石家庄汇明路综合管廊民心河污水顶管工程安全施工技术

白恩飞

（中铁十八局集团第四工程有限公司 天津 300222）

1 工程概况

本工程为石家庄市汇明路地下综合管廊建设项目污水管道穿越民心河顶管工程。施工地点位于石家庄市汇明路与民心河交汇处，桩号为K6+476～K6+500，穿越民心河顶管并排铺设2道DN1600钢筋混凝土管，中心间距3 m。施工工艺为顶管施工，每道顶管施工长度为49 m。管顶埋深9 m。顶管工作坑尺寸为7×7×9.3 m（长×宽×深），采用锁口圈梁+水平钢格栅+喷射砼结构支护形式，穿民心河顶管施工平面图如图1所示。

图1 穿越民心河顶管平面图

2 施工方法

土方开挖前应对开挖段土质、地下水位、地下构筑物、沟槽附近的地上建筑物、树木、输电、通讯杆线、地下管线等进行调查，确定开槽断面、堆土位置、施工道路和设备，制定施工方案。采取全站仪进行坐标点放样、水准仪进行高程点放样的方式进行。

进场后，先进行控制坐标点、水准点复核测量，在此基础上进行加密，坐标点加密至200 m间距一个点，水准点加密至100 m一个点，同时加密后的坐标点、水准点成果报监理工程师批准。并进行原始地面测量，上报土方开挖、回填工程量计算成果。

根据设计图纸顶管工作井平面尺寸及深度为 7 m×7 m×9.3 m，接收井平面尺寸为4 m×4.5 m×9.3 m，工作坑采用锁口圈梁+水平钢格栅+喷射混凝土结构支护，围护结构采用倒挂井壁法施工。

2.1 土方开挖

土方开挖采用人工分层分块开挖施工，对于杂填土层适当辅以风镐，工作竖井井壁设人行爬梯以方便工作人员上下井坑，爬梯采用钢筋焊接。竖井开挖严格控制进尺不大于0.6 m。竖井土方采取分侧、分块开挖支护，先两对角开挖，然后开挖竖井中部土方。由于施工场地窄小，现场无法存土，施工过程中开挖的土方运至存土场暂存，待回填时回运。在工作坑边设一台25吨吊车，负责顶管设备安装及出土、下管作业。

2.2 支护结构施工

（1）锁口圈梁施工

锁口圈梁尺寸为宽×高＝1 000 mm×500 mm，位于地面下0.5 m施做。锁口圈梁内侧采用钢模，混凝土标号为C25，主筋Φ22间距140 mm上下两层钢筋，箍筋Φ12间距300 mm, 圈梁土方采用人工配合机械开挖，人工负责坑壁修整。挖至设计高程后绑扎钢筋。钢筋均使用机械加工，无论是绑扎或者焊接搭接长度均需符合规范要求，同一断面内接头数量符合规范要求。圈梁内预埋格栅竖向连接钢筋，预埋长度不小于30cm。并锚入土层0.3～0.5 m，作预留筋与下步主筋搭接。为防止汛期有水灌入工作坑内以及坑口防护，在工作竖井锁口圈梁顶砌挡水墙（墙厚240 mm），高0.5 m。沿圈梁顶周围设置φ48钢管栏杆，横杆为两道，立柱间距1.0 m、栏杆高1.2 m。

（2）钢格栅施工

格栅及钢筋网加工、安装支护的施作由上到下进行，按5厘米超挖考虑。每一循环挖深0.5米设一榀格栅，钢格栅断面240*170mm，主筋Φ22, 箍筋Φ10。格栅主筋连接处均采用焊接，纵向连接筋进行焊接，单面焊10d，钢筋网片搭接长度不小于两个网格。开挖后尽快架设格栅，施作C20喷射砼300 mm，形成封闭结构。水平格栅间距0.5 m。内外侧交错设置Φ22间距1m的竖向连接筋。设Φ8间距150×150 mm双层钢筋网片，钢筋网搭接长度不小于2个网孔，钢筋拉杆锚入锁口圈梁内不小于35 d。

（3）喷射混凝土施工

混凝土强度等级为 C20。材料为水泥、中粗砂、豆石（粒径在0.5～1.0 cm），并加入速凝剂，速凝剂为水泥重量的5%。锚喷混凝土厚度为30厘米。喷射分层作业，一次喷射厚度5～6cm，分层喷射间隔时间为5～10分钟，使用碳酸钠速凝剂时，间隔时间不许小于30分钟。

（4）支撑及井坑施工

支撑选用I25工字钢，支撑用两块360*260*10预埋钢板与钢格栅焊接在一起，每道支撑布置在工作井四个方角内侧，自上向下隔榀设置。在挖深达到顶进坑底标高后施作底板，底板现浇30厘米厚的C25混凝土。在顶管坑四周围设置安全护栏，工作坑上口必须设2道安装护栏用密目网，护栏高度不低于1.2m。基坑上下设爬梯，爬梯必须设置得牢固、方便。

2.3 顶管施工

测量交接桩完成，并对控制点、坐标点、水准点进行校测，拴桩、补桩等工作已完成后即可进行顶管施工。

（1）顶管顶力计算

总顶力计算公式为：

式中：Fp——总顶力（kN）；

D0——管道的外径（m）取1.92 m；

L ——管道设计顶进总长度（m）取49 m；

NF——迎面阻力（kN），NF=π（D0-t）tR；

t ——工具管刃厚度（mm）；

R ——挤压阻力（KN/m²），可取400 KN/m²；

f——管道外壁与土的单位面积平均摩阻力（kN/m ²） 取9.0 kN /m²；

FP=3.14×1.92×49×9.0+3.14×（1.92-0.16）×0.16×400=2771KN≈277t。

因此，计算得出总顶力为277 t，正常顶进时后背墙安排2台200 t顶镐，最大推力为400 t，满足要求；加强润滑浆管理，减小顶进阻力，使实际顶进时顶力小于管口承载力。

（2）后背墙施工

后背墙是顶进管道时为千斤顶提供反作用力的一种结构，有时也称为后座、后背或者后座墙等。在施工中，要求后背墙必须保持稳定，一旦后背墙遭到破坏，顶进工程就要停顿。后背墙主要功能是在顶进过程自始至终地承担主顶工作站顶管前进时的后坐力。后背墙的最低强度应保证在设计顶进力的作用下不被破坏，要求其本身的压缩回弹量为最小，以利于充分发挥主顶工作站的顶进效率。后背墙采用钢后背，尺寸为3.0 m×3.0 m,厚度0.3 m。

根据计算公式为：

式中：R——总推力之反力（KN）；

α——系数（取1.5～2.5之间），本工程取2.0；B——后背墙的宽度（m），本工程取3m；

h——地面到后背墙顶部土体的高度，本工程取7 m。

得到：

R=2.0×3×(19.4×32×2.5/2+2×20×3×1.58+19.4×7×3×2.5) =8558.1(kN)R/P=8558.1KN /3229 kN =2.7。

经计算：土抗力为总顶力的2.7倍，故后背墙满足受力要求。

2.4 顶进施工

为保证顶管穿越施工安全，防止管内掘进工作面塌方，确保施工人员安全，在混凝土管最前端加装3米长的工具管（φ1920钢管），少挖勤顶，顶进过程中始终保持钢管嵌入前方土体1 m以上，确保顶进施工安全进行。工具管示意图如图2所示。

下管前先对管子外观进行检查，主要检查管子有无破损及纵向裂缝，端面要平直，管壁无坑陷或鼓包，必须光洁，全面合格后，方可用起吊设备吊到工作坑导轨上就位，下管时对起重设备必须检查，确认安全可靠方可下管，下管时注意工作坑内严禁站人。第一节管子下到导轨上，测量管子中心及前后端的管底高程，确认安全合格后方可顶进，因为第一节作为工具管，顶进方向与高程的准确是保证整段顶管质量的关键。掘进时自上而下分层开挖，管前钢管内至少存一米的土。顶进开始时，注意缓慢进行，待各接触部位密合后，再按正常速度顶进，顶进时注意顶铁上方及侧面不得站人。

顶进过程中及时测量轴线位置和高程，第一节管每顶进30 cm测量一次，正常顶进时每100 cm测量一次。当超过允许偏差时，及时采取措施纠正，保证管道按设计方位及坡度顶进。在顶进过程中发生偏差，当偏差在1～2 cm采用超挖纠偏法，当偏差大于2 cm时采用顶木校正法纠偏，必要时采用小千斤顶校正法。

图2 工具管布置示意图

3 安全施工技术措施

3.1 顶管入土保护措施—小导管注浆加固

在管道与侧墙接触线处及其外30 cm处用红漆描出轮廓线，沿30 cm轮廓线打入3 m长超前小导管，末端与侧墙水品格栅连接，并采取注浆加固工艺。小导管采用φ42×3热轧焊接钢管，注浆材料采用水泥水玻璃浆液。注浆开洞布置示意如图3所示。

3.2 防顶进过程中浆液外泄措施—顶管入洞止水环

为了防止土层滞水、保证顶进过程中的触变泥浆等外溢，管道与锚喷墙交叉部位采用橡胶板止水穿墙管。穿墙管在锚喷墙施工完毕后实施安装。顶管完毕后，止水环变成永久穿墙柔性堵头。

4 安全施工监测

4.1 监测项目

图3 开洞注浆示意图

对该工程穿越进行施工监测。主要工作内容如表1所示。

表1 监测项目简表

4.2 控制值及预警管理

（1）控制值

道路变形控制值：最大隆起值小于 5 mm，最大沉降值小于 15 mm，人行道最大沉降值小于 20 mm，沉降坡度不大于 2‰，沉降速率不大于 2 mm/d。

（2）监测管理

预警值取控制值的60%，沉降变形量达到预警值时，及时发出预警，并加强持续监测。警戒值取控制值的80%，沉降变形量达到警戒值时，及时发出警报，立即停工并及时报送建设单位。

针对路面沉陷程度设立黄、橙、红三级预警：

F＝实测值/允许值

黄色：当F＜ 0.6时，安全

橙色：当0.8 ＞F≥0.6时，预警

红色：当F ≥0.8时，停止施工，查明原因，实施补救措施

4.3 监测实施

水准基准点（又称监控点）是沉降观测起始数据的基本控制点，针对本工程的规模和精度要求，拟布设深埋砼结构水准基准点3个。基准点埋设深度应达到原状土层，具体深度以勘察报告或实际揭露为准。基准点钻孔直径150 mm，灌注混凝土，中间埋设直径Φ25mm左右的螺纹钢筋，。混凝土浇注养护稳定后方能开始引测基准点标高，并进行首次联测。

深层沉降监测测点布设方法是首先在路面钻孔，钻孔直径108 mm，钻入深度达顶管影响深度，然后在孔底灌注混凝土，厚度约200 mm，将钢筋插入孔底混凝土，钢筋外套PVC管，PVC管底部置于孔底混凝土上，PVC管与钢筋之间填充细砂密实，最后用混凝土将PVC管与孔壁之间填充密实，为防止填充混凝土与底座混凝土连接，在两层混凝土之间填充细砂，在测点上方加装护筒及盖板进行保护, 为防止地面水渗入路基，在护筒与钢筋间采用防水胶垫进行密封，防水胶垫与钢筋、护筒接触部位涂抹密封胶。

4.4 监测频率及周期

本次施工过程中，对影响区域内的路面沉降监测工作随现场施工进度进行，当顶管工作面距离测点小于10m时，开始监测工作。监测频率按下表进行，在监测数据反馈属于安全状态情况下，按照表2要求频率进行监测。

表2 监控量测工作频率表

监测过程中，出现异常情况时，监测频率进行有效调整，适当加大监测频率。

4.5 测点拆除和路面恢复

本工程监测周期完成并向相关方提交第三方监测总结报告后，拆除现场监测点并对测点所在部位路面进行恢复。具体步骤如下：（1）拆除测点顶部钢保护盖和防水胶垫；（2）取出钢测点及外侧隔离套管；（3）清理测点周围的砂土；（4）在拆除测点后的孔位内浇筑添加速凝剂的混凝土，浇筑过程中使用钢筋对混凝土振捣，保证混凝土填充密实；混凝土浇筑高度高于路面2～3 mm，以缓冲车行荷载对混凝土的竖向作用力，尽量使压缩后的混凝土面与原有路面平齐。（5）孔位浇筑完成后在其周边设置反光锥筒，在混凝土达到一定强度后再移除锥筒，避免车辆对刚浇筑混凝土的孔位造成破坏。

在进行上述工作的时候，加强与道路产权单位和养护单位的联系，作好双方的配合工作；把测点拆除和路面恢复工作纳入本项目的重点。

5 结语

本文通过对石家庄旧城区地下综合管廊民心河顶管安全施工技术进行综合研究发现采用小导管注浆加固和顶管入洞止水环技术很好的解决了顶管施工的安全隐患。采用了针对顶进工程的施工监测技术，用于指导施工。现场采用上述安全控制技术很好的完成了管廊民心河顶管安全施工技术。