市政给排水工程中曲线顶管施工的应用探讨

　　摘要：以某工程排水系统改造工程为实例，就整个曲线顶管施工过程，曲线顶管轨迹控制与纠偏技术，曲线顶管施工沉降分析及沉降控制，以及对道路、构筑物和公用管线的保护措施等做了详细阐述。
　　关键词：市政给排水，顶管控制与纠偏，沉降控制，顶管施工
　　1工程概况
　　该排水系统改造遗留工程位于市区繁华地段，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。污水管为Φ2400钢筋混凝土管，“F”型接口，采用顶管施工，管道全长约718.2m。工程分7段顶进，其中3段为直线顶管；4段为曲线顶管，包括：汾阳路曲线顶管149.6m（R=600，α=7.4°），桃江路曲线顶管87.6m（R=300，α=11.6°），宝庆路曲线顶管77.9m（R=300，α=11.6°）和复兴西路曲线顶管197.8m（R=600，α=8.0°），如图1所示。
　　
　　
　　工程所处地质情况：该工程管线所经地域，埋管底标高为-4.0m～-6.0m，管道基本位于④1层淤泥质粘土层内，局部可能涉及有③1层灰色淤泥质粉质粘土或③2层粉土层。
　　2曲线顶管施工
　　整个曲线顶管过程分为四个阶段：出洞前准备阶段、正常顶进阶段、曲线段顶进、出洞及后期收尾阶段。
　　2.1出洞前准备阶段
　　该阶段工作包括：起重设备就位，顶管设备进场，洞口止水装置安装，轴线放样，立后靠，机坑导轨、主顶油缸组成及测量安装就位，泥水系统机坑旁通阀组及管道系统安装就位，操纵平台搭建，电气控制线路布置，储水箱及泥水泵安装就位、压浆系统及其管道安装就位、顶管机头下井就位，各部分设备调试运行，联机总调试，触变泥浆搅拌储存等。
　　2.2正常顶进阶段
　　凿除水泥土或混凝土，割除型钢或钢筋，打开洞门，机头顶入洞口后下设备段。转接油管、电缆及泥水管后继续顶进。油缸顶到位后，拆除泥水管和电缆，第一节管下井，设备段与第一节混凝土管合拢，接通泥水管和电缆继续顶进。重复上述过程。在顶至预定长度后，下中继环并联机调试一次。在顶进过程中每顶一节管就要对顶进轴线作1~2次测量，确定纠偏的方向和时机，并对机头前10m，后20m的地面沉降监测点作测量，以便当班施工人员能及时采取相应措施，控制沉降幅度。整个顶进过程中从机头后设备段、即后续管每隔两只管节设置一圈压浆孔向管壁外注入触变泥浆，进行顶进中的定点压浆和中间补浆，用以减小顶进时管外壁阻力，填充土中空隙，减小地面沉降。
　　2.3曲线段顶进
　　管道顶进进入曲线段时，利用机头纠偏油缸作(管道)机头一侧“伸展”形成曲线。这种“伸展”所产生的曲线稳定可靠，但后续接口易产生张开量不均匀的问题，严重时会造成接口破坏。为确保每个管节的接口张开量均匀，须用液压千斤顶来调整接口张开量。当接口张开后，用特制的厚木垫嵌入开口处而使接口张开量保持恒定。
　　2.4出洞及后期收尾工作
　　该部分工程包括：接收导轨就位，安装洞口止水装置，机头偏差复测，井位复测，打开洞门，机头进洞并吊运，管道内清理，洞口井壁与混凝土管节间连接处理，机坑内设备拆除和吊运,管道清洗，管节偏差测量记录。
　　3曲线顶管轨迹控制与纠偏技术
　　3.1顶管自动测量引导系统
　　测量对曲线顶管的轨迹控制至关重要。由于在曲线顶管管内，测量仪器不能与机头通视，而且在顶进过程中，整体管道都是处在无规则动态，还会发生旋转现象。若采用人工地下导线测量方法，不仅测量时顶管必须停止，而且工作量大，影响顶管进度。在二次测量之间，只能盲目顶进，顶管质量难以得到可靠保证。为此，引进了国内先进的顶管自动测量引导系统[3]，实现了机头的跟踪测量，做到“随测随纠”，有效地保证了顶管的质量并大大提高整体施工进度，效果特别明显。
　　3.2曲线顶管的纠偏技术
　　除了机头一套纠偏装置以外，把最前3节管子设计成纠偏特殊管。即：在普通管的尾部预留油缸槽，放置起曲油缸，以便顶管进入曲线段时，可以同时启用机头纠偏油缸和起曲油缸，并把松木垫逐步垫到设计厚度，形成整体弯曲弧度开始起曲。只要机头及前几节管子已经开始起曲，后面的管节一旦到达起曲段，也会自行起曲。为了保持曲线，必须在管节开口后，逐步塞入木垫，直到设计厚度为止。同时在前8节管子上设置拉杆，以便控制管节缝隙的变化，以防线型失控。当顶进从曲线段恢复到直线段时，也是通过机头纠偏油缸和起曲油缸实现的。这时可把原来压实的木垫抽出，或在反方向塞人木垫，逐步达到设计厚度。曲线顶管从直线段到曲线段和曲线段恢复到直线段，应经过一段过渡曲线。施工前可根据设计曲线制定实际控制曲线，实际控制曲线宜保持在设计曲线的内侧。该工程复兴西路段曲线顶管高程和中心偏差如图2所示。
　　
　　4曲线顶管施工沉降分析及沉降控制
　　4.1沉降分析
　　顶管施工引起地层沉降而破坏环境的原因往往是综合性的，涉及到施工的方方面面，归纳起来，主要有以下一些因素。
　　（1）膨润土泥浆制备质量差，减摩性能不好，顶进摩阻力大；注浆工艺不合理，顶管密封性不好，不能形成完整的泥浆套，泥浆减阻作用不能有效发挥甚至产生“背土”现象；纠偏措施不力，轴线偏差过大。这些因素都会使管周土体扰动范围过大而引起较大沉降。如果顶管机选型不合理，开挖面土体因卸荷作用大量向外挤出甚至坍塌也会引起较大地层沉降。
　　（2）中继环或顶管接头因曲线顶进而张开或局部应力集中而破损，密封失效，使膨润土泥浆大量渗漏到管内，以至浆套无法形成，从而导致一系列严重后果如泥浆套收缩，摩阻力增大，地层强烈扰动，从而引起地层沉降。
　　（3）泥浆配比不当，泥浆套支撑作用难以有效发挥，导致上覆土体特别是非粘性土垮塌，或者施工完毕，未及时彻底地置换掉膨润土泥浆而因其失水收缩引起较大沉降。在顶管掘进机进出洞时，洞口土体强度不够，或是非粘性土层不进行加固和密封处理，大量土体和地下水通过洞口涌人工作井，导致大面积地表沉陷。
　　4.2沉降控制措施
　　在顶管施工过程中，难免会扰动周围的地层而引起一定的沉降，但制定良好的施工预案和采取合理的应对措施，将沉降控制在周围环境(特别是商业繁华和交通繁忙的闹市区)能够承受的范围内却是非常必要的。针对沉降原因的分析，就泥浆制备和注浆工艺、进出洞技术和中继环密封技术等几个方面系统地讨论一下相应的施工控制措施。
　　4.2.1泥浆制备和注浆工艺
　　（1）配置触变泥浆要选用优质膨润土，根据经验和试验采用合适的配比，以保证泥浆的减摩效果和支承能力。浆液必须搅拌充分，在膨润土泥浆压入以前，对储浆箱内的泥浆再进行一次搅拌。
　　（2）严格控制注浆压力，使其不能小于管体上部的静止土压力和水头压力。顶进时要根据地面变形、地下水位等因素适当调整压力和压浆量。在泥浆出口处装单向阀，不使其回浆，以使触变泥浆套的压力在临时停泵后仍基本不变。根据工程实际情况设置中继压浆泵，以抵消输送管的压力损失，稳定注浆压力。
　　（3）由于曲线段外侧存在法向分力作用，对土体扰动和摩阻力都会增大，当掘进机进入曲线段时，要增加对曲线外侧的注浆量，尽可能形成完整泥浆套。
　　（4）顶管贯通后，要及时利用触变泥浆压注孔对顶进时处于管道外的触变泥浆进行纯水泥浆置换，从而减少管道的后期沉降。
　　4.2.2进出洞技术
　　工作井洞口止水装置密封采用橡胶止水法兰。在橡胶止水法兰之前预埋注浆孔，以便压注膨润土泥浆。洞外工作井土体密封加固采用SMW工法桩加压密注浆等方案。在支护结构内预设钢圈，使出洞更加快捷。在内衬的预留洞上安装双道橡胶法兰止水装置，确保止水可靠安全。顶管过程加强出洞口的触变泥浆压注，减小对出洞段土体的扰动。
　　4.2.3中继环密封技术
　　结合该工程的情况设计一种新型的中继间，用于接力顶进。这种中继间采用双道可调节橡胶密封圈进行密封，其中有一道密封圈是可更换的，密封圈内圈有环向压板将密封圈压紧，每块压板上有一个调节螺栓来调节密封圈的压密量，如果密封效果不好，通过压紧压板可以改善密封状况。两道密封圈中有一道事先是压紧的，另一道的压板则是放松的，留作备用，若一道密封圈损坏，就使用另一道。
　　4.3管节止转的技术措施
　　顶进时机头在刀盘及螺旋机的作用下会发生旋转，而机头旋转尤其是转角偏大时会对顶进造成不利影响，因此对工具管要采取纠旋转措施。在机头前方筒的水平二侧焊翼板，长1.8m，宽30mm，厚25mm，以防止机头旋转。对机头的旋转主要采用加压重块的方法。在机头二侧焊压铁支架，1号与6号管二侧亦焊压铁支架。二侧先平均放压铁，共20t。一旦发现机头有微小偏转，立即将压铁移到一侧。
　　4.4泥水接力及泥浆排放措施
　　机头所需用水采用消防用水排入泥浆箱，通过泥浆泵注入机头泥水仓，泥水仓叶轮将机头切削入仓的土与水搅拌成泥浆通过泥浆泵输送至沉淀箱沉淀后，比重超过1.3后是为废浆外排。废浆外排采用罐装泥浆运输车外运，排放至渣土办指定排放点。
　　4.5管内排风措施
　　该工程采用排风措施，虽然机头属封闭设备不受地下沼气影响，但为保证测量的准确性及避免管内气压低缺氧，采用11kV•A风机接2inUPVC管将新鲜空气送至机头设备段。
　　4.6管道内照明措施
　　该工程管道内的照明采用36V安全电压，照明电源由工作井内操作平台上的配电箱供电。工具管和中继间处均安装1kV•A36V变压器,管道内照明灯每3节管节上装1只,功率为60W。管道内还设有应急照明系统，因故突然停电时，使用应急照明，保证施工人员安全撤离。
　　5对道路、构筑物和公用管线的保护措施
　　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，在该工程施工前，对道路沿线的上水，上煤管线进行搬迁，对道路原雨水管道进行改排，待顶管结束后恢复。对道路沿线路口和构筑物采取以下措施。
　　5.1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5.0m，点位间距5.0m；构筑物的沉降观测点布置在四个角的位置，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2h测1次，穿越构筑物区域时每节管测1次。后期沉降，施工后15d内为每24h测1次。
　　5.2精心施工
　　（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）顶进过程中，对顶管轴线要进行严格复核，做到勤测、勤纠偏，尽量减少由于顶进偏差大引起地面沉降。
　　（3）顶进过程中，对机尾定点压浆，中间长度补浆和局部地段的定点压浆要严格管理，并通过沿线沉降监测和顶进测量数据及时反馈有关操作人员。
　　5.3水泥浆置换触变泥浆
　　管道顶进时，管道周围的土体内空隙已经压入膨润土触变泥浆，当顶管结束后，在以上各路口和防汛墙的范围内须从压浆孔向管外压注一定量的水泥浆，以置换触变泥浆填充空隙，提高管道周围土体的承载能力，控制、减少顶管后期地面构筑物沉降。
　　5.4顶管进出洞口注浆保护
　　为保证顶管井附近构筑物的安全，避免顶管进出洞口时，因开洞时间较长产生水土流失产生地面沉降而危及构筑物和公用管线，在顶管工作井洞口位置采取注浆加固措施。上述施工安全监测及保护措施，有效地保证了该工程各曲线段顶管施工的安全，为工程的顺利开展提供了保证。
　　6结论与建议
　　（1）机头的纠编动作，将增加顶管纠偏附加摩阻力，在实际顶管中应减小大动作的纠偏。
　　（2）曲线顶管中，在确保注浆套完整的情况下，管外壁侧向摩阻力与直线段相比不增加。
　　（3）长距离顶管中，不论曲线与否，控制顶力的关键是应用减阻工艺。
　　（4）曲线顶管应严密计算确定成品管管长、管缝及钢套环接口长度，据此确定实际控制曲线。
　　（5）曲线顶管技术为施工困难地区管道工程提供了新的施工途径。特别是老城区，由于原有管线密布，道路弯曲，曲线顶管施工技术必将在市政工程建设中得到越来越广泛的应用。