口径钢管顶进施工技术

王卫蒲

王卫蒲

中铁十八局集团第五工程有限公司

摘要：结合黄浦江水源地连通管道顶进施工，对工作井施工工艺、顶管施工及施工质量保证措施等方面的阐述，实践证明，采用顶管施工减少了对环境的污染、确保了既有道路正常运行等诸多方面的优点，方案优化，效果显著。

关键词：大口径；工作井；顶管；掘进；

一、前言

钢管顶进是为满足大口径管道穿越江河通向水域的需要，从70年代开始发展起来的一项新技术。采用这一工法敷设管道，即不需要挖槽或水下挖泥，也不需要降低地下水位，可以直接在地下水位以下的土层中长距离顶进，穿越江河和地面建（构）筑物，也可直接通向水域。因而避免了施工对航运、铁道或公路交通的影响。

二、工程概况

该工程为黄浦江上游水源地连通管工程，工作井5座，接收井3座，顶管长度4485.37m，采用DN3000单管，壁厚30mm，单管长6.6m。本文仅阐述该工程一个工作沉井和一段管道顶进施工。

工作井（沉井）为圆形钢筋混凝土结构，外径Φ15.0m，高度16.82m，刃脚厚120cm，井壁厚100cm（80cm）。沉井采用不排水下沉，刃脚底采用高压旋喷桩加固；沉井结构三节制作、两次下沉。

该段顶进长度853.63m，均为直线顶进，顶进区域穿越淤泥质粘土，管顶覆土厚度约11.13m。

三、主要施工工艺

（一）工作井施工工艺

1、砂垫层厚度计算

P≥+rshs

式中：G—沉井下沉前单位长度动力（KN）；L—砂垫层宽度（m）

hs—砂垫层厚度（m）；α—砂垫层压力扩散角（取22.5°）

rs——砂的容重（取18KN/m3）；p—砂垫层底部土层承载力设计值（KN/m2）

经计算可得hs=0.9m，施工时砂垫层厚度采取1.2m。

2、沉井接高稳定性分析

Kc=＜1

式中：G—沉井自重（KN，计算所得18254）；

B—施工阶段最高水位的计算浮力（按设计图纸取4226）；

Tf—井壁摩阻力（kN，计算所得5595）；

R—沉井刃脚踏面、隔墙及底梁下地基土的反力（KN，三者相加取4191）。

经计算Kc=1.43＞1，因此，在沉井第三节接高前，在井内回填砂土防止突沉。

3、沉井施工工艺

（1）地基处理

1）测量放样

施工前，根据设计图纸坐标及基准点测量定位，同时在不影响施工的周围布置坐标控制点和临时水准点，并应填写测量复核单。

2）基坑开挖

基坑开挖采用机械挖土和人工修整相结合，机械采用WY-100型液压反铲挖土机，开挖至距坑底标高30cm左右时采用人工修坡、平底。基坑开挖过程中，利用排水沟结合集水坑进行排水。

3）铺筑砂垫层、砼垫层

基坑开挖经验收合格后及时铺筑砂垫层。垫层采用中粗砂，按30cm厚分层铺筑，并按15%的含水量边洒水边用平板振动振实，使其达到中密。

为了扩大刃脚的支承面积，减轻对砂垫层的压力，在砂垫层上，底梁及刃脚下铺一层15cm厚的C15素砼垫层，宽度为井壁外20cm。

（2）沉井结构制作

1）起重设备及支架体系

沉井制作及下沉施工选用1辆50t履带吊作为起重设备。

沉井制作时，内、外支架搭设于砂垫层之上，支架与井壁脱离，距离约30cm。在沉井下沉期间，内、外支架均需拆除。支架采用扣件式钢管脚手架，外支架沿井壁四周组成整体框架结构，每4m设斜撑一道，并采用安全网封闭，内外支架的作业层铺木板。

2）模板工程

①刃脚砖胎模砌筑

垫层达到一定强度后，在其上精确测放沉井平面位置，进行砖胎模施工。砌砖时采用水泥砂浆确保刃脚斜面平整，并预留井壁模板对拉杆孔位。

②井壁模板

模板采用组合式定型钢模，由螺栓连接。在预留孔、井壁底板等特殊部位采用木模，在插筋部位用2cm木板间隔拼装，所有模板表面平整后符合规范要求。围檩立筋采用φ48钢管，对拉杆采用φ14圆钢，其水平间距75cm，垂直间距60cm。

3）钢筋工程

对进场钢筋进行验收，按规格分批挂牌堆放并下垫上盖；对进场钢筋按批按规格抽样试验。

对上岗人员进行培训，培训合格后上岗操作，确保焊接质量。

制作成型钢筋，按其规格，施工顺序，分别挂牌堆放，其成型的尺寸、规格由质检员抽样检验，钢筋接头位置要互相错开，同一截面的钢筋接头要求严格按施工操作规程要求执行。

4）砼工程

本工程采用商品砼，泵送到位的方法。沉井混凝土接高的轴线与中轴线重合或平行，并在沉井分节处设凹槽作为施工缝，且加设钢板止水片，上节混凝土须待下节混凝土强度达到75%后方可浇筑，在下一节浇注之前，施工缝处须凿毛、清洗干净、排除积水，水平缝铺设一层厚1cm同标号水泥砂浆。

5）成品养护及拆模

砼浇注完毕后，养护采用挂草袋，外覆塑料布养护，养护时间不少于14d。

按设计要求待混凝土强度达到70%即可拆除模板，并在四周互成90°画好水平标高尺，以便观察标高和控制下沉速度。为防止对拉杆孔漏水，在螺栓孔内外端部，均把止水垫挖除，在凹进部位用1：2水泥砂浆抹平，外端用防水砂浆嵌实，再涂刷两层防水胶。

6）沉井下沉

沉井下沉主要是通过从井孔内除土，消除刃脚下面的阻力及井壁摩阻力后，依靠沉井自重下沉。

下沉时沉井第一节强度应达到设计强度100%，其余各节达到设计强度75%凿除混凝土垫层。当素砼垫层敲拆后，沉井重心偏高，井壁四周无摩擦力，沉井的下沉系数较大，掏挖刃脚下的砖土若不均匀，将会使沉井产生很大的倾斜，因此在沉井挖土前，沉井的刃脚先采用人工全面同时分层掏挖使其逐渐下沉，并使刃脚埋在土层中，降低沉井重心。在沉井下沉至穿墙洞标高时，在穿墙洞内分层回填黄泥，并夯实。

7）沉井封底、底板施工

1）封底施工

沉井在下沉距设计标高2m时，结合封底要求控制基底土层高度，绘制土面高程图，进行针对性清基。沉井下沉到位后进行8h连测，如下沉量小于10mm方可封底。封底采用水封底，分格对称进行封底。

2）底板施工

在施工钢筋砼底板前，将底板和井壁接触处凿毛部位清洗。底板钢筋与井壁预留钢筋采用电焊接头。混凝土施工遵循平衡、对称的原则。井内设集水井，在沉井清基及块石、碎石找平后，水下砼封底前布置，下部连接六寸泄水孔进入素砼封底层下的块石中。砼浇筑完毕后，降水井派专人抽水。

（二）顶进施工

1、顶管施工设备配置

1）工具管选型

根据工程特点及地质情况，选用φ3020mm土压平衡大刀盘工具管，并进行保养改进，其设备性能质量满足施工需要。

2）顶管现场施工设备及井内布设

施工现场采用50t履带吊负责钢管的吊运工作。

井内沿管轴线方向安装刚性后座以及千斤顶、导轨、顶铁等顶进设备。管内供电及井内电力箱位于井内。沿井壁安装2根2寸压浆管、1根2寸供水管。井内两侧平台布置配电箱、电焊机等装置。

3）顶进系统

导轨：选用型钢材料制作，通过底板上的预埋件焊接在钢筋砼底板上；另外，井壁上预设预埋件，在导轨安装到位后，须用型钢在平面方向支撑在井壁上。

后靠背：后靠背须承受和传递全部顶力，且具有足够的强度和刚度。为确保后靠背安全，在砼后靠背前布置一块6cm厚度刚性后靠背。

后座主顶设备：顶管后座主顶装置使用西德制油泵车，共六只千斤顶，分两列布置。主顶千斤顶为双冲程千斤顶，总行程为3.70m，主顶千斤顶每只最大顶力为3000kN。

顶铁：顶铁采用钢板及高强度钢管焊接成型，有足够的刚度，顶铁相邻面互相垂直，规格相同，安装后的轴线与管道轴线平行、对称。

4）出土系统

采用对止水有利的有轴螺旋机。螺旋机的作用是出渣和调节土仓土压力，螺旋叶片从土仓下部伸入土仓中取土，并将渣土输送到螺旋机的尾部，通过出土闸门卸在搅拌土箱内，在推进速度一定时，通过调节出土闸门的开启度和螺旋机转速的变化来实现对土仓内土压力的调节。

5）泥浆系统

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及时有效进行跟踪注浆，确保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。

6）中继间布置计算

中继环采用可伸缩的套筒承插式密封结构，长约1600mm。每道中继间安装30只350kN油缸并安装行程传感器及压力传感器。

L=（P-N）×t/F（公式一）

式中：P—中继环设计顶力（kN）；N—机头迎面阻力（kN）

F—每米管壁摩阻力（kN/m）；t—留余顶力，取0.6

N=×D12×Pt（公式二）

式中：Pt=r（H+2/3D1）tg2（45°+λ/2）；H—管顶覆土厚度（m），取11m；

D1—顶管机外径（m）；λ—土的内摩擦角，取14°；

Pt—机头底部以上1/3D1处的被动土压力（kN/m2）；

r—土的天然重度（kN/m3），取16.7；

F=（公式三）

式中：D—管壁外径（m）取3.02m；f—管壁单位摩阻力，取4kN/m2；

经以上公式计算：L=120m，考虑首环中继环纠扭及纠偏作用，取13.2m。第二节设置距工具头距离79.2m。

后继中继间距离经计算：L=165.8m，单管长6.6m，取165m设置一中继间，共6个中继间。

2、钢管制作、吊装及现场焊接

钢管的卷材、外防腐、焊接均在专业厂家加工运输至施工现场。管节的拼接在专用胎架上进行，以保证管段的平直度，焊接采用直缝埋弧自动焊工艺。

钢管吊运时，用宽帆布吊带缠绕后吊装；管材吊运顶管井之前，在半空清理一遍并检查是否有裂缝和伤痕，连接时用木撑或木锲临时卡紧。

根据本工程的焊接工艺，焊接材料选定碳钢CO2气保护实芯焊丝，焊接设备采用YD-500KR的焊机。

3、管道内、外防腐方案

管外防腐采用熔融结合环氧粉末涂层，涂膜干膜总厚度≮400μm，管端预留15cm。涂装工艺和质量按《熔融结合环氧粉末涂料的防腐涂装》（GB/T18593-2010）和《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB/T50268-2008）执行。

管内防腐采用水泥砂浆，在管道安装、试压合格后进行。内防腐除管道附件、现场接拢段采用人工外，其余采用专门设备喷涂并抹光。

四、主要工序质量保证措施

（一）掘进机出洞防磕头措施

顶管机进出洞口需具备最基本的岩土工程条件是洞门稳定，地下水控制情况良好（无涌水、涌砂等现象），需采取针对性措施对地基加固。

外围深层搅拌桩加固要求均匀，不留死角。顶管机进、出洞前对井外地基加固进行验收，加固强度达到施工要求后，才能进行进出洞施工。

（二）初始顶进防止管道后退措施

由于在初始顶进阶段正面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及发生人员的生命危险，因此在初始顶进的钢管外侧埋设预埋钢板，在主推千斤顶退回前将钢管与井壁相连，直至钢管外壁摩阻力大于掘进机正面土压力为止。

（三）管道抗扭转措施

由于周围土质的变化、纠偏的影响会造成掘进时管道发生不同程度的扭转，直接影响到施工质量，其防止措施为：①在管内设备及管道安装时，根据重量平衡原理，在安装设备及管材的另一侧配以相同重量的配重，使管道顶进时左右重量保持平衡。消除人为造成管道扭转的因素。②顶进时在掘进机及每个中继环处设有管道扭转指示针。一旦发现微小的扭转即用单侧加压配重的方法进行纠扭。配备了300t压铁，单块重量为25kg。

掘进机若发生扭转，则将左右两只抗扭转翼板向外推出。推出越长，抗扭力矩就越大，当掘进机平衡时则缩回翼板即可。

（四）减阻泥浆管理及控制

顶进时贯彻同步压浆与补浆相结合的原则，掘进机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孔，具体补浆孔位位置设置于中继环后面一节管节及二道中继环中间管道位置上，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，为保证润滑泥浆的稳定，确保泥浆满足施工要求。

（五）钢管管节防腐保护措施

现场管节不得滚动吊装，在行车轨道上满铺轮胎橡胶皮，管节吊放采用两点吊，吊钩及钢管接触位置铺轮胎橡胶皮，保护钢管的防腐油漆不被损坏。若因特殊原因造成防腐油漆受损，比较轻微的破损，经过现场监理查看批准后，现场补漆，厚度同原防腐油漆设计要求，破损比较严重，管节返回加工制作场地返工。

五、结束语

通过合理施工、有效监督、科学监测、及时纠偏，采用顶管施工减少了对环境的污染、确保了既有交通正常运行等诸多方面的优点，方案优化，效果显著。

参考文献：

[1]《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB50268-2008）；

[2]《路桥施工计算手册》人民交通出版社；

[3]《熔融结合环氧粉末涂料的防腐涂装》（GB/T18593-2010）