顶管技术在铁岭县凡河新区污水管道施工中的应用

马世波

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110006)

顶管技术是在盾构技术之后，逐步发展的一种地下管道施工技术。这个施工技术是把掘进机或工具管吊入工作坑，通过主千斤顶，把掘进机或工具管顶入土层，然后通过人工挖土，或者机械掘进，连续把掘进机或工具管穿越土层，同时把紧随其后的需要敷设的管道依次连接，在土层中埋设，一直敷设到对面接收井的地下管道埋设方法。顶管技术在市政给排水管道施工中得到广泛的应用，原因在于在敷设管道施工不需要开槽，这可以减少土方开挖数量，施工成本降低，在穿越公路、河流、铁路等障碍物时不破坏地面交通，敷设管道的直径也在不断加大，能够满足给水排水管道敷设的需求[1-4]。

1 工程概况

铁岭县凡河新区污水管网维修改造工程，顶管内污水管道施工越过天水河为DN1600钢筋混凝土三级柔性接头钢承口管(DRCP Ⅲ 1600×2000 GB/T 11836)顶管结构，施工长度是100 m。建设已完成，现在需要进行DN1000HDPE污水管连接。所提出的解决方案是在HDPE管道下部的宽度为500 mm的小型车，间距为2 m，总共50套。需要现场焊接组装小车，车轮直径是60 mm，车轮连接到具有40 mm×40 mm的方形钢管，方形钢管长度为500 mm。每辆小车的方钢两侧均需要焊接上长度为400 mm的Φ12钢筋，并且每辆车都是焊接四根。在穿管之前，必须在砂浆强度达到标准后铺设混凝土管内部的砂浆。在混凝土管道内侧，铺设一层砂浆进行找平，等砂浆强度达标后，再进行穿管作业。砂浆强度达标之后，要先进行轨道铺设，轨道采用宽度为40 mm的角钢，铺设两道间距为500 mm。把管道放置在小车上，从工作井送入混凝土管道内，采取从工作井向接收井推进方式。管道连接，在工作井内对管道进行熔接，在焊接完全冷却之后，然后将其推入接收井。

在安装管道并推进之后，在管道两端各连接一个300 mm长盲板，封堵接头。在接收井端盲板上方，设置排气孔，在工作井端盲板处，设置灌水阀、泄水阀，由工作井向管内注水。盲板封堵后，需用型钢对封堵进行加固。管内注水完成后，封堵收井洞门，由工作井引入注浆管，从接收井向工作井注浆，先注到管道高度的1/3处，等砂浆稳定成型之后，再对剩余2/3泥浆进行浇筑，目的是防止管道浮动。在所有泥浆完成浇筑后，通过工作井泄水阀，把水泄出。等泥浆全部注完稳定成型后，再把两段盲板封头拆除，工作井封闭洞门。等一体化泵站和设备安装完成后，再进行一体化泵站管道连接。

2 污水管道顶管法施工

污水管道顶管法施工程序为：测量放线； 混凝土管道内铺设砂浆找平；放置木垫块以及钢轨；焊接小车；管道连接；管道注水；接收井洞门封堵；泥浆包封；工作井洞门封堵。

2.1 轨道及小车制作安装

运输小车，共需要50台，布置的间距是2 m。运输小车需要现场焊接组装，运输小车的车轮直径是60 mm，横向用40 mm×40 mm的方形钢管，把车轮进行连接，方钢的长度是500 mm。每辆小车的方钢两侧，都需要焊接上长度为400 mm的Φ12钢筋，每一辆车，焊接四根，具体见图1。

图1 小车制作立面图(单位:mm)

运输轨道，双向布置，采用宽度为40 mm的角钢，轨道采用500 mm的间距，把管道放置在小车上，通过工作井送入混凝土管道内部。

轨道下方，方形垫木是用60 mm×60 mm的，垫木的长度为0.6 m，按2.0 m一根的间距布置均匀。

2.2 管道施工

天水河穿越顶管工程，管道是采用DRCP Ⅲ 1600×2000的钢筋混凝土，采用柔性钢承口承插连接方式。顶管施工完，在其内部敷设管道的规格为φ1000聚乙烯PE100，连接方式是通过热熔。在两管中间，填充泥浆，配合比是按照水泥+粉煤灰∶水∶砂子∶减水剂=1∶1.07∶4.96∶0.009的比例。顶管工程管道长度是100 m。

(1)材料设备验收、布管。在工程施工时，要充分做好各班组工种的技术工作。每个工种负责人，要熟悉施工图纸，了解施工现场的现状与实际情况。要做好干部职工的教育工作，牢固树立安全、质量意识等。在组织机具设备及挖机进场前，要做好检修和试用，必须在确保无故障、验收合格后才可以施工。

(2)φ1000聚乙烯PE100管道安装。顶管内部敷设管道，是采用直径为φ1000，PE100聚乙烯管道。在顶管施工后敷设在其内部，管道的长度是100 m。安管作业是沿管道中线进行。在安装管道时，要先检验管道的成品质量，内外表面没有裂纹和碰伤。测量人员直接跟班作业，具体负责控制管道的中线和高程。在下管的时候，设专人指挥用吊车吊装。管道的接口采用聚乙烯PE100热熔。由专人察看管道的吊入情况，用起重机吊起管，把管慢慢拉入，牵引时要用力均匀，慢慢进行。

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(3)管道推入。管道连接完成后，用小车从工作井送入混凝土管道，按照从工作井向接收井推进方式，具体见图2。

图2 管道推入平面示意图(单位：mm)

2.3 管道垫压

(1)管道封堵。等管道安装、推进完，在管道两端，各连接一个300 mm长盲板，封堵接头，见图3。在接收井端盲板的上方，设置排气孔，在工作井端盲板的地方，设置灌水阀、泄水阀，由工作井向管内注水。在盲板封堵后，加固需用GB-H400×400×13×21的型钢封堵，盲板堵头焊接采用10 mm厚钢板，见图4。

图3 盲板大样图(单位：mm)

图4 封堵支撑示意图(单位：m)

(2)管内注水。管内注水完，把接收井洞门封堵，通过工作井引入注浆管，注浆从接收井到工作井，先注到1/3管道高度，等砂浆稳定成型，再进行浇筑剩余2/3泥浆，避免管道漂浮。

(3)注水计算。当注水到管道1/3高度时，按照浮力计算，见式(1)：

F0=ρgV

(1)

F0≤M0g+M1g

(2)

式中：F0为管道浮力,kN；M0为管道重量，取5.4 t；g为重力加速度，取9.8 m/s2；M1为水总重量，t；ρ为砂浆密度，取2000 kg/m3；V为管道排除砂浆体积，取26.18 m3。

计算出M1≥46.96 t。根据计算，管道内注满水后，水重量M1=78.5 t，M1/M2=0.59，那么设计管内注入2/3水，M1=52.34 t≥46.96 t，满足要求，见图5； HDPE钢带增强塑料管道重量见表1。

图5 管道注水断面示意图

表1 HDPE钢带增强塑料管道重量

2.4 泥浆填充

顶套管内，填充密实要采用泥浆。泥浆填充物，要通过试验确定。其弹性模量小于5MPa，假设没有试验资料，配合比为:水∶砂子∶减水剂=1∶1.07∶4.96∶0.009，可采用设计建议，每立方泥浆材料用量:水泥29 kg，粉煤灰264 kg,水313 kg，砂子1454 kg，减水剂2.637 kg。

2.5 洞门封堵

洞口整体封堵用标准砖进行，从下到上依次垒砌的砌筑方式。垒砌完，用防水砂浆抹面缝隙，避免在使用过程中洞口漏水，见图6。

图6 管道洞口封堵示意图

管端部的防水措施，在填充泥浆后，拆除封闭模板，端部可砌筑240 mm砖墙，采用与基座同强度的水泥砂浆捣实空照部分，水泥砂浆的强度等级M20,并采用防水砂浆抹面厚度5 cm。

2.6 闭水试验

2.6.1 闭水试验应具备条件

管道及井室内无积水；管道除了预留进出水管外，要封堵坚固，不能渗水；管道和井室外观质量，已验收合格；所有的预留孔要封堵，不能渗水；管道的两端堵板承载力，经核算大于水压力的合力。

2.6.2 闭水试验方法

当计算出的试验段水头小于10 m时，并且已超过上游检查井井口，试验水头要以上游检查井井口高度为准。当试验段上游设计水头，超过管顶内壁的时候，试验水头要以试验段上游设计水头加2 m计算。试验段上游设计水头，不超过管顶的内壁，试验水头要以试验段上游管顶内壁加2 m 计算。先把被试验的管段，起点和终点检查井的管子两端，用钢制堵板堵好。在上游井管沟边设置一个试验水箱，把进水管接到堵板的下侧。管道要严密，从水箱向管内充水。管道充满水后先浸泡24 h，再进行试验。量好水位，观察管口接头的地方严密不漏。当观察半小时后，测量渗水量，要满足要求规范。闭水试验完成，要及时把水排出。

(1)准备工作。在灌水之前，先清理干净井室内，防止充水后井内浮渣漂浮在水面，影响测试精度。对于预留孔洞，预埋管口和进出口全要增加临时封堵，严格检查充水和排水的闸口，不能发生渗漏现象。在完成上面的工作后，计算出设计水头标高。试验水头的选取按照设计水头与管顶内壁和上游检查井井口标高相比的结果来决定。最后设置灌水水量观测标尺，仔细观察灌水时水量所达到的渗水量。

(2)灌水。水源选取现场施工取水点，通过试验管段上游水箱内灌水。在试验水头达到规定水头时开始计时，观测管道的渗水量，在观测结束时，如果发生渗漏严重,要保持试验段水头恒定,不断地向试验管段内补水，做标注，便于更好地查找渗漏的地方。渗水量的观测时间，不得小于半小时。

(3)水位观测。水位的观测方法：可用水位标尺测定灌水时的水位。灌水到设计水深后，到开始进行渗水量测定的间隔时间，要不少于24 h。灌水到设计水位，渗水量测定，要采用水位测针测定水位，水位测针的读数精度，要达到1/10 mm。测读水位的初读数，与没读数的时间间隔是1 d。

(4)渗水量的测定。实测渗水量按式(3)计算:

q=W/TL

(3)

式中：q为实测渗水量，L/(min·m)；W为补水量，L；T为实测渗水量观测时间，min；L为试验管段的长度，m。

在进行满水试验时，要进行外观检查，不得出现漏水现象。当试水合格后，就可以缓慢放水。闭水试验，要填写试验记录，填写格式要符合《给水排水管道工程施工及验收规范》(GB 50268—2008)附录D中附表D.0.2表的规定。检查井内，不要出现漏水，管道的最大渗水量q=0.0046D=4.6 m3/(24 h·km)，D代表管径,。当闭水试验合格之后，才能进行下一道工序。对于不合格的管道，要缓慢放水，当重新处理后，再做闭水试验检测,直到合格。

3 结 语

此项工程，施工线路比较长，管道敷设，所穿越的土质地下水位丰富、条件复杂，为工程的施工带来了很大的难度。针对管道敷设时，所处位置的施工现场环境和水文地质条件，应该合理选择不同的施工方案，施工参数进行优化调整。凡是出现异常现象的，要及时查找原因并提出解决的措施。上面关于顶管施工的工艺流程，对其施工中的技术要点，以及控制措施，进行了详细的分析，这为类似的工程施工提供了很好的示范，具有参考价值。在今后的项目施工过程中，对顶管技术的应用应该进一步完善。既要保证施工进度，合理控制施工成本，还要进一步完善施工技术，比如顶管的安全管控，顶管的偏移监测技术，顶管的纠正方法和材料设备选型等方面。