大直径玻璃夹砂管曲线顶管技术应用

大直径玻璃夹砂管曲线顶管技术应用

冯亚军许辉

上海宏波工程咨询管理有限公司上海201707

摘要：城市污水管采用玻璃夹砂管具有耐腐蚀，使用寿命长，顶管施工时顶力小、顶程长等特点，逐渐被广泛应用，通过本工程顶管施工实例，对曲线顶管的施工特点、难点与技术措施，施工过程质量控制等进行介绍，为类似工程提供借鉴。

关键词：离心式玻璃夹砂管；曲线大直径顶管；质量与风险控制

根据当地环保规划，本地区污水处理厂需进行达标排放。原污水处理厂不能满足污水处理能力要求，将根据规划要求将被废除。本地区污水管网已饱和，不能接纳原进入污水处理厂的污水，需新建的污水干管为污水处理厂废除后提供安全可靠的污水出路。污水干管在康新路至申江路间，采用DN1800玻璃夹砂管顶管施工，针对曲线顶管的施工特点、难点与技术措施，施工过程质量控制等，进行应用技术介绍。

1、案例概况

本工程玻璃夹砂管道沿周邓公路机动车道下顶进敷设。施工范围内道路上方及两侧有供电、燃气、上水、雨污水、通讯、信息等多种公用管线，管线数量多，类型广。施工前，经现场对原有管线情况排查，影响顶管施工的管线已全部搬迁完成。

2、施工主要难点

2.1顶管工程曲线控制难度大，产生偏差后纠偏难度大

本区域几段DN1800顶管曲率半径为2071米至3408米，顶管覆土厚度为5.9米至7.8米，管道中轴线控制有较大难度，一但产生偏离，回到设计要求的轨迹有较大难度。

采取措施：

a.进出洞口对局部土体进行加固，并控制好进出洞口的速度，做到快出慢进，同时现场配备相应堵漏应急物资。

b.玻璃夹砂管曲线部分与直线部分均设置压浆孔。

c.对每段区间顶管穿越土层勘探清楚，选用适用于该土质的膨润土，以达到最好减磨效果。

d.顶管顶距长，对测量精度要求相当高，在顶管施工中，成立的测量小组全程对顶进管道进行跟踪测量复核，在施工过程中，应贯彻"勤测、勤纠、缓纠"的原则。

2.2顶管进、出洞口时，精准控制要求高

进、出洞的控制一直以来都是顶管工程中的重点，本工程顶管管径较大，对于进、出洞的控制要求更加高。

采取措施：

2.2.1始发前的准备措施

a.防止顶管出洞前出现工具管磕头现象，顶管安装延伸轨道必须牢固，井位空间有条件及时下放第一节管节，同时必须做好工具管的防止退措施。

b.如工具管的刀盘直径略大于工具管壳体，工具管出洞前保护好橡胶止水圈，防止刀头将橡胶圈损坏。

c.在确保安全的情况，使用空气压缩机切断孔壁成洞口，同时，仔细清理洞口，以确保管道平稳地离开洞口。

d.顶管出洞后考虑到前面面板土压力大而管道摩阻力小，在安装管节时必须设置止退装置。

2.2.2接收准备措施

a.当机头顶进至距接收井适当距离时，应适当降低机头前面的土压力，进入加固区域应降低顶进速度。

b.在确保安全的前提下，切断洞口孔壁，并将工具管缓慢推入接收井。

c.顶管机头进入接收坑后，工具管应尽快与管道分离，并及时从坑中吊离；处理坑中的泥浆，及时密封洞口以止水。

d.工具管进洞后，必须做好止水工作，防止管道因孔洞土壤流失而下沉，这也是保证管道质量的关键。

2.3管道穿越公路、河流，沿线建构筑物较多，保护措施尤为重要

本工程顶管穿越道路、河流，沿线及顶管井区域建构筑物众多，须做好保护措施。在顶管施工之前，详细分析了解原有管道、建筑物与穿越管道的垂直距离和地质情况，编制专项保护方案。

曲线顶管采取以下方法：

a.控制顶管推进的速度，根据地层中压力的变化随时调整机头的土压力，注浆压力和顶进速度等相关参数，以减小对周边土体的影响。

b.采取平衡的技术措施。泥水平衡式大刀盘顶管掘进机时，可利用设置在刀盘排前面和中心刀上的注浆孔，直接向挖掘面土体灌浆，经机头刀盘搅拌后，改善土体塑性，增加土体强度，避免土体的流失。

c.采取强化土质措施。灌浆管预先打入关键部位附近，灌浆设备提前备好，制定灌浆方案。若有较大的地面变形时，应及时灌浆，以减小和控制地面的变形。

d.顶进阶段，应采用加密、跟踪监测等方法进行监测，以保证附近区域构筑物的安全。

3、顶管施工

3.1顶管设备的选型

根据工程地质勘察资料，顶管道穿过③3层灰色淤泥质粉质粘土层时，由于工程条件复杂，特别是需要穿越河流和原有管道，地面沉降要求高，顶管在发出和接收时必须穿过土壤加固区，对顶管机头的切割能力有一定的要求。为了有效地保护地下管线、周围构（建）筑物，采用国内较先进且适合于本地区土质，对地面沉降影响较小的大刀盘泥水平衡式顶管机。

3.2项管施工流程

3.3顶管顶进中的测量工作

3.3.1直线段测量

在观测平台上放置好激光仪器设备，激光器发射的激光束是管道的中心线，符合设计斜率要求。在顶进开始时，顶管及头部位测量目标的中心点与激光点的中心重合。当发生顶管机头偏差时，相应的激光光斑将偏离目标中心点，测量目标图像通过视频传输到控制台的监视器，从而观察到激光光点将偏离的图像，校正千斤顶将受到指令进行目标控制，纠正顶进方向，使顶管机始终朝激光束方向前进。顶管推进测量工作的主要任务是保持管道的中心线方向，标高和坡比。

3.3.2曲线段的测量

a.确定转折点的数量：根据管道直径和曲率半径，可以计算出曲线部分中通视两点之间距离的最大弧长。根据实际曲线长度，在曲线段中设置转折点，可以测量机头的位置。

b.测量的精度控制：每个测量数据由支导线方法读取，误差应小于4秒。

c.测量频率：完成一节管道的顶进，进行一次机头位置的测量。

d.测量数据处理：在顶管始发前，首先计算设计曲线段上的点的坐标并列表，管道向前推进时，将机头与转点间的长度，转点相互之间的长度，方位角测量出来，通过相关计算，可知机头的准确位置。与设计理论值相较对后，就能够知道机头位置的实际偏差。

3.3.3纠偏

根据机头测量点的偏移值，计算出机头的倾斜角，用相应的千斤顶进行校正，使机头前进并进行方向控制。应缓慢地校正偏移，以便逐渐重置管道复位。当洞内的机头部偏离时，测量目标的中心将偏离光点的中心，从而给出偏差信号，并将视频传送到控制台的监视器以用于顶进方向校正。

在顶进的过程中要时刻监控机头前进的方向，发生偏差需及时纠偏，做到“勤测、勤纠、缓纠”。

4、质量控制措施

4.1顶管机接收时防"磕头"措施

顶管机出洞时可能由于机头自重太重而下磕，为防止这一现象产生，采取以下措施：

a.顶管设备安装完成后，机头部抬高10mm，顶出时，让机头呈上升趋势。

b.调整后靠背千斤顶的合力中心。当机头出洞口时，观察机头的状态，如果机头呈下降趋势，即刻用后靠背千斤顶进行纠偏。

c.把特殊管节尽早安装，以加长机头，并后延重心，增加防磕头手段。

d.本工程使用的导轨是高度可调的，一旦机头入土，导轨即加装滚轮，以消除机头和管道的外径差。

4.2始发顶进时，预防管道后退方法

由于始发洞口的深度较深，机头的前部土压力远大于管道周边的摩擦阻力。在拼接管道时，主推动千斤顶必须在收回之前固定推动部分和井壁。否则，管道的后退将导致孔洞止水装置损坏，因此初始顶管在顶铁被吊起时，可以伸出底部2只油缸，然后退缩上部的油缸，将顶铁卸下去后，快速退缩底部油缸。在吊卸管时，在主推千斤顶返回之前，主管应连接到井前壁上的预埋钢板，直到管外壁的摩擦阻力大于掘进机前部的土压。

4.3管道防扭转措施

由于顶进过程中管道内部设备的偏差和管道周边土体不均匀性影响，会导致顶进过程中管道的不同程度扭转，将直接影响施工质量，因此采取如下方法：

a.在管道中安装设备和注浆管时，尽量保持重力平衡，减小导致管道扭曲的因素。

b.顶进管道过程中，机头和中继间上都设置好用于观测管道扭转的指针。一旦发现轻微扭转，即采用单侧增加重量用于校正扭转。

c.掘进机若发生微小扭转时，则迅速将大刀盘的旋转方向改变，如果顺时针旋转，刀盘的旋转方向就要顺时针旋转，反之就逆时针旋转。如有必要，对刀头前部加压旋转。

4.4玻璃钢夹砂管顶管的姿态失控及预防措施

增加测量频率，认真分析测量数据，根据顶进姿态变化曲线图，对顶管机姿态有较准确的预判，保证纠偏的针对性和技术性。设立报警值，当累积偏差达到8cm，每米推进偏差超过3cm，暂停推进，逐级上报，通过分析研究决定调整施工参数后才能继续推进。

4.5曲线顶管管缝控制

a.曲线顶管的接头管缝控制甚是重要，如果管接头未打开，就不能形成曲线；如果太大，会导致管道超过标准偏差，特别是在软土中，管缝形成后，如果偏差校正不好，趋势将变得越来越大。虽然可以通过千斤顶来校正，但是不能立刻校正偏差，因此管的形状通常象蛇形，并且最大偏差点超出了规范的允许范围，管接头太大，可能会对地下水丰富地方的工程造成危险。在这个项目中，我们控制管道外的最大开口间隙在5mm以内，避免管道接缝口较大，引起渗漏。

b.在顶管时，专人负责测量机头与第一根管左右两侧之间的接缝间隙，并进行记录。超过规定时值时，将停止顶管并报告现场技术人员，在研究对策后才能继续顶进。

c.校正千斤顶按每1M行程操作，千斤顶的最大主调节不应大于10MM，真正做到“勤测、勤纠、微调”。

d.形成曲线管道的方法。通常在管道的前20米形成曲线之后，后面的管段基本上遵循原始的“曲线轨道”。为了确保打开每个管接头的界面以确保曲线的线性质量，需要液压千斤顶来调节接口的开口量。当打开界面时，在开口中放置厚木垫以保持界面开口量恒定。

4.6顶管过程中遇到不明地下障碍物清障及预防措施

在顶进过程中，可能会碰到不明原因的障碍物，将会给施工带来困难。

a.在顶管机的刀盘上多加硬质合金刀头，同时增加刀盘和刀头上的堆焊材料，增强刀头切削障碍物的能力。

b.采用泥水平衡方法进行顶管时，可减小进泥口的坡度，以切削机头前的障碍物，将进入舱内的障碍物体积变小，不容易发生泥浆管道被堵的情况。

施工顶管前，顶管路径范围内进行物探，确保无障碍物影响。当顶管机头在顶进过程中遇到诸如石块和混凝土等障碍物时，仪器内部显示的土压力，刀盘电流、刀盘转矩以及主顶顶力都会发生变化，操控人员必须密切注意每个参数的变化情况，及时发现情况，避免机械被障碍物损坏，同时正确判断障碍物的类型、大小，以便及时采取即经济又有效的措施。如果是较小的单个障碍物，而且距接收井距离较近的情况，可以减慢顶进速度，可以通过刀头将障碍物转动到顶管的侧面，或者跟随机头一起向前推移。另外，本方案采用的泥水平衡强力顶管掘进机具有二次破碎功能，小颗粒（100mm以内）障碍物可通过切削刀盘的破碎功能二次破碎，经过排泥管排除。

4.7防止因地面的沉降，造成周边构筑物不安全的预防措施

在顶管施工前，必须与沿线管道单位沟通联系，确认管道的高程和位置，制定切实可行的保护措施，并得到对方的批准才可施工。确保地下管线的安全。在本项目使用的机型，对地表沉降控制精度相对较高，但为了确保绝对安全，制定了必要的监测措施。

4.7.1地面监测，优化顶进参数

在管道开始向前推进的阶段，测量人员要细致进行地表的监测，在地面上设置好网格以便测量，在管道推进的中轴线上，每隔3m设置一个监控点，共设4点；横向每隔2m设一个监控点，共设7点。形成一张4×7的测量网。通过地面监测，比较顶管机的主要参数（包括顶进速度，开挖面土压力值，出土率等），进行优化，引导后续顶管顶进。

4.7.2灌浆稳定措施

除了在始发顶进阶段优化顶进参数外，同步注浆也是在顶进过程中的有效手段。拌制好的膨润土泥浆注入，应随机头同步向前形成连续的环形浆套。

5、结语

本文根据周边环境与地质情况，对玻璃夹砂管曲线顶管的测量，始发与接收，管道穿越道路、沿线建构筑物的控制难点进行分析，并对控制措施进行介绍。在顶进过程中，测量和校正顶管的曲线的方法，管道防扭措施，曲线顶管管缝控制，周边环境的安全及预防措施等方面进行说明，经对管道内部接缝检查、曲线标高的测量，对沿线对地表沉降、位移等方面观测，经各方面数据分析，都符合设计要求，为其他相似工程的实施提供了借鉴。

参考文献：

[1]杨建浩.大型给水管道施工重点难点与管理[J].浙江工业大学硕士论文，2012

[2]邓美芳.浅析大口径长距离过海顶管施工的几点措施[J].福建建材，2018

[3]郭伟.临港国际物流园区Φ2700顶管监理的控制要点[J].建设监理，2010

[4]潘海明.浅论顶管施工技术及应用[J].科技资讯，2011