大管径顶管内穿越钢管施工技术应用

大管径顶管内穿越钢管施工技术应用

张硕  王洪兴 陆天明 崔健明 尹大鹏

中国建筑第八工程局有限公司东北分公司

摘要：顶管施工是一种不开挖或者少开挖的管道埋设施工技术，彻底解决了管道埋设施工中对既有建筑物的破坏和道路交通的堵塞等难题，在稳定土层和环境保护方面凸显优势。随着顶管工程的不断发展，工艺越来越成熟，应用范围也越来越广。因为避免钢管防腐层在顶进过程中被破坏，所有采取顶进钢筋混凝土管，内穿越钢管的施工技术得到普遍应用。此次以盘锦精细化工及原料工程项目中跨越既有管廊顶管施工为研究对象，通过不断的研究分析，探索出一种适用于大管径混凝土管顶管内穿越钢管安装的施工技术，解决大管径顶管内穿越钢管安装的精度，效率及质量问题。

关键词：大口径管道；泥水平衡顶管；内穿管；管道绝缘支架；

中图分类号：TU398+.9  文献标识码：A文章编号：1000-131X(2020)××-××××-××

Application of construction technology for crossing steel pipes inside large-diameter top pipes

Zhang Shuo  Wang Hongxing  Lu Tianming  Cui JianMing  Yin Dapeng

(China Construction Eighth Engineering Bureau Co., Ltd  Dalian, Liaoning  116021 )

Abstract: Top pipe construction is a technique for burying pipelines without excavation or with less excavation, which completely solves the problems of damage to existing buildings and road traffic congestion during pipeline burying construction. It highlights its advantages in stabilizing soil layers and environmental protection. With the continuous development of pipe jacking engineering, the process is becoming more mature and the application range is also becoming wider. Due to the avoidance of damage to the anti-corrosion coating of steel pipes during the jacking process, the construction technology of jacking reinforced concrete pipes and crossing steel pipes inside has been widely applied. The research object of this Panjin Fine Chemical and Raw Material Engineering project is the construction of crossing the existing pipe gallery. Through continuous research and analysis, a construction technology suitable for the installation of crossing steel pipes inside large-diameter concrete pipes has been explored, solving the accuracy, efficiency, and quality problems of the installation of crossing steel pipes inside large-diameter concrete pipes.

Keywords: Large diameter pipelines; Mud water balance top pipe; Internal conduit; Pipeline insulation support;

E-mail：Tianming0308@163.net

引　　言

顶管[1]施工是一种不开挖或者少开挖的管道埋设施工技术，彻底解决了管道埋设施工中对既有建筑物的破坏和道路交通的堵塞等难题，在稳定土层和环境保护方面凸显优势。随着顶管工程的不断发展，工艺越来越成熟，应用范围也越来越广。因为避免钢管防腐层在顶进过程中被破坏，所有采取顶进钢筋混凝土管，内穿越钢管的施工技术得到普遍应用。此次以盘锦精细化工及原料工程项目中跨越既有管廊顶管施工为研究对象，通过不断的研究分析，探索出一种适用于大管径混凝土管顶管

[2]内穿越钢管安装的施工技术，解决大管径顶管内穿越钢管安装的精度，效率及质量问题。

1  工程概况

精细化工及原料工程项目公用工程区第四雨水监控室、事故水池及提升泵站需要一根DN2400钢管穿越场外既有廊架，与红旗渠连接。由于大廊架钢结构下方净空尺寸为4米，小廊架钢结构下方净高为3米，大廊架混凝土基础净距仅为7.8m，如采用开槽做钢板桩支护施工，无机械操作空间，并且大范围开槽施工会暴露廊架混凝土基础而影响其稳定。为了保证廊架及基础安全，穿越此段采用顶管施工的方法。

2水文地质条件

场区内水文地质条件主要是以吹填土层、粉土夹粉砂层、粉砂层和粉质黏土层。地下水类型为潜水及承压水，潜水主要赋存在吹填土层中，承压水主要赋存在下部砂土层中，与海水相连通，具水力联系，承压水水位变幅主要受潮水涨落、大气降水及海水侧向补给影响。本次顶管主要在吹填土层和粉土夹粉砂层。

3方案选择

埋深超过6m的管道，根据场区水文地质条件，采用顶管施工为最佳施工方法。使用的钢管管道直径较大，达到DN2400，因此采用内径以DN3000钢混凝土Ⅲ型管为穿越管道进行顶管施工，再在钢筋混凝土管内安装DN2400钢管的施工方案。根据现场的地质条件和水文条件，选择泥水平衡顶管方法。

4施工

4.1  工作井施工

4.1.1  工作井和接收井设置及规格

工作井的作用是用于顶管始发端放置顶管设备并进行顶进施工的地下作业空间结构；接收井是顶管终端接收顶管机的地下作业空间结构，工作井和接收井的设置要满足其使用功能，并留有足够的操作空间。

4.1.2  工作井和始发井支护

工作井围护结构形式应根据地质资料、管道埋深、地下水位、环境条件等合理选择，主要支护型式有沉井、拉森钢板桩、人工护壁成孔、SMW工法桩、地下连续墙、喷锚网组合。本项目根据地质和水文条件、工期等因素选择拉森钢板桩支护型式进行施工。

图1  最不利工况图

图2内力位移包络图

4.1.3  降水

为了保证工作井和接收井顺利开挖，工作井和始发井各设置2口降水井，对称设置，同时设置两个监测井，定期对水位进行观测[5]。

4.1.4  土方开挖

工作井和接收井土方开挖方式主要是根据基坑深度决定。一般采用挖掘机、长臂挖掘机和小型挖掘机配合开挖，人工辅助清土的方式。

4.1.4  坑底基础

工作井底板需要承受施工荷载，故坑底铺设100mm碎石垫层，浇筑300mmC30混凝土，内配双层钢筋网。

4.2后背墙和止水墙施工

工作井后背墙以复合式钢板与混凝土连成刚性体后和钢板桩坑壁传递应力，其安全性更可靠。后背墙要经过墙板承载力验算和背后土承载力验算。

工作井止水墙是在进洞口方向设置混凝土墙与底板连接成一体保证确保进洞口土体的稳定性。

工作井后背墙和止水墙均是单面模板支设，采用穿墙螺杆与钢板桩焊接和设置内撑的加固方式进行模板加固。

4.3导轨安装

工作井导轨采用重型钢轨，顶管入土前，导轨要支承管节重量，并保证其稳定性和引导管节前进的轴线位和管道的走坡坡度的正确，所以安装时必须满足下列要求:

导轨安放前，应先复核管道中心的位置，并应在施工中经常检查校核；安装后两导轨应顺直、平行、等高、稳固，其坡度应与管道设计坡度一致；导轨安装完毕后应在预留洞口内安装副导轨，副导轨的安装要求与主导轨保持一致；顶进施工时，固定在工作井底板上的导轨不应产生位移、 沉降和变形。

导轨安装的允许偏差如下：轴线位置：±3mm；标高：0～ +3mm；轨道内距：±2mm。

4.4设备安装

4.4.1  泥水平衡掘进机[3]安装

使用起重设备将泥水平衡掘进机放入工作井内的导轨上，顶管机前端距井壁约300毫米。就位后先检查顶管机的轴线是否与机坑轴线、导轨轴线以及主顶油缸的轴线保持一致，发现偏差立即调整。无误后再进行顶管机电路、油路、注浆系统的安装调试]。

图3泥水平衡施工工艺示意图

4.4.2  顶具选择

根据顶力阻力计算，选择出适用顶具设备。本工程选用2台320吨千斤顶，使用专用顶具固定架进行固定。

4.4.3  注浆设备安装

为确保顶管外壁能形成良好的泥浆润滑套，共设置二根总管，二套管路系统。一根用于掘进机尾部的同步注浆，另一根用于补浆。

注浆泵站由单缸液压注浆泵和液压动力站组成，注浆量Q=80L/min，输浆总管由镀锌钢管和球阀、水暖管件等组成，与管节上各压浆孔接通的环形管。

根据注浆量和排土量设置泥浆池的规格。

4.5开启封门

封门有外封门和内封门，在沉井的洞门外侧设置钢板桩，随着沉井一起下沉，叫外封门，在洞门内直接砌筑砖墙或低标号混凝土，叫内封门。为了保证施工安全性，本工程采用钢板桩外封面和砌筑砖墙内封门两种方式。封门开启前，通过水位观测孔检查洞口外段的降水效果是否达到要求；

开启外封门时，采用拔桩机提拔洞口范围内的钢板桩。拔桩机要低频低振，防止破坏止水墙混凝土。

开启内封门时，掘进设备慢慢旋入砖墙内，缓慢切割墙体，直至刀盘完全没入墙内。调整止水圈位置，使其完全封闭地下水。

4.6管道顶进

4.6.1  安装管节

管节下吊时,工作坑内在下管地点的下方严禁站人，并有专人负责监督、指挥,待管节接近导轨时，工人再向前稳管就位。管节落到导轨上，要检查管壁与导轨面是否密切接触，如发现有悬空糊起现象,应转动管节直全完全密合为止；顶进前将钢筋混凝土管在导轨上稳好，对正管口。

4.6.2  顶铁设置

纵顶铁相接时一定要平直,不能出现上下左右的弯曲和错台现象，以防止产生偏心荷载；顶铁的中心线要与管道轴线一致；纵向顶铁与管端面相接触时，必须使纵向顶铁中心线通过管壁的平均半径上，即着力点位于管壁厚度的中点。

纵向顶铁间的顶铁块数应减到最少，只要满足模数就应换上整体顶铁；纵向顶铁着力点高度位于外直径高度的1/3~1/4处，并且靠下半部，以防止着力点太高容易使前管低头。纵向顶铁与横向顶铁应垂直相接。顶力增大时管端应加设弧形顶铁，增加管子受力面；为了接触均匀，管端面与顶铁间应加设衬垫。衬垫材料可用油毡、橡胶垫、石棉板、木板等。

4.6.3  注浆

顶管过程中，须同步注入减阻泥浆，它是减少顶进阻力、提高顶进速度的重要一环，减阻泥浆采用膨润土配制而成。在机头尾部设置有触变泥浆注浆孔，顶进施工的同步注入触变泥浆，以形成润滑浆套；每节混凝土管均有三个注浆孔，顶进过程中，通过注浆孔持续补浆。注浆使用挤压式注浆泵，视泥浆池内触变泥浆下降的速度及顶镐压力表读数调节注浆压力。

4.6.4  顶进

启动油泵，活塞伸出一个工作行程，将管节推向一定距离，停止油泵，打开控制阀，活塞回缩，复核顶进管道位置和标高，都符合要求后，开始下一节管道的顶进施工。

初始顶进每1米测量一次，并做记录。正常顶进和遇有纠偏时，每3米测量一次，测量时要注意照射到机头激光靶上的激光点和管道中心轴线的一致性，若出现偏差通知机手及时调整。测量人员分别绘制出管道中心及高程曲线图，随时预测机头的前进趋势。

4.7穿入钢管

拆除工作坑，分别在顶进套管两侧开挖管沟，管沟采用钢板桩支护，保证在沟槽内管道焊接安全，管沟开挖完成后，将DN2400钢管敷设于沟槽内对口焊接，钢管底部每隔3m焊接一组托架（或者采用专用管道绝缘支架），以防拉管时损坏钢管防腐层，钢托架下方设置滚动轮等装置。

图4托架示意图

在顶管套管东侧（即红旗渠一侧），先将一台绞盘车安装就位，制作安装一套带肋钢环圈，固定住钢管，另一端连接此绞盘车。

将两节DN2400钢管在沟槽内对口焊接、焊口检测、焊口防腐，待检测合格后，先将这两节为一体的24m钢管拉入顶管套管内。

拉管[4]的时候，首先采用2台200t汽车起重机将24m钢管吊起，采用一台挖掘机配合200t汽车吊掌握吊管转向，将钢管对准顶管套管的管口，严禁钢管即钢托架撞击顶管套管。之后，开动绞盘车，将钢管拉入套管内，钢管的管头要留在套管以外至少1m，以便后续钢管焊接。此过程需要绞盘车钻间歇性的拉进，以便汽车吊变换吊装点。

将另两节钢管在沟槽内焊接在一起，并用两台200T汽车吊（挖掘机配合）起吊、对口，将其和已经拉进套管内的钢管焊接在一起。等待焊口、防腐检测合格后进行2次拉管，方法同上。

4.8间隙注浆[5]

全部钢管安装到位后，可进行间隙注浆，浆体材料为水泥浆。

注浆前先在混凝土管顶部位置安装两根注浆管，用膨胀螺栓焊在混凝土管内壁。管端用砖将空隙口封闭并以水泥砂浆进行封堵。砖体砌筑同样分二次进行,第一次封至管高1/3处，待第一次注浆完成后，再全部封闭。在注浆过程中应密切关注钢管的高程变化，以防止钢管上浮变形。

4.9验收及回填

钢管安装完成后，对管道的轴线、标高、焊接质量等验收合格后，按照回填质量要求进行施工。

4.10安全管控

顶管工作具有危险性和不确定性等特点并且对操作人员也有很高要求所以安全管理措施尤为重要，为了确保该过程中的安全性与质量问题就需要采取一些必要的预防手段来防止事故发生或提高工作人员自身素质以及技能水平以避免出现不必要伤亡事件。重点管控是地下管网探测、吊装作业、出入洞口措施、导轨稳定性、顶进设备控制、应急预案等方面，并编制专项的安全管控方案，过程加强监管，注重验收，责任到人，认真履职。

4.11结论

采用DN3000钢筋混凝土Ⅲ型管作为穿越管道进行顶管施工，再在钢筋混凝土管内安装DN2400钢管相结合的施工方法，有效地解决了埋深较大的压力管道工程的施工技术问题，可供从事相关压力管道工程施工的同行参考。

参考文献

[1]潘泓佑. 基于顶管施工技术的道路雨污水管道工程技术研究 [J]. 工程建设与设计, 2024, (05): 239-241

[2]申志. 大管径顶管工程重难点分析与对策 [J]. 中国建筑金属结构, 2023, 22 (05): 94-96

[3]魏兰. 泥水平衡顶管掘进机施工技术 [J]. 建筑技术开发, 2022, 49 (24): 43-45.

[4]欧雪峰,屈星,王磊,等. 拉顶管施工技术在排水管网工程中的应用 [J]. 山西建筑, 2022, 48 (05): 156-158.

[5]王希勇. 大口径长距离顶管内穿管及填充灌浆施工技术分析 [J]. 安徽建筑, 2022, 29 (04): 34-36.

张硕（1987—），男，学士，高级工程师，中建八局东北公司 精细化工及原料工程项目中国建筑第八工程局有限公司项目经理。

大连市沙河口区体坛路9号凯泰铭座B座37楼工程设计院.

王洪兴（1987—），男，学士，工程师。主要从事技术方案、质量控制方面的研究。

陆天明（1986—），男，学士，工程师。主要从事质量控制方面的研究。

崔健明（1983—），男，学士，工程师。主要从事工程经济方面的研究。

尹大鹏（1990—），男，学士，经济师，主要从事安全工程方面的研究。