复杂地质条件下的长顶距小管径顶管施工技术

汪 明

(中国水利水电第七工程局有限公司 一分局，四川 彭山 620860)

1 概 述

资阳市老鹰水库至资阳城区输水管道整体迁改工程的近期输水规模为16.5 万m3/d，远期输水规模为35.2万m3/d。工程设计线路总长度约为15 843 m，输水管道采用双管敷设，其中AK段、BK段、DK段主管管径采用DN1420，CK段主管管径采用DN1020，沿线设有一处应急取水点，预留管径为DN1200；规划老鹰水厂预留取水点与城南水厂预留取水点，预留管径分别为DN1020、DN1420；以及应急加药间一座。设计单位依据工程实际地质条件最终决定采用顶管施工法进行管道施工。

项目部根据顶管总进度及施工现场条件发现顶管施工存在以下难点：

(1)资阳市输水管道项目地质条件复杂。资阳市输水管道项目顶管施工段土质松软，地质条件变化明显，管道穿越地层较多，地下管线交错，地下水位较高，透水性强，施工洞段岩体风化程度不均匀，岩石类别为极软岩，破碎且极易在施工过程中沉陷，进而影响到主干道的运行安全。

(2)顶管管径小，长距离顶管一次性成功影响因素多，工艺选择与过程控制是关键。① 该项目的顶管施工采用人工挖土掘进顶管，管材为DN1020螺旋缝焊接钢管，因其管径较小，导致管道内人工开挖、出土作业面受限；② 管道顶进距离长，最大顶距达150 m，设计方案为无套管防护，超长顶距时需增设中继站，工作井内顶力方向的调整、顶管总体线形控制、减小摩阻力、高效施工是其控制的难点。

(3)长距离顶管的测量与纠偏控制要求高。由于顶管轴线及管底高程的控制精度要求高，因此，在长距离顶进时，常因管道标高或轴线严重偏位导致纠偏、顶管失败。

(4)有效施工时间短，工期紧，因此，需要从工艺上提高进尺效率。因该工程顶管施工总长度为4 978 m，沿车城大道占道施工长度为4 290 m，交通压力大，加之原管线供水紧张，迫切需要该工程加快施工进度，要求正常进尺达到3 m/d/井，因此，需要合理应用减阻技术，优化中继间的配置，提高进尺效率。

针对以上四个施工难点，项目部开展了对复杂地质条件下长顶距小管径顶管施工方法的研究，以便为类似下穿城区长距离顶管工程施工提供参考。

2 顶管施工技术方案的制订

为使资阳输水管道正式顶进施工,通过对输水管道的施工准备、沉井及后备墙的施工、顶进装置及设备的安装、试顶、正式顶进输水管道(出土)、管道精度控制、管道焊接、贯通等各个施工阶段和环节进行相应的质量控制,施工质量得到了有效控制[1]。

2.1 顶管施工工艺流程

测量定位→沉井施工到位→导轨基槽混凝土浇筑→顶进机具及设备的安装→工具管的安装→试顶、工具管的吃土顶进→管内泥土的人工挖掘→首管安装、吃土顶进和管内出土→管道焊接连续到位→顶进前顶管精度的测量→顶进后顶管精度的复测→重复以上五个步骤→顶进后管路贯通→检查和验收。

2.2 施工前的各项准备工作

(1)施工打围。根据工作井的位置实施测量放线、进行施工打围，以确保施工场地满足后期施工要求。

(2)施工用电。主要通过市政控制箱接入施工作业面。

(3)沉井施工。顶管施工前，在对沉井施工部位的土方进行挖掘后，一定要迅速进行沉井壁的施工，施工步骤依然是先进行管壁钢筋的固定，再进行管壁模具的安装，最后进行混凝土的浇筑。

(4)施工用风。在工作井附近布置1台6 m3的电动螺杆式空压机以满足掌子面人工开挖的用风要求。

2.3 顶管设备的安装与调试

(1)在圆形工作井内设置后背墙，后背墙的设计宽度×高度=6.48 m×3.7 m(双管)，宽度×高度=4.36 m×3.5 m(单管)。施工时预留进洞处的穿墙孔。后座(背)墙与管道轴线垂直，所允许的不垂直度为5 mm/m，待达到设计强度后方可进行顶管施工。后背墙的设置按设计要求实施。

为保证顶管过程中后背墙均匀受力，在后背墙上加铺了30 mm厚的钢板[2]。

(2)主顶系统装置由千斤顶、油泵、操纵台及油管等四部分组成。为保证获得合理的工期，该工程分为2个施工段，每个施工段采用4台200 t的液压千斤顶对称布置作为管道推进的顶力。

(3)导轨基座焊于20号槽钢上，导轨采用 45 kg/m重型钢轨制作；钢横梁置于工作井底板上并与底板上的预埋钢筋焊接，整个导轨系统在使用中必须满足强度、刚度及稳定性要求。

2.4 精度控制系统的安装[3]

(1)测量系统的主要设备由激光经纬仪、测量靶和监视器组成。

(2)测量系统的作用为监视顶管施工过程中顶管机顶进的轴线偏差。

(3)安装与调试：螺旋钢管+机头安放在工作井内的道轨上，调整测量靶中心与管道中心线基本一致且与管道中心线垂直；调整激光经纬仪座的高度，使激光经纬仪激光束的高度基本与管道中心线标高一致；根据测量定位点调整激光束，使激光束基本与管道轴线重合；调整测量靶激光束点的大小，根据测量靶激光斑点的位置调整测量靶的位置，使激光点与靶中心点重合，精度控制示意图见图1。

图1 精度控制示意图

2.5 管道顶进施工

顶进时，应先挖土、后顶进，随挖随顶。应组织连续作业，防止作业中途停止、进而增加顶进的难度。顶铁的安装应平顺，不得歪斜，每次加放顶铁时，应以顶铁连接块数最少为宜。

顶进的工作步骤为：安装顶铁→开动油泵→顶镐活塞伸出一个行程→关油泵→顶镐停止运行→活塞收缩→在空隙处加上顶铁→再开动油泵。

如此循环。

首段顶管应缓慢进行，待各接触部位密合后，再按正常速度顶进；顶进中若出现油路压力突然增高时应停止顶进，待处理后方可继续顶进，回镐时，油路压力不得过大，速度不得过快；土方应及时外运，及时顶进，以保证将顶力控制在较小的范围内。

2.6 顶进测量

在首段节管顶进和校正偏差过程中，为保证管道入土的位置正确，测量间隔不应超过30 cm；正常顶进时，测量间隔不宜超过100 cm，每次挖土后均需进行测量，根据偏差量修整管前的土弧。

中线测量：顶进长度在50 cm范围内，可采用锥形铅球拉线的方法进行测量，要求两锥形铅球的间距尽可能地拉大，用水平尺测量头一节管前端的中心偏差。一次顶进超过50 cm时应采用经纬仪或激光导向仪测量[4](即用激光束定位)。

高程测量：采用水准仪及专用高程尺(用于小管径)根据顶管井内设置的水准点标高(设两个)，测第一节管前端与后端管内底高程，以掌握第一节管道的走向趋势。测量后应与顶管井内的另一水准点闭合。

激光测量：将激光经纬仪(激光束导向)安装在顶管井内，调整管线设计的坡度，管内贴标示牌，以确保顶进的管道与设计位置一致，激光点射到标示牌中心时，说明顶进质量无偏差，否则应根据偏差量进行校正。

2.7 校正与纠偏

顶进施工时，应将管道的校正范围控制在10 mm以内。校正要逐步进行，偏差形成后，应缓慢将已顶进好的管道校正到位，使管道逐渐复位，禁止猛纠硬调以保护管道。该工程人工挖土掘进顶管采用超挖校正法：当偏差值在20 mm以内时，在管道偏向的反侧适当超挖以减小阻力，偏向侧则不超挖甚至留土台形成阻力，使管道在继续顶进时向阻力小的超挖侧移动、逐渐回到设计位置；当偏差值大于20 mm且超挖校正不起作用时，将圆木或方木的一端顶在管道偏向的另一侧管内壁上，另一端斜撑在垫有钢板或木板的偏向侧管前土壁上，支顶牢固后即可预进，利用顶木分力产生的阻力使管道得到校正。管子“磕头”时采用此法进行纠正。在顶进过程中与超挖校正法配合使用，边顶进边支撑会收到较好的校正效果[5]。

2.8 成立顶管质量控制小组

为保证顶进质量，项目部成立了顶管质量控制小组(简称QC小组)。QC小组人员定时检查顶管的顶进情况，及时了解并掌握顶管精度。若发现顶管精度出现异常，应立即查明原因并采取相应的措施予以处理。

3 结 语

通过该工程在复杂地质条件下长顶距小管径顶管施工措施的制定与实施，其质量得到了保证且精度控制满足设计与规范要求，所取得的施工经验可为类似下穿城区长距离顶管施工工程提供借鉴。