非开挖施工用球墨铸铁顶管在工程项目中的应用

王海玲 孟庆宽

(1．安钢集团永通球墨铸铁管有限责任公司;2．河南水利建筑工程有限公司)

0 前言

在进行城市地下供水管道铺设和改造过程中，遇到不可破坏的公路、建筑物、河流等障碍是不可避免的，如果管线绕行或破坏建筑物等，将会大大的增加施工难度和施工成本。日本久保田于上世纪九十年代开发出Jacking Pipes，我国于2000年开始开发顶管，但在国内并无销售记录。为克服因施工造成的道路交通堵塞等难题，永通公司研制开发生产出球墨铸铁管顶管，不需要挖沟，用专用设备将管子逐支顶进，既满足了穿越障碍物的功能，同时保证了管线材质的一致性，是城市供水行业的新产品。

1 产品概述

1．1 产品制造原理

该产品是在T 型接口的标准球墨铸铁管外层涂覆一层混凝土砂浆，将球墨铸铁管紧紧包裹在混凝土层内部;这样施工顶进时，既可以减少顶进阻力，使顶管各部位受力均衡，也可以保护铸铁管部分不受损害。球墨铸铁顶管如图1 所示。

图1 球墨铸铁顶管

1．2 产品参数

顶管产品的主要技术参数见表1。

表1 顶管参数

1．3 产品特点

与常用的其他类型顶管产品相比，该产品具有以下特点:(1)具有足够的承载力。由于承插口特殊的结构设计，DN1200 mm 球墨铸铁顶管允许最大可承受7350 KN 的顶推力。(2)寿命长，成本低。球墨铸铁管为含有石墨的多相组织，克服了钢管易电化学腐蚀、易变形等弱点，内带有水泥砂浆衬里，外部喷锌、浇灌混凝土，环氧树脂涂料等多层防腐方式，具有超强的防腐性能，设计寿命70年以上。(3)良好的力学性能。强度高、韧性好，可承受较大的内、外压力，(如DN1200 mm 规格，球墨铸铁管顶管最大允许工作压力2．8 MPa，较混凝土顶管相比高出2． 7 MPa;完全满足城填供排水0． 3 MPa ～1．0 MPa的工作压力需要)。(4)密封性能好。T 型接口型式，允许有较大的偏转角，可吸收地面位移，基本免维修，综合成本低。

2 几种施工方案的比较

2．1 大开挖施工

大开挖施工就是在铺设管道时，将公路、水渠全部挖开，待施工完成后再恢复原貌的一种施工措施。其优点是投资少、施工工艺简单、施工费用低，适应于各种规格的管道施工。缺点是:(1)施工条件受限制。(2)噪音大，破坏周围环境。(3)拆迁费用高。

2．2 非开挖施工

2．2．1 水平定向钻

水平定向钻钻机穿越管线施工是按照设计曲线先准确的钻一个导向孔;再将导向孔进行扩孔，并将产品管线沿着扩大了的导向孔回拖到导向孔中，完成管线穿越工作。其优点是对环境的影响小，对管线的保护作用大，维修费用小，适用于各种规格的管道施工。缺点是施工工期长、施工场地占用大、安全性差。

2．2．2 “混凝土顶管+钢管”施工

“混凝土顶管+钢管”施工是用顶管机将混凝土管直接顶入土层，顶完成后再在混凝土管内部穿越钢管的一种施工方法。其优点是无需钻孔，可直接将混凝土管顶进，适用于各种规格的管道施工。缺点是:(1)工艺复杂，施工场地占用。(2)抗腐蚀性差。(3)顶力小，顶进速度慢。(4)遇到地下水较大情况，套管的处理比较麻烦，危险性较大。

2．2．3 球墨铸铁顶管施工

球墨铸铁顶管施工是用顶管机直接把球墨铸铁管顶管顶入土层，无需扩孔，内部无需再拖拉钢管，一次完成施工安装的一种新型施工工艺，其优点是:

(1)保护周围环境。球墨铸铁顶管可直接顶进土层，无施工噪音污染，不影响周围居民生活，保护环境。

(2)施工占地面积小。球墨铸铁顶管内部无需穿套管，施工占地面积小。

(3)安全性能好。球墨铸铁管本身有足够的强度和韧性，自身承压能力强，施工安全性高。

(4)顶进速度快。球墨铸铁顶管外层经过特殊处理，在顶进过程中摩擦阻力系数较小，在注浆情况下，顶进速度较快。平均顶进速度为3 m/h，每天可顶进40 m ～60 m，较混凝土顶管每天顶进20 m ～30 m高出近一倍。

(5)施工工期短。球墨铸铁管在正常顶进状况下，允许不做中继间承受500 m 的顶距，与安装中继间顶进相比，大大提高工作效率，施工周期短。

(6)允许承受的顶推力大，施工方便。球墨铸铁顶管安装时，将大部分的顶推力传导至球墨铸管的管体，减少混凝土的受力，很好的分散了施工过程中的顶推力、摩阻力等外力，施工工艺方便。具体顶推力比较见表2。

表2 球墨铸铁顶管与混凝土顶管允许顶推阻力比较［1］

由表2 可知，球墨铸铁顶管允许承受顶推力较混凝土管顶推力高4753 KN ，达到了截止目前为止国内允许顶推力最高标准。

(7)综合成本低。平均每500 m 可节省2 ～3个中继间，可节约费用11 万元～16．5 万元。施工及材料费用见表3。

表3 不同材质顶管费用比较［2］

缺点是:(1)由于受施工条件和施工费用限制，适合做DN600 mm 规格以上规格的供排水管道，小规格球墨铸铁顶管由于是全自动化机头，施工费用较高。(2)球墨铸铁管相对钢管材料费用高。

综合比较可知，在城市地下给排水管道改造过程中，非开挖施工相对大开挖施工节约拆迁费用，施工占地面积小，对环境及周围居民的影响小。球墨铸铁顶管相比传统的施工工艺，有顶进速度快，承受顶推力大，一次性顶进距离长，综合费用低等优点，是城市供排水非开挖施工的新工艺。

3 典型案例应用

南水北调漯河市供水配套工程输水线路总长约120 km，自南水北调10 号口门向漯河市三四水厂输水，途经漯河市太行山路，管线全长1140 m，整条管线设计水流量0．6 m3/s，通水压力1．2 MPa。由于工程处于漯河市中心地带，原设计开挖输水管线位置已被近年来埋设的各类高压电缆、弱电等地下管线占用，而且新建民房与部分管线设计开挖距离较近，存在施工降排水影响民房安全等问题，因此采用非开挖施工工艺对管道进行铺设。综合比较，考虑球墨铸铁管的优势，该工程采用了永通公司DN 1000 mm管径的球墨铸铁管顶管产品。

4 施工原理及重点注意事项

4．1 施工原理

顶管施工原理是从地面开挖两个基坑井，然后管节从工作井安放，通过主顶千斤顶的顶推机械的顶进，推动管节从工作井预留口穿入，穿越土层到达接收井的预留口边，通过接收井的预留口穿出，形成管道的施工。

4．2 顶进设备选择

根据管线土质、地质状况、管道管径、顶管距离及现场施工条件，选择顶进方法。常用的施工方法有:人工顶进，泥水平衡顶进工艺及土压平衡顶进工艺等。

泥水平衡顶管施工时，通过后座主顶油泵和千斤顶产生的推力，推动管道向前推进，在管节推进的同时，顶管掘进机大刀盘破碎前方土体，破碎后的土体进入顶管掘进机的泥土仓内，经刀盘的搅拌与进浆管送入的泥浆搅拌成浓的泥浆，再通过排浆管道将浓泥浆排出机头。通过管节一节一节向前推进，顶管掘进机不断推进，最后到达接收井，形成整段管道。通过调整进排泥水量或调整顶进速度，调整顶管掘进机泥水仓的泥水压力，从而保持了挖掘面的稳定。工作原理如图2。

根据现场的施工条件、土质及管道管径实际情况，选用Φ1000 mm 泥水平衡顶管掘进机施工。

4．3 重点注意事项

4．3．1 防止地下水渗漏

图2 泥水平衡施工原理

图3 穿墙止水环

图4 封堵灌浆孔

(1)为防止地下水、泥砂和触变泥浆从管节与洞口间的间隙流到操作井，在井内预留洞口安装穿墙止水环，如图3 所示。

(2)为预防地下水通过灌浆孔回灌致管道内，影响施工，封堵灌浆孔采用铜质单向阀加专用堵头双密封，灌浆孔与单向阀间隙用环氧树脂胶密封。灌浆孔及密封如图4 所示。

4．3．2 减少顶进过程中的阻力

4．3．2．1 通过灌浆润滑实现减阻

每节管道上120 °差开两个灌浆孔，管道顶进时，利用触变泥浆隔离土壤、润滑管道四周，实现减阻。施工中严格控制膨润土的浓度来达到最好的减阻效果，泥浆为膨胀土+水+纯碱，另加适量的CMC。

4．3．2．2 增加中继间

为克服长距离顶进施工中顶推力不足的问题，管节之间可设置中继间。中继间的数量参考《给水排水工程顶管技术规程》进行估算确定［3］。由于永通球墨铸铁顶管外表面处理光滑，在顶进过程中严格控制顶进速度及压力，及时调整触变泥浆粘度，在漯河南水北调工程中，创造了直接顶进476 m 没有使用中继间的国内最长记录。

4．3．3 预防顶进过程中的管线偏转

4．3．3．1 管道自身允许较大偏转角

由于T 型接口的球墨铸铁管允许有较大的偏转角，可根据工程要求调整管节的偏移角度;在管道与机头中间加装两支2 m 长的纠偏管，可随时调整管道的偏转角，具体偏转角见表4。

表4 球墨铸铁管连接允许的偏转角［4］

4．3．3．2 施工过程中测量与纠偏

为防止施工过程中管线发生偏转，在施工过程中，配备有激光经纬仪、测量靶和监视器，水平方向测量采用水准仪，垂直方向采用经纬仪。

顶进过程中每顶一块顶铁测量一次，纠偏时每顶500 mm 测量一次。当顶管发生扭转时，可通过机头内部的纠偏油缸进行调整。

5 结语

(1)产品承受顶推力大，创国内不需加中继间一次顶进最长距离476 m 记录，平均每500 m 可约中继间费用十余万元。

(2)施工速度较混凝土管施工快1．5 倍～2 倍，施工效率大大提高。

(3)泥水平衡顶管施工工艺，与传统顶管施工相比，无需增加设备成本。

(4)由于其具有超强的防腐能力、抗外压能力和柔性接口设计，确保了管线的超长安全使用寿命，后期基本免维修。

(5)改进了球墨铸铁管生产品种，拓宽了球墨铸铁管的使用领域，突破了原有地下非开挖施工中无法使用球墨铸铁管的施工工艺，解决了球墨铸铁管在各大城市给排水管道施工中的难题，是城市给排水行业的新产品。

(6)经南水北调漯河受水区中应用表明:节省了拆迁和开挖施工费用，应用效果良好，经济和社会效益显著。在非开挖施工技术的球墨铸铁管顶管开发与应用领域的创新技术居国内领先水平，与传统的顶管管材相比，有较大的市场竞争力。

［1］城市供水行业2010年技术进步发展规划和2020年远景目标［R］．北京:中国建筑工业出版社，2005:478 －481．

［2］JCT 640 －2010，顶进施工法用钢筋混凝土排水管［S］．

［3］CECS 246:2008，给水排水工程顶管技术规程［S］．

［4］球墨铸铁给排水管道工程施工验收规范技术要求［S］．