原創(chuàng)論文︱大直徑穿湖頂管回退施工關鍵技術研究 原創(chuàng) 楊睿,等 中國給水排水 2024年10月10日 14:14 天津 點擊藍字 關注我們 摘要：頂管技術具有施工方便、不中斷地上交通、無
核心提示：原創(chuàng)論文︱大直徑穿湖頂管回退施工關鍵技術研究
原創(chuàng) 楊睿,等 中國給水排水
2024年10月10日 14:14 天津
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摘要：頂管技術具有施工方便、不中斷地上交通、無噪聲、無環(huán)境污染等優(yōu)點，因此廣泛應用于地下空間的開發(fā)利用，但在實際的頂管頂進施工中難免遭遇無法清除的障礙物，造成無法繼續(xù)頂進的問題。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，并總結了施工過程中的關鍵技術，同時就二次頂進設
原創(chuàng) 楊睿,等 中國給水排水
2024年10月10日 14:14 天津
摘要：頂管技術具有施工方便、不中斷地上交通、無噪聲、無環(huán)境污染等優(yōu)點，因此廣泛應用于地下空間的開發(fā)利用，但在實際的頂管頂進施工中難免遭遇無法清除的障礙物，造成無法繼續(xù)頂進的問題。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，并總結了施工過程中的關鍵技術，同時就二次頂進設計準備進行設定。實際工程效果表明，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、地下結構預制裝配化等設計及施工方面的工作。
隨著城市化的不斷發(fā)展，地下空間的開發(fā)與利用不斷受到重視。頂管作為一種不需要進行開挖的技術，具有效率高、施工不影響周邊環(huán)境等優(yōu)勢，越來越被廣泛應用于市政工程中。但頂管工程施工難免遇到復雜的地質(zhì)環(huán)境、碰到無法清除的障礙物，此時就需要采取管道回退的方案。目前針對管道回退，馬敬豹等提出了鋼絞線在長距離故障頂管回退中的應用優(yōu)勢，并成功應用于上海市白龍港片區(qū)污水輸送干線大口徑長距離過江頂管工程，成功拔出95 m故障頂管。屈勇等總結了當前頂管障礙物處理的相關技術，針對頂管回退提出了套管技術。巨宏偉通過對重慶市觀景口水利樞紐引水隧洞硬巖頂管回退技術的研究，總結了長距離硬巖頂管回退技術的技術要點。甄亮通過數(shù)值模擬的方法分析研究了頂管在退管過程中對周邊環(huán)境的影響，并提出了控制地表變形的方法。目前相關研究大多針對小直徑頂管回退技術，缺少對大直徑頂管回退方法的研究。針對武漢湯遜湖頂管工程穿湖段4#~3#遇障無法繼續(xù)頂進的問題，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，對大直徑頂管退管的原理、工藝流程、關鍵技術以及防護措施進行闡述。
湯遜湖污水處理廠尾水排江工程項目4#~3#穿湖段隧道全長1492.65m，頂管機自4#豎井出洞始發(fā)至3#豎井進洞接收，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)管道長度為2.5m，管節(jié)之間采用高剛性承插口進行連接。4#豎井采用沉井施工工藝，沉井內(nèi)徑13m，壁厚1.2m，地面標高20.8m，洞門中心標高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。針對此類地質(zhì)條件，4#井頂管機選用普通泥水平衡頂管機，刀盤超挖外徑D4850mm，刀盤采用中心魚尾刀+保徑貝殼刀+先行撕裂刀+正刮刀組合，正反旋轉出渣。為了應對淤泥質(zhì)黏土采用雙排出渣口設計，刀盤進渣口采用錐形設計，有利于渣土順暢地流入土艙，避免渣土堆積，刀盤背部配置有攪拌棒，可對渣土進行攪拌，增強渣土的流動性，減小刀盤切削扭矩，減少渣土聚集黏結的可能性，降低刀盤本體磨損。考慮到地層底部的礫卵石（粒徑為20~80mm），設計刀盤開口尺寸最大100mm，保證礫卵石可以正常進艙排出。頂管及刀盤結構如圖1所示。
圖1 頂管機刀盤結構
該段頂管嚴格按照頂管專項施工方案要求開始頂管施工并順利出洞始發(fā)，在頂進20.1m時（第8節(jié)管節(jié)頂進施工中），主頂千斤頂?shù)捻斄ι?/span>1000t（106 N），頂進困難，現(xiàn)場立即停止頂進。通過鉆芯檢查，在頂管機刀盤頂進過程中發(fā)現(xiàn)尺寸約300mm鋼筋混凝土塊和尺寸超過200mm的卵石塊（見圖2），由于頂管機設備在前期選型過程中未充分考慮遇大直徑鋼筋混凝土塊、孤石處理措施，因此需將已頂進管節(jié)和設備全部從洞內(nèi)退出，通過對頂管機進行改造或更換，增加二次破碎艙和刀盤開口率等方法，使其滿足二次復頂?shù)囊蟆?/span>
圖2 遇障實物
大直徑頂管退管主要按照“逐段松管、整體退管”的思路進行施工，采用螺紋鋼組作為退管拉索，一端與隧道內(nèi)頂管機機頭連接，另一端與沉井內(nèi)反力架連接，同時在洞口兩側設置千斤頂作為反推裝置，帶動管道及頂管機整體回退。退管的同時，向機頭前方空洞內(nèi)泵送混合回填料填充，防止地面沉降或開裂。拔出頂管機頭后更換具有大開口率、帶二次破碎功能的復合型頂管機，重新規(guī)劃頂進路線，采用原始發(fā)井、接收井作為進、出工作井進行復頂。具體包括：頂管機內(nèi)設備拆除→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（退管過程中采用注土系統(tǒng)同步泵入回填料）→鋼板樁封堵（機頭留在孔洞1.2m）→地基加固→鋼板樁拔出、機頭退出→復頂。
圖3 退管施工工藝流程
由于沉井內(nèi)壁為弧形結構，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設置反推后背墻。后背墻整體呈扇形結構，最厚處為40cm，寬0.69m，高5m，采用C30混凝土結構。同時為保證后背墻整體受力的穩(wěn)定性，在后背墻內(nèi)部設置單層雙向鋼筋網(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設置。通過計算退管時所需反頂力進行選型，沿管道軸線左右對稱布置，每側布置2臺千斤頂，退管過程中4臺千斤頂應共同作用，規(guī)格一致，行程同步，每臺千斤頂?shù)氖褂脡毫Σ淮笥陬~定壓力，油路必須并聯(lián)，每臺千斤頂均備有獨立的控制閥。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)預埋鋼筋焊接固定，形成整體，為頂管的反力提供一個垂直的受力面整體，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8m，在與螺紋鋼連接處需提前在翼緣板上開設4個DN45孔洞，用于安裝螺紋鋼，并采用綴板補強；反頂千斤頂與反力架接觸面同樣采用鋼板補強，確保其受力均勻。反力架在管節(jié)開始退管前再進行安裝，先用門機反力架吊裝至設計高度（管道中軸線位置），人工將螺紋鋼從反力架上預留錨孔內(nèi)穿過，端頭采用螺栓錨固。頂管機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，其抗拉強度為1 030 MPa，每根螺紋鋼極限拉力為90t（9×104N）。螺紋鋼布設在管道左右兩側，單側螺紋鋼組由4根組成，兩側共計8根，可以提供720t（7.2×105N）的拉力，滿足退管拉力要求。
圖4 螺紋鋼與機頭連接
大直徑頂管整體退管時摩擦阻力較大，因此必須采用潤滑技術進行減阻：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，以便復頂二次利用。退管時主要采取的措施：通過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滑油，防止管道回退破壞橡膠結構，影響再次頂進時的密封效果。正式退管前需進行試拉，逐步增加反頂力，頂力增量按總設計頂力的20%進行控制，當壓力提升至設計壓力但管道仍未拖動時，立即停止退管，查明原因，采取相應措施。正式退管時，根據(jù)試拉確定的反拉力控制反頂千斤頂，頂推反力架，將管道及頂管機整體回拉。施工時，應控制好退管速率，每次退管長度不得超過30cm，退管速度控制在0.5m/h以內(nèi)。退管過程中可能引起周邊土體坍塌，從而導致地面沉降等情況。為保證施工安全，整體退管時，同步向機頭前方空洞內(nèi)注回填料填充，保證地層的穩(wěn)定性。針對回填料泵入性、泌水率、抗壓強度等性質(zhì)，采取正交試驗的方法選擇最優(yōu)配方。通過實驗室性能測驗確定最優(yōu)回填料具體配置：粉煤灰∶水泥∶黃黏土∶水=150∶7.5∶17∶80�；靥盍闲阅軈�(shù)：初凝時間控制在5 h，終凝時間控制在12h以內(nèi)，泌水率3%，28d強度為0.5~1.0MPa�；靥盍系膶嶒炇覡顟B(tài)見圖5。采用混凝土車載輸送泵作為泵送設備，設備布置在沉井地面操作室旁，為減少管道安拆，直接采用頂管機的排泥管作為泵管，在刀盤面上方開設注漿孔，與泵管連接。將泵管與地泵連接牢固，檢查無誤后進行回填料泵送施工。管道回拉的同時，邊退管、邊注回填料，注漿壓力控制在0.2MPa左右，根據(jù)現(xiàn)場實際施工情況進行調(diào)整。在填充過程中應保持壓力穩(wěn)定，如果發(fā)現(xiàn)壓力過小，先停止退管，繼續(xù)注入回填料，直至壓力上升至設計值，再開始退管。注漿時，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。嚴格控制回填料注入量，根據(jù)計算退空區(qū)域體積量，每退管1m，至少向掘進機前方由掘進機退出的空間中注入20m3回填料，要求全部由回填料填充，保證回填密實。另外，退管回拉的速度不可過快，退管速度與注漿壓力、速率及混合料的初凝時間等相匹配。根據(jù)同類型項目退管施工經(jīng)驗，每天回退一節(jié)管道后，停滯5h，待回填料達到初凝后，方可繼續(xù)回退后面管節(jié)。
圖5 回填料的實驗室狀態(tài)
在管道回退過程中，回填料不及時、注漿壓力不足等容易引起前方土體塌陷，因此施工中加強沉降監(jiān)測是工作的重點。監(jiān)測要及時準確，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對退管參數(shù)進行調(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備，確保管道退管過程中設備能正常工作�？刂坪没赝怂俣�，在地面沉降較大時，回退速度控制在25~50cm/d，并根據(jù)每天測量參數(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所需拉力較大，因此為了降低退管難度，采用小型千斤頂對管道進行逐段頂管，將管道松開，降低摩擦阻力系數(shù)后，再整體退管。4#豎井共頂進7節(jié)管道，其中2#、4#及6#管道上設有糾偏油缸倉（見圖6），在糾偏油缸倉埋設小型千斤頂，提供松管的反頂力。松管時，每組管道內(nèi)4個小型千斤頂同時頂推，將前方管道向沉井方向頂進，使管道分節(jié)段松開，最后機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，帶動機頭部分移動。在回退每一節(jié)管道之前，均需按照上述方法進行分段松管，以減小整體退管的摩阻力。
圖6 管道糾偏油缸倉位置
在退管過程中，為防止最后機頭拉出過程中洞口坍塌，在機頭未全部退至工作井內(nèi)時（機頭最后約1.2m仍留在洞口內(nèi)），暫停退管，做好阻退措施，同時對洞口進行封閉�，F(xiàn)場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程中，主頂千斤頂無法有效起到防退效果，因此采用管道兩側的三角反力架作為止退裝置。洞口封閉采用鋼板樁進行圍護封閉，前期頂管施工時，在井壁外側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，鋼板樁設置在素混凝土樁外側，距離井壁外側約2.3m。鋼板樁采用拉森SP-Ⅳ型鋼板。鋼板樁施作寬度為6m，兩側與井壁合圍封閉。為保證封閉效果良好，鋼板樁的樁底應插入管底以下1m以上。為了防止機頭退出后洞口處水土流失，造成地面塌陷沉降的情況，必須先對洞口上部的土體進行加固（機頭最后約1.2m仍留在洞口內(nèi)），待加固完成且加固體強度達到要求后，再將頂管機拉出洞口，工程中采用鉆孔壓密注漿的方法將上部土體連成一個整體。首先根據(jù)頂管頂進軸線按梅花狀布設鉆孔（見圖7），設置4排鉆孔，排距1m，孔距1m，成孔孔徑100mm，孔深13m；然后埋設Ø89mm袖閥管，注漿體設計直徑為500mm；當最外排的孔成孔后即進行孔口清理，同時開始分區(qū)域、分時、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，當注漿壓力達到終壓時需要維持10min以上以確保漿液在土體中的滲透。最后進行提管，每個注漿孔每段上提70cm，同時在提管過程中注意用力均勻，按一定步距，及時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
對湯遜湖大直徑穿湖頂管工程遇障無法頂進的問題進行了分析研究，并從實際工程情況出發(fā)，提出了反力架反頂油缸拉管法，對退管裝置的安裝、減阻潤滑、反拉退管以及“邊退邊注”的注土系統(tǒng)進行了介紹，同時對大直徑頂管退管中分段松管、洞口封堵及阻退、洞門加固等關鍵技術進行了總結。相關施工工藝及方法在現(xiàn)場成功實施，整個退管過程進展順利，包括頂管機在內(nèi)的超過20m退管施工僅耗時1周，機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)的結構及外觀保存完好，后續(xù)被全部用于二次頂進。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支持。
本文的完整版刊登在《中國給水排水》2024年第6期，作者及單位如下：楊睿1,2,3，曾德星1,2,3，崔旭輝1,2,3（1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長大橋梁建設施工技術交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 430040；3.交通運輸行業(yè)交通基礎設施智能制造技術研發(fā)中心，湖北 武漢 430040）
楊睿,曾德星,崔旭輝.大直徑穿湖頂管回退施工關鍵技術研究[J].中國給水排水,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).
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