小口径顶管技术在市政污水管道施工中应用

卢纯青

(1.福建省煤田地质局 福建福州 350001； 2.福建东辰市政工程有限公司 福建福州 350001)

0 引言

通常所说的非开挖技术以顶管法和定向钻拖拉管法居多，常规的顶管法主要应用于Φ800mm及以上口径的管道施工，常规的定向钻拖拉管法主要应用于Φ800mm以下口径的管道施工[1]。但由于受工艺特性制约，定向钻拖拉管的施工较易造成地面塌陷以及管道倒虹现象，不利于保持施工范围内路面完好性以及造成所施工的重力流管道使用容易淤积。因此相关政府职能部门对定向钻拖拉管工艺产生了质疑，特别是在Φ800mm以下口径重力流管道不适合开挖施工的时候，急需有一种新的技术来取代原有的常规定向钻拖拉管技术。正是在这样的情况下，小口径顶管技术应运而生。

在Φ800mm以下重力流管道非开挖施工中，小口径顶管技术与定向钻拖拉管技术相比较，主要优点有：①由于采用顶进工艺，不像定向钻拖拉管工艺需扩孔，不会形成孔道内壁与管道间的空隙，大大降低了路面的塌陷几率；②基本能实现保直顶进，完工后的管道平直度高，不容易出现淤积；③不需要进行一次性的管道焊接，减少了管材的占道空间，降低了对交通的影响。

1 工程实例

“福州市体育运动学校排水接驳工程”是福州市体育运动学校改造工程配套污水排放的一部分，施工地点在福州市仓山区上三路。该工程设计为小口径顶管铺设D400mm排污管道一根，需要穿越一条内河及半幅道路，长45m，为福州市首条小口径顶管试验段。经过勘察得知现场地质情况自上而下依次为：杂填土、淤泥质土，顶管穿越断面土层主要在淤泥质土层。同时，由于需要穿越一段河道，因此，河道两侧的驳岸下有桩基础可能性较大。该工程的顶管施工路段范围内地处繁华市区，交通流量较大，施工干扰较大，且现有地下管线繁多，道路沿线地下分布有电力、通信、国防、雨水、污水、煤气等管线，因此如何减少施工给交通带来的影响和保护地下管线，也是该工程重点需要考虑的问题。

2 施工方法的选择

现行的小口径顶管工法有：泥水平衡顶管法和水平螺旋顶管法两种。这两种技术各有优缺点，泥水平衡顶管法优点：管道顶进线性精度控制良好，对不同地质条件适应性较强，顶进施工速度较快，采用循环泥浆系统能有效保护穿越区上方路面安全且节约成本；缺点：无先导孔施工因而无法预先探知穿越区地下障碍物，基本为“一管径一机头”设备投资大，受设备体积制约占用场地较大。水平螺旋顶管法的优点：设备操作简单投资少，设备体积小，场地占用少,先导孔施工便于预先探明穿越区地下障碍物；缺点：只适用于不含较大障碍物的可挤密地层中施工，只能适合短距离顶进施工(一般不超过80m)。

考虑到该工程施工地段为淤泥地层，且铺设排污管道距离短、施工场地狭小，特别是穿越内河两侧的驳岸基础深度及维护木桩深度不明。综合以上现场实际情况，并结合上述两种工法的优缺点，决定选择水平螺旋顶管法施工。原因有以下3点：

(1)穿越地层为淤泥层，为可挤压的软土地层，与水平螺旋顶管法的施工原理符合。

(2)在穿越河道的驳岸下方可能有木桩基础且深度不明，可以通过水平螺旋顶管法中的先导孔和排泥管的施工来探明两侧驳岸木桩位置及深度，若遇阻可及时调整顶进轨迹。

(3)水平螺旋顶管法的接收井需要的空间比较小，且在已有沉井中施工可以通过该工法减少出土方量，降低井内工作时间长度，保证了施工安全和减少对道路交通的干扰。该工程选用的机械设备主要技术参数如下。

2.1 顶管主机参数

(1)导向扭距：6500N·m；

(2)导向转速：3r/min；

(3)主顶油缸推力：100T×2；

(4)主顶油缸行程：650mm×2；

(5)排泥掘进扭距：10 000N·m；

(6)排泥掘进转速：23r/min；

(7)掘进机头规格：Φ400；

(8)顶进速度：40～70mm/min；

(9)整机重量：2300kg。

2.2 双动力液压泵站

(1)外形尺寸：1200mm×1200mm×1500mm；

(2)主电机功率：30kW；

(3)辅电机功率：18.5kW；

(4)齿轮泵排量：63ml；

(5)柱塞泵排量：25ml；

(6)油箱容积：500L；

(7)回转压力：20MPa；

(8)给进压力：25MPa。

3 水平螺旋顶管施工

把工作井设置在体育运动学校内，利用上三路原有的沉井作为接收井。工作井需保证井内净空直径不小于Φ2000mm，将顶管主机吊入工作井内并安装到位。

3.1 顶进阻力的计算

(1)顶进阻力计算公式：

Fp=摩阻力+迎面阻力

=πD0Lfk+NF

式中：Fp——顶进阻力(kN)；

D0——管道外径(m)；

L——管道设计顶进长度(m)；

fk——管道外壁与土的单位面积平均摩阻力(kN/m2)，值取5；

NF——顶管机的迎面阻力(kN)。

(2)顶管机的迎面阻力计算式：

Dg——顶管机外径(mm)；

α——网格截面参数，值取0.6～1.0；

R——挤压阻力(kN/m2)，取300～500kN/m2。

(3)把各参数代入式中计算得：NF= 62.8kN，进而可得Fp= 45.85T。

3.2 工作井及接收井施工

该工程工作井采用人工挖孔的方式进行施工，接收井则是利用原有的污水管道沉井。由于接收井是利用使用中的污水井，如何在满足施工的同时不影响现有的排水功能成为接收井施工的难点。采用的做法是：先把井内的水封堵抽干，然后在顶管施工前采用D500mm纹管将原管道内污水进行导流作业，确保开顶管洞口和顶管施工时不影响施工作业。在进入原污水井前做好安全防护工作，并进行井内有毒气体检测后方可安排施工作业人员进入井内施工作业。在接收井内做好导流管道后，利用金钢钻在沉井内钻取一个直径约D600mm的孔洞作为顶管进洞通道，如图1所示。

图1 接收井内引流管道及钻孔示意图

3.3 先导孔施工

安装好导向钻头并标定好参数，在无线导向仪的引导下，通过导向钻头前段斜掌实现钻进时深度和方向的改变，同时导向孔注入泥浆，最终导向钻头在接收井伸出完成导向孔施工，如图2所示。

图2 先导孔施工现场图

3.4 顶入排泥套管

将排泥套管通过渡头与导航钻杆连接并顶进导向孔，当接收井中排泥套管过渡接头露出后将其拆下，完成排泥套管顶进工作。顶入排泥管相当于在管道顶进之前，对土层进行一次预先扩孔，减少后续顶管的阻力，降低了偏差的风险，同时也形成了一个新的导向柱，如图3所示。

图3 排泥管施工现场图

3.5 安装螺旋排泥钻杆

在工作井顶管主机设备上安装好螺旋钻杆后，将其逐根顶进排泥套管内直至从接收井的排泥套管中伸出来，完成螺旋排泥钻杆安装，如图4所示。

图4 螺旋钻杆安装现场图

3.6 装入顶进掘进机头

排泥套管到达接收井后，将螺旋排泥钻杆与掘进机头对接，安装上顶水泥管座，然后将水泥管座顶入机头支承处。通过螺旋排泥钻杆旋转起来将机头顶入泥土中，螺旋排泥钻杆将掘进机头切削下泥土逐步向接收井输送排出，如图5所示。

图5 出土排泥现场施工图

3.7 顶入水泥管

将D400mm水泥管吊放入工作井内，前端止口套入机头尾端，将排泥管座顶入水泥管尾端止口，监控基坑设备上旋转压力和顶进压力，控制顶进速度。在顶入第二条水泥管启动水泵，向排泥管注入水；在顶入第三条水泥管，启动注浆泵，向机头外壳和水泥管外壳注入泥浆。水泥管在工作井顶进一节，排泥管在接收井拆卸回收一节，如此反复操作，当排泥管、螺旋排泥钻杆、掘进机头全部出土进入接收井后，即完成整个管道顶进作业，如图6所示。将该部分钻具从接收井内取出，把接收井洞口进行封堵，压密注浆，并清理好接收井内的泥土等垃圾，做到工完料尽场清。

图6 机头到达接收井

4 沉降观测措施

根据以往经验，顶管过程中的沉降是不可避免，因此，通过技术手段加强监测，以确保及时发现问题及时处理[2]。该工程中主要监测点可分为路面、河岸和现有管线及构筑物。监测数据如下：

(1)水平位移：沿管道走向及工井周边设置5个监测点，观测沉井及顶管过程中土体侧向变形及对周边环境的影响。

(2)沉降：沿管道走向和沉井各角点共布置6个沉降观测点，观测沉井(降水)及顶管施工时的地面沉降或隆起情况。

(3)观测频率：水平位移及沉降观测，沉井下沉过程中，每2d观测1次；钢筋砼管道顶进过程中，每天观测1次。

(4)监控预警指标为：沉井、管道等结构个别出现开裂，位移突变：最大水平位移已大于20mm，或其水平位移速率已连续3d大于3mm/d。周围建筑物的不均匀沉降已大于现行建筑地基基础设计规范规定的允许沉降差，或建筑物的倾斜速率已连续3d大于0.0001mm/d，道路路面水平位移大于20mm或附近地面裂缝大于10mm。沉井底部或周围土体出现可能导致剪切破坏的迹象或其它可能影响安全的征兆(如少量流砂、涌土、隆起、陷落等)。地面隆起或沉隆量大于20mm。

最终，该项目在规定的工期内保质保量完成了施工任务，保障学校的污水排放，也为今后类似工程施工积累了经验借鉴。

5 结论

该项目的成功实施，为小口径顶管施工积累理论和管理经验。通过项目实施，得出以下结论：①采用不对称性导向钻头和给进导轨相结合的办法，可以控制和细微纠偏钻进方向；②采用先导孔的导向指引下，能够完成管道的直线顶进；③采用排泥管和螺旋钻杆相结合的方法，实现接收井内排土；④沉降量经观测，施工后短时间内没有发现路面沉降现象。

同时，在工程施工过程中，发现水平螺旋顶推法施工还存在以下3个问题：①该工法主要是采用挤密法进行顶推钻进的，能够应用的地层较有限，对于一些较硬的地层无法施工；②碰到不能够被顶推力挤到边上的孤石或飘石时，目前未有效的应对办法；③考虑到导向精度，该工法铺设的管道不宜超过80m。

[1] 马保松.非开挖工程学[M].北京：人民交通出版社，2008.

[2] GB50268-2008给水排水管道工程施工及验收规范[S].北京：中国建设工业出版社，2008.