原創(chuàng)論文︱大直徑穿湖頂管回退施工關(guān)鍵技術(shù)研究 原創(chuàng) 楊睿,等 中國(guó)給水排水 2024年10月10日 14:14 天津 點(diǎn)擊藍(lán)字 關(guān)注我們 摘要：頂管技術(shù)具有施工方便、不中斷地上交通、無(wú)
核心提示：原創(chuàng)論文︱大直徑穿湖頂管回退施工關(guān)鍵技術(shù)研究
原創(chuàng) 楊睿,等 中國(guó)給水排水
2024年10月10日 14:14 天津
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摘要：頂管技術(shù)具有施工方便、不中斷地上交通、無(wú)噪聲、無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于地下空間的開(kāi)發(fā)利用，但在實(shí)際的頂管頂進(jìn)施工中難免遭遇無(wú)法清除的障礙物，造成無(wú)法繼續(xù)頂進(jìn)的問(wèn)題。依托武漢湯遜湖污水處理廠尾水排江頂管工程，提出一種施工方便、高效率的大直徑頂管退管方法，闡述了退管工藝流程，并總結(jié)了施工過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)就二次頂進(jìn)設(shè)
摘要：頂管技術(shù)具有施工方便、不中斷地上交通、無(wú)噪聲、無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于地下空間的開(kāi)發(fā)利用，但在實(shí)際的頂管頂進(jìn)施工中難免遭遇無(wú)法清除的障礙物，造成無(wú)法繼續(xù)頂進(jìn)的問(wèn)題。依托武漢湯遜湖污水處理廠尾水排江頂管工程，提出一種施工方便、高效率的大直徑頂管退管方法，闡述了退管工藝流程，并總結(jié)了施工過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)就二次頂進(jìn)設(shè)計(jì)準(zhǔn)備進(jìn)行設(shè)定。實(shí)際工程效果表明，該退管方法適用于大直徑頂管退管工程，能夠很好地解決大直徑頂管退管回退阻力大、反推力不足的問(wèn)題，從而有效提高退管施工效率，降低施工成本。
楊睿，碩士，工程師，主要從事樁基礎(chǔ)、地下結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配化等設(shè)計(jì)及施工方面的工作。
隨著城市化的不斷發(fā)展，地下空間的開(kāi)發(fā)與利用不斷受到重視。頂管作為一種不需要進(jìn)行開(kāi)挖的技術(shù)，具有效率高、施工不影響周邊環(huán)境等優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越被廣泛應(yīng)用于市政工程中。但頂管工程施工難免遇到復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境、碰到無(wú)法清除的障礙物，此時(shí)就需要采取管道回退的方案。目前針對(duì)管道回退，馬敬豹等提出了鋼絞線在長(zhǎng)距離故障頂管回退中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，并成功應(yīng)用于上海市白龍港片區(qū)污水輸送干線大口徑長(zhǎng)距離過(guò)江頂管工程，成功拔出95 m故障頂管。屈勇等總結(jié)了當(dāng)前頂管障礙物處理的相關(guān)技術(shù)，針對(duì)頂管回退提出了套管技術(shù)。巨宏偉通過(guò)對(duì)重慶市觀景口水利樞紐引水隧洞硬巖頂管回退技術(shù)的研究，總結(jié)了長(zhǎng)距離硬巖頂管回退技術(shù)的技術(shù)要點(diǎn)。甄亮通過(guò)數(shù)值模擬的方法分析研究了頂管在退管過(guò)程中對(duì)周邊環(huán)境的影響，并提出了控制地表變形的方法。目前相關(guān)研究大多針對(duì)小直徑頂管回退技術(shù)，缺少對(duì)大直徑頂管回退方法的研究。針對(duì)武漢湯遜湖頂管工程穿湖段4#~3#遇障無(wú)法繼續(xù)頂進(jìn)的問(wèn)題，優(yōu)化創(chuàng)新反頂油缸反拉鋼架的退管方法以及邊退邊填的工藝流程，對(duì)大直徑頂管退管的原理、工藝流程、關(guān)鍵技術(shù)以及防護(hù)措施進(jìn)行闡述。
湯遜湖污水處理廠尾水排江工程項(xiàng)目4#~3#穿湖段隧道全長(zhǎng)1492.65m，頂管機(jī)自4#豎井出洞始發(fā)至3#豎井進(jìn)洞接收，平面線形為直線；4#豎井管中高程3.2m，3#豎井管中高程4.7m，豎直線形為0.1%上坡。頂管套管為鋼筋混凝土預(yù)制管道，管道內(nèi)徑4m，外徑4.8m，管節(jié)襯砌厚度為400mm，每節(jié)管道長(zhǎng)度為2.5m，管節(jié)之間采用高剛性承插口進(jìn)行連接。4#豎井采用沉井施工工藝，沉井內(nèi)徑13m，壁厚1.2m，地面標(biāo)高20.8m，洞門(mén)中心標(biāo)高3.2m。根據(jù)前期地勘資料及沉井施工期間的地層揭示情況，頂管施工穿越地層段以粉質(zhì)黏土、黏土等全斷面土層為主，在4#豎井出洞108 m范圍內(nèi)底部存在局部礫卵石。針對(duì)此類地質(zhì)條件，4#井頂管機(jī)選用普通泥水平衡頂管機(jī)，刀盤(pán)超挖外徑D4850mm，刀盤(pán)采用中心魚(yú)尾刀+保徑貝殼刀+先行撕裂刀+正刮刀組合，正反旋轉(zhuǎn)出渣。為了應(yīng)對(duì)淤泥質(zhì)黏土采用雙排出渣口設(shè)計(jì)，刀盤(pán)進(jìn)渣口采用錐形設(shè)計(jì)，有利于渣土順暢地流入土艙，避免渣土堆積，刀盤(pán)背部配置有攪拌棒，可對(duì)渣土進(jìn)行攪拌，增強(qiáng)渣土的流動(dòng)性，減小刀盤(pán)切削扭矩，減少渣土聚集黏結(jié)的可能性，降低刀盤(pán)本體磨損�？紤]到地層底部的礫卵石（粒徑為20~80mm），設(shè)計(jì)刀盤(pán)開(kāi)口尺寸最大100mm，保證礫卵石可以正常進(jìn)艙排出。頂管及刀盤(pán)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 頂管機(jī)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)
該段頂管?chē)?yán)格按照頂管專項(xiàng)施工方案要求開(kāi)始頂管施工并順利出洞始發(fā)，在頂進(jìn)20.1m時(shí)（第8節(jié)管節(jié)頂進(jìn)施工中），主頂千斤頂?shù)捻斄ι?/span>1000t（106 N），頂進(jìn)困難，現(xiàn)場(chǎng)立即停止頂進(jìn)。通過(guò)鉆芯檢查，在頂管機(jī)刀盤(pán)頂進(jìn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)尺寸約300mm鋼筋混凝土塊和尺寸超過(guò)200mm的卵石塊（見(jiàn)圖2），由于頂管機(jī)設(shè)備在前期選型過(guò)程中未充分考慮遇大直徑鋼筋混凝土塊、孤石處理措施，因此需將已頂進(jìn)管節(jié)和設(shè)備全部從洞內(nèi)退出，通過(guò)對(duì)頂管機(jī)進(jìn)行改造或更換，增加二次破碎艙和刀盤(pán)開(kāi)口率等方法，使其滿足二次復(fù)頂?shù)囊蟆?/span>
圖2 遇障實(shí)物
大直徑頂管退管主要按照“逐段松管、整體退管”的思路進(jìn)行施工，采用螺紋鋼組作為退管拉索，一端與隧道內(nèi)頂管機(jī)機(jī)頭連接，另一端與沉井內(nèi)反力架連接，同時(shí)在洞口兩側(cè)設(shè)置千斤頂作為反推裝置，帶動(dòng)管道及頂管機(jī)整體回退。退管的同時(shí)，向機(jī)頭前方空洞內(nèi)泵送混合回填料填充，防止地面沉降或開(kāi)裂。拔出頂管機(jī)頭后更換具有大開(kāi)口率、帶二次破碎功能的復(fù)合型頂管機(jī)，重新規(guī)劃頂進(jìn)路線，采用原始發(fā)井、接收井作為進(jìn)、出工作井進(jìn)行復(fù)頂。具體包括：頂管機(jī)內(nèi)設(shè)備拆除→施工裝置安裝（反頂后背墻、反力架、螺紋鋼組、千斤頂）→逐段松管→整體退管（退管過(guò)程中采用注土系統(tǒng)同步泵入回填料）→鋼板樁封堵（機(jī)頭留在孔洞1.2m）→地基加固→鋼板樁拔出、機(jī)頭退出→復(fù)頂。
圖3 退管施工工藝流程
由于沉井內(nèi)壁為弧形結(jié)構(gòu)，為保證后背墻整體受力均勻，退管施工前需在洞口管道兩側(cè)設(shè)置反推后背墻。后背墻整體呈扇形結(jié)構(gòu)，最厚處為40cm，寬0.69m，高5m，采用C30混凝土結(jié)構(gòu)。同時(shí)為保證后背墻整體受力的穩(wěn)定性，在后背墻內(nèi)部設(shè)置單層雙向鋼筋網(wǎng)片，鋼筋網(wǎng)片采用Ø10mm鋼筋加工，后背墻主要受力區(qū)（上部1.7m范圍內(nèi)）鋼筋網(wǎng)間距為8cm×8cm，下層非受力區(qū)域鋼筋網(wǎng)間距按8cm×20cm設(shè)置。通過(guò)計(jì)算退管時(shí)所需反頂力進(jìn)行選型，沿管道軸線左右對(duì)稱布置，每側(cè)布置2臺(tái)千斤頂，退管過(guò)程中4臺(tái)千斤頂應(yīng)共同作用，規(guī)格一致，行程同步，每臺(tái)千斤頂?shù)氖褂脡毫Σ淮笥陬~定壓力，油路必須并聯(lián)，每臺(tái)千斤頂均備有獨(dú)立的控制閥。另外，為保證后背墻整體受力，在千斤頂和后背墻之間需設(shè)置一層鋼墊層，墊層采用3cm厚鋼板，寬0.7m，高2m。鋼板與后背墻內(nèi)預(yù)埋鋼筋焊接固定，形成整體，為頂管的反力提供一個(gè)垂直的受力面整體，保證受力更均勻。反力架采用雙拼H900mm×400mm×20mm×26mm型鋼，型鋼采用Q235材質(zhì)，反力架全長(zhǎng)8m，在與螺紋鋼連接處需提前在翼緣板上開(kāi)設(shè)4個(gè)DN45孔洞，用于安裝螺紋鋼，并采用綴板補(bǔ)強(qiáng)；反頂千斤頂與反力架接觸面同樣采用鋼板補(bǔ)強(qiáng)，確保其受力均勻。反力架在管節(jié)開(kāi)始退管前再進(jìn)行安裝，先用門(mén)機(jī)反力架吊裝至設(shè)計(jì)高度（管道中軸線位置），人工將螺紋鋼從反力架上預(yù)留錨孔內(nèi)穿過(guò)，端頭采用螺栓錨固。頂管機(jī)頭牛腿支架與反力架采用螺紋鋼組連接，如圖4所示。螺紋鋼組采用Ø40mm的PSB830型精軋螺紋鋼，其抗拉強(qiáng)度為1 030 MPa，每根螺紋鋼極限拉力為90t（9×104N）。螺紋鋼布設(shè)在管道左右兩側(cè)，單側(cè)螺紋鋼組由4根組成，兩側(cè)共計(jì)8根，可以提供720t（7.2×105N）的拉力，滿足退管拉力要求。
圖4 螺紋鋼與機(jī)頭連接
大直徑頂管整體退管時(shí)摩擦阻力較大，因此必須采用潤(rùn)滑技術(shù)進(jìn)行減阻：一方面減小反推力，保證退管效率，另一方面降低管節(jié)磨損，以便復(fù)頂二次利用。退管時(shí)主要采取的措施：通過(guò)管道上注漿孔向管道外同步注漿，形成泥漿套，降低管道摩擦阻力；在洞口防水橡膠圈上涂潤(rùn)滑油，防止管道回退破壞橡膠結(jié)構(gòu)，影響再次頂進(jìn)時(shí)的密封效果。正式退管前需進(jìn)行試?yán)�，逐步增加反頂力，頂力增量按總設(shè)計(jì)頂力的20%進(jìn)行控制，當(dāng)壓力提升至設(shè)計(jì)壓力但管道仍未拖動(dòng)時(shí)，立即停止退管，查明原因，采取相應(yīng)措施。正式退管時(shí)，根據(jù)試?yán)_定的反拉力控制反頂千斤頂，頂推反力架，將管道及頂管機(jī)整體回拉。施工時(shí)，應(yīng)控制好退管速率，每次退管長(zhǎng)度不得超過(guò)30cm，退管速度控制在0.5m/h以內(nèi)。退管過(guò)程中可能引起周邊土體坍塌，從而導(dǎo)致地面沉降等情況。為保證施工安全，整體退管時(shí)，同步向機(jī)頭前方空洞內(nèi)注回填料填充，保證地層的穩(wěn)定性。針對(duì)回填料泵入性、泌水率、抗壓強(qiáng)度等性質(zhì)，采取正交試驗(yàn)的方法選擇最優(yōu)配方。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室性能測(cè)驗(yàn)確定最優(yōu)回填料具體配置：粉煤灰∶水泥∶黃黏土∶水=150∶7.5∶17∶80。回填料性能參數(shù)：初凝時(shí)間控制在5 h，終凝時(shí)間控制在12h以內(nèi)，泌水率3%，28d強(qiáng)度為0.5~1.0MPa�；靥盍系膶�(shí)驗(yàn)室狀態(tài)見(jiàn)圖5。采用混凝土車(chē)載輸送泵作為泵送設(shè)備，設(shè)備布置在沉井地面操作室旁，為減少管道安拆，直接采用頂管機(jī)的排泥管作為泵管，在刀盤(pán)面上方開(kāi)設(shè)注漿孔，與泵管連接。將泵管與地泵連接牢固，檢查無(wú)誤后進(jìn)行回填料泵送施工。管道回拉的同時(shí)，邊退管、邊注回填料，注漿壓力控制在0.2MPa左右，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況進(jìn)行調(diào)整。在填充過(guò)程中應(yīng)保持壓力穩(wěn)定，如果發(fā)現(xiàn)壓力過(guò)小，先停止退管，繼續(xù)注入回填料，直至壓力上升至設(shè)計(jì)值，再開(kāi)始退管。注漿時(shí)，采用注漿量及注漿壓力雙重控制；以注漿量控制為主、壓力控制為輔。嚴(yán)格控制回填料注入量，根據(jù)計(jì)算退空區(qū)域體積量，每退管1m，至少向掘進(jìn)機(jī)前方由掘進(jìn)機(jī)退出的空間中注入20m3回填料，要求全部由回填料填充，保證回填密實(shí)。另外，退管回拉的速度不可過(guò)快，退管速度與注漿壓力、速率及混合料的初凝時(shí)間等相匹配。根據(jù)同類型項(xiàng)目退管施工經(jīng)驗(yàn)，每天回退一節(jié)管道后，停滯5h，待回填料達(dá)到初凝后，方可繼續(xù)回退后面管節(jié)。
圖5 回填料的實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)
在管道回退過(guò)程中，回填料不及時(shí)、注漿壓力不足等容易引起前方土體塌陷，因此施工中加強(qiáng)沉降監(jiān)測(cè)是工作的重點(diǎn)。監(jiān)測(cè)要及時(shí)準(zhǔn)確，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)退管參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，做到信息化施工。退管施工前全面檢查輸送泵及輸送管道等設(shè)備，確保管道退管過(guò)程中設(shè)備能正常工作�？刂坪没赝怂俣�，在地面沉降較大時(shí)，回退速度控制在25~50cm/d，并根據(jù)每天測(cè)量參數(shù)不斷調(diào)整回退速度及退管參數(shù)。
大直徑頂管直接退管時(shí)所需拉力較大，因此為了降低退管難度，采用小型千斤頂對(duì)管道進(jìn)行逐段頂管，將管道松開(kāi)，降低摩擦阻力系數(shù)后，再整體退管。4#豎井共頂進(jìn)7節(jié)管道，其中2#、4#及6#管道上設(shè)有糾偏油缸倉(cāng)（見(jiàn)圖6），在糾偏油缸倉(cāng)埋設(shè)小型千斤頂，提供松管的反頂力。松管時(shí)，每組管道內(nèi)4個(gè)小型千斤頂同時(shí)頂推，將前方管道向沉井方向頂進(jìn)，使管道分節(jié)段松開(kāi)，最后機(jī)頭部分直接采用反頂千斤頂及反力架配合，在螺紋鋼牽引下，帶動(dòng)機(jī)頭部分移動(dòng)。在回退每一節(jié)管道之前，均需按照上述方法進(jìn)行分段松管，以減小整體退管的摩阻力。
圖6 管道糾偏油缸倉(cāng)位置
在退管過(guò)程中，為防止最后機(jī)頭拉出過(guò)程中洞口坍塌，在機(jī)頭未全部退至工作井內(nèi)時(shí)（機(jī)頭最后約1.2m仍留在洞口內(nèi)），暫停退管，做好阻退措施，同時(shí)對(duì)洞口進(jìn)行封閉�，F(xiàn)場(chǎng)主要采用兩種阻退措施，一方面利用主頂千斤頂及阻退支架作為阻退手段，另一方面由于在吊管過(guò)程中，主頂千斤頂無(wú)法有效起到防退效果，因此采用管道兩側(cè)的三角反力架作為止退裝置。洞口封閉采用鋼板樁進(jìn)行圍護(hù)封閉，前期頂管施工時(shí)，在井壁外側(cè)0.75m處施作一圈素混凝土樁作為止水帷幕樁，為方便鋼板樁施工，鋼板樁設(shè)置在素混凝土樁外側(cè)，距離井壁外側(cè)約2.3m。鋼板樁采用拉森SP-Ⅳ型鋼板。鋼板樁施作寬度為6m，兩側(cè)與井壁合圍封閉。為保證封閉效果良好，鋼板樁的樁底應(yīng)插入管底以下1m以上。為了防止機(jī)頭退出后洞口處水土流失，造成地面塌陷沉降的情況，必須先對(duì)洞口上部的土體進(jìn)行加固（機(jī)頭最后約1.2m仍留在洞口內(nèi)），待加固完成且加固體強(qiáng)度達(dá)到要求后，再將頂管機(jī)拉出洞口，工程中采用鉆孔壓密注漿的方法將上部土體連成一個(gè)整體。首先根據(jù)頂管頂進(jìn)軸線按梅花狀布設(shè)鉆孔（見(jiàn)圖7），設(shè)置4排鉆孔，排距1m，孔距1m，成孔孔徑100mm，孔深13m；然后埋設(shè)Ø89mm袖閥管，注漿體設(shè)計(jì)直徑為500mm；當(dāng)最外排的孔成孔后即進(jìn)行孔口清理，同時(shí)開(kāi)始分區(qū)域、分時(shí)、分段注漿，漿液用配比為水∶水泥∶水玻璃=417∶417∶600 的雙漿液，注漿壓力一般控制在0.2~0.5MPa，當(dāng)注漿壓力達(dá)到終壓時(shí)需要維持10min以上以確保漿液在土體中的滲透。最后進(jìn)行提管，每個(gè)注漿孔每段上提70cm，同時(shí)在提管過(guò)程中注意用力均勻，按一定步距，及時(shí)快速地逐段灌注漿液。工程中一般采用雙塞系統(tǒng)止?jié){塞分段注漿。
圖7 壓密注漿孔排布位置
對(duì)湯遜湖大直徑穿湖頂管工程遇障無(wú)法頂進(jìn)的問(wèn)題進(jìn)行了分析研究，并從實(shí)際工程情況出發(fā)，提出了反力架反頂油缸拉管法，對(duì)退管裝置的安裝、減阻潤(rùn)滑、反拉退管以及“邊退邊注”的注土系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，同時(shí)對(duì)大直徑頂管退管中分段松管、洞口封堵及阻退、洞門(mén)加固等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。相關(guān)施工工藝及方法在現(xiàn)場(chǎng)成功實(shí)施，整個(gè)退管過(guò)程進(jìn)展順利，包括頂管機(jī)在內(nèi)的超過(guò)20m退管施工僅耗時(shí)1周，機(jī)頭前方地面沉降始終控制在3cm以內(nèi)，全程未出現(xiàn)地面塌陷的情況；退出管節(jié)的結(jié)構(gòu)及外觀保存完好，后續(xù)被全部用于二次頂進(jìn)。該大直徑頂管遇障退管解決思路，可為今后類似地層頂管施工提供技術(shù)支持。
本文的完整版刊登在《中國(guó)給水排水》2024年第6期，作者及單位如下：大直徑穿湖頂管回退施工關(guān)鍵技術(shù)研究楊睿1,2,3，曾德星1,2,3，崔旭輝1,2,3（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040；3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040）
參考文獻(xiàn)引用的標(biāo)準(zhǔn)著錄格式：楊睿,曾德星,崔旭輝.大直徑穿湖頂管回退施工關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中國(guó)給水排水,2024,40(6):126-131.
YANG Rui,ZENG Dexing,CUI Xuhui.Research on key techniques for backward construction of large diameter pipe jacking under a lake[J].China Water & Wastewater,2024,40(6):126-131(in Chinese).
制作：文 凱
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