浅覆土富水软弱地层拉顶管关键技术研究

文/中交四航局第七工程有限公司 刘永鸿

0 引言

随着城镇化进程加快，城市管网建设已被提上日程。2014年国务院办公厅提出坚持先地下、后地上的城市地下管线规划基本原则，用10年左右时间建成较为完善的城市地下管线体系。城中既有建（构）筑物众多，当新建管线穿越既有建（构）筑物时，往往采用非开挖施工工艺，在不对地表造成破坏的情况下敷设各种地下管线。非开挖管线敷设技术体现工程施工水平及城市的现代化建设进程。

在市政污水管道施工中，施工非开挖工艺主要包括顶管工艺和定向钻拖拉管工艺。顶管工艺主要用于800mm及以上口径的管道施工，施工面大，且对管道覆土有要求；定向钻拖拉管工艺主要应用于800mm以下口径的管道施工[1]，但该工艺易导致地面塌陷，对施工附近路面和居民的生产生活造成不利影响。针对肇庆市地下水丰富的软弱地层情况，加之拟敷设的管道覆土较浅，常规顶管和拖拉管工艺无法有效应用于现场施工。

近年来，综合法小口径顶管（拉顶管）工艺在珠三角地区多项截污次支管工程中已得到成功应用，该工艺具有其他传统施工方法无法比拟的优势：地质适应广、对管道覆土要求低、次生灾害小、施工速度快、精度高、对交通和周边建（构）筑物的影响较小等，给本项目浅覆土富水软弱地层条件下的管道施工提供新型可靠的施工工艺选择。

1 工程概况

肇庆市某污水管网改造工程项目实施排水管网总长约120km，其中综合小顶管施工工程量为35km，占比29%，主要存在于市政道路和城中村，通过前期现场勘察发现，建筑场地地质情况如下。

工程地质综合剖面共分主层10层及9个夹层，主层依次是：①人工填土；②粉质黏土、黏土；③淤泥、淤泥质土；④粉质黏土、黏土、粉土；⑤淤泥、淤泥质土；⑥粉砂；⑦残积土；⑧全风化岩带；⑨强风化岩带；⑩中风化岩带。夹层包括：②1粉砂夹层；③1（淤质）粉砂夹层；③2粉质黏土、粉土夹层；④1淤泥质土夹层；④2中砂夹层；④3砾砂、圆砾夹层；⑤1粉质黏土、粉土夹层；⑨1中风化岩夹层；⑩1全风化岩夹层。

钻探期间测得初见水位埋深为0.50～2.60m，标高3.410～43.720m；钻孔终孔24h后测得各钻孔地下水相对稳定水位埋深为0.65～3.80m，标高2.510～42.920m；地下水水位随地势而变，地势高处地下水位相对较高，沿山坡向低位水位顺势变低，地下水位变化幅度多在0.40～2.00m。

2 拉顶管工艺在污水管网中的应用

2.1 前期准备

按现场环境制定施工方案，定好坑道机井位，装管井位，提前与当地居民沟通协调，解决用水、相关设备及渣土临时存放问题。

2.2 制作井位

先施工工作井和接收井，工作井井体可采用圆形或矩形。采用圆形时，直径为2.5m；采用矩形时，长边为2.5m（针对轴线方向长一段），短边为1.5m。接收井一般采用圆形，直径为1.5m。由于施工管道采用短管节（通常为1.0m），新建检查井所需空间较小，局部紧张地区也可采用0.5m短管节，从而相应缩小管道安装井的尺寸（见图1）。

图1 2．5m×1．5m综合法小口径顶管工作井结构

传统拖拉管工艺是井完成后，一次拖拉管道穿过多个检查井；拉顶管工艺是钻杆一次穿过多个检查井，从最后1个检查井装管拉顶完前两井之间的距离后，再从前1个井装管拉顶前一段，保证每个井都可装管。

2.3 导向钻孔

设备安装好导向钻，在入钻方向井位中开中心位小洞或安装定位轮，以保证管道的流水标高。地面放若干绝对标高点，导向时在井内复合标高并计算出误差值，修正数据后继续施工至下一井位（见图2，3）。

图2 利用定向钻先导施工中

图3 斜掌导向钻进原理

2.4 复测预判

复测到位导向杆的标高，根据土层承载力判断是否需预扩孔及安装止泥环。土质抗压强度较大时，适当扩孔，减少顶进压力；当进出洞位置位于透水层时（如砂层），必须在井外注浆或施打止水桩，同时在井体进出洞方向增加密封板（见图4）。

图4 密封板应用

2.5 回扩掘进顶拉

在末端井安装掘进机头，回扩掘进，接着在机头后安装管节，利用钻杆穿过管道中心，在管道尾端拉顶管道。掘进机头负责掘进扭矩和迎面阻力，设备余力通过机头后分动装置和传力杆传到管尾，实现顶进目的。前一节管节顶拉完成后，将下一管节从地面吊至井底，与前一管节承插连接，再通过掘进头继续进行顶拉，依次完成本步骤，直至掘进头到达前段井，管道成型。掘进顶拉时，需根据土层情况选择相对应的化学泥浆，钻进并回拖顶拉管道施工时应配备真空泥浆车，泥浆直接进管，平衡地下压力，减轻顶进阻力（见图5，6）。

图5 复式顶管安装示意

图6 回顶安装施工

该工艺采用自密封承插接口短管，将传统的管道回拖改为拉顶工艺，在末端井下安装管节，利用钻杆穿过管道中心，在管道尾端拉顶管道。掘进头与管并不锁死而达到泥水平衡中继间的功能。掘进头负责掘进扭矩和迎面阻力，设备余力通过机头后分动装置和传力杆传到管尾，实现顶进目的，管材只承受顶进过程中产生的摩擦阻力。

3 拉顶管施工在管网工程中的应用优势分析

随着“雨污分流”环保理念日渐推广，全国各地都在开展管网工程。从客观角度分析，在非开挖法管道埋设技术中，拉顶管逐渐替代定向钻牵引管施工，成为800mm以下口径管道的主流施工工艺。与牵引管施工工艺相比，拉顶管具有较大优势。

3.1 节省空间资源，有效保护地层

拉顶管施工占用施工场地小，地面机位可灵活摆放，造斜只借道不扩孔。与传统的拖拉管工艺不同，其采用顶进工艺，无须扩孔，不会形成孔道内壁与管道间的空隙，大大降低路面的塌陷概率[2]，对地层破坏可忽略不计。

3.2 提高施工精度与施工效率

采用拉顶管工艺，单段施工距离短，两井人为第二次约束，先导杆受旋转拉伸自动纠偏，有效控制管道标高；且拉顶管工艺采取保值顶进，平直度高，当管道投入使用后，内部也极少出现淤积。

3.3 施工质量好，确保管道施工寿命

回扩掘进拉顶施工为平行推进，无拉伸变形，压力自平衡。管材自锁后加锁紧杆成为相对整体，在相对张拉预应力（作用在传力杆）情况下形成超长扶正器，除作用在管壁的侧摩阻力外，整个工艺无径向变形外力，确保成品管道的设计使用寿命。

4 拉顶管施工路段的检测结果

在本工程浅覆土富水软弱地层段的拉顶管施工路段中抽取29个点进行CCTV检测，检测拉顶管的施工质量。其中建设二路10个点，和平路8个点，厂排街6个点，友谊路3个点，跃龙中路2个点。

根据GB 50268—2008《给水排水管道工程施工及验收规范》中定向钻施工管道规定：管段的线性应平顺、无突变、变形现象，实际曲率半径符合设计要求；管道内底高程中的无压管道高程允许偏差是+20mm，-30mm[3]。针对牵引管施工易造成水土流失及引起地面塌陷的问题，亦列入检查项。如表1所示，从检测结果可看出，拉顶管工艺在浅覆土富水软弱地层段管网施工中的成品质量较好，该工艺可用于同类型条件下的管网施工。

表1 现场各拉顶管施工区域标高合格率

5 结语

随着近年来城市经济的迅猛发展与环保意识的日益提高，城市雨污水管网的完善势在必行。大量市政管网工程即将开展，或将遇到地层地下水丰富、管道覆土浅的施工条件。拉顶管工艺具有定向钻地质适应广、对管道覆土要求低、次生灾害小、顶管标高控制准等优势，可有效解决传统施工工艺在此类条件下施工困难的问题。