超大口径钢筋混凝土顶管型钢砖墙封门进洞施工技术研究

◎张杰 蒋礼兵 张超 侯雨 陈超 王剑锋

1.中铁市政环境建设有限公司；2.镇江市给排水管理处；3.中铁上海工程局集团有限公司；4.上海公路桥梁（集团）有限公司

1.引言

镇江沿金山湖大口径顶管工程位于镇江市金山湖近岸以及现状征润州污水处理厂区域，实施该项目可有效改善金山湖水质、提升城区排水防涝标准以及满足镇江海绵城市达标建设需求。工程主干管采用DN4000mm钢筋混凝土管，全长6434m。起点位于Y-1江南泵站竖井，在金山湖水下，沿长江路自西向东近岸敷设，然后向北穿金山湖到征润州污水处理厂的末端泵站，最后过京江路至长江边滩涂，终点为Y-8末端排放井。由于顶管工艺经济性较好，项目采用机械顶管、人工顶管、微型顶管等多种作业方式[1-3]。该施工重难点主要有三点：①本段顶管穿越民房、人行道路、护岸湖堤，同时穿越湖底段790 m，沿线障碍物多，水下顶管风险大；②顶进距离长，测量和姿态控制困难；③超大直径顶管施工难度大，轴线、顶力、顶进姿态等控制困难。

顶管技术在水利工程中得到广泛应用的主要原因是它将传统施工面由地上转入地下，在不影响地面活动的前提下，实现了施工周期短且没有高工作成本的目的。同时地下工作意味着，施工过程对交通秩序的干扰大大减少，穿越铁路建筑物的时候不需要进行拆迁，不影响正常的通航秩序。在施工运作的过程中产生的噪声小，不影响环境，不需要像深埋管处理程序一样，先要进行地基处理，可以在承载力较小的土层中进行操作。在顶管施工过程中，为了能够更好的展示出工程施工质量，需要按照工程施工技术处理中的要求，进行专项顶管施工布置，只有处理好顶管施工布置，这样才能为工程施工管理提供帮助。而采用人工顶管时，需重点关注作业安全及施工安全[4]。当地下水较为丰富，且存在流砂及流土等不良地质条件时，若采用常规的人工掏挖方法，作业人员便直接面对开挖土层[5-6]；另外，很多管道采用钢管，管节的连接采用焊接方式，在焊接时，管道顶进暂停，管节间的循环间隔较长，存在较大安全风险[7-8]；在某些特殊情况，如夜间台班未安排掘进，则掌子面暴露的时间更长，安全风险进一步加大。因此，针对上述风险，需采取有效措施确保工作面的安全。为确保管网的安全、经济、顺利施工，克服流砂、流土等不良地质条件带来的安全风险、进度风险，需要一种顶管施工临时封门结构。

图1 工程平面布置图

图2 超大口径钢筋混凝土顶管型钢砖墙封门结构纵剖图

图3 超大口径钢筋混凝土顶管型钢砖墙封门结构A.A剖视图

图4 超大口径钢筋混凝土顶管型钢砖墙封门结构a区域细部图

2.技术原理

超大口径钢筋混凝土顶管型钢砖墙封门结构其中包括顶管机内壁，边缘与顶管机内壁密封连接的钢封门，钢封门中部设有工作孔并通过密封门密封，钢封门和密封门之间布置有密封垫圈，且两者通过螺栓结构固定连接。该技术结构简单，造价低，能确保管网的安全、经济、顺利施工，可有效克服流砂、流土等不良地质条件带来的安全风险、进度风险，具有经济、简单、安全等特点。

3.工艺流程与操作要点

3.1 工艺流程

超大口径钢筋混凝土顶管的施工工艺流程如图5所示。

图5 超大口径钢筋混凝土顶管型钢砖墙封门进洞施工工艺流程图

3.2 操作要点

1）人工顶管。在人工顶管作业时，针对地下水较为丰富，且存在流砂及流土等不良地质条件，在顶管机机头可采用本封门结构。预先采用钢板加工好与顶管机内壁尺寸大小匹配的钢封门，钢封门上开设工作孔用作掘进出渣，工作孔为圆形，大小以满足一名工人出土作业为宜；距离刃脚(顶管机机头端部)一定距离，将钢封门与顶管机内壁密封焊实，此时在刃脚与钢封门之间便形成一土仓；在顶管顶进过程中，开挖面土体便进入土仓；由于土体流塑性较大，土体被挤压至工作孔，便可开展后续出渣作业。为防止过大的土压力（水压力）造成钢封门从焊缝处脱落，在钢封门与顶管机内壁交界处对称布置若干掖角，掖角为等腰直角三角形钢板，采用焊接的形式将掖角两直角边分别与钢封门、顶管机内壁贴紧，起到对钢封门的加固作用。

图6 顶管顶进施工图

2）钢管管节间焊接。当钢管管节间焊接时，管道顶进暂停，或在某些特殊情况，如夜间台班未安排掘进，则工作孔处的土层将长时间暴露，为避免渗水及流土、流砂等涌入管道内，降低施工安全风险，减少掘进恢复时管道内的渣土清理，加快施工进度，可以在管道顶进暂停时，将直径大于工作孔直径的圆形密封门安装在工作孔孔口处。具体安装方式为先将橡胶材质的密封垫圈装入钢封门上垂直对称布置的螺栓内，为确保安装对齐，可预先在密封垫圈上作出标记，并打出与螺栓孔大小基本一致的孔眼，密封垫圈的内直径应等于工作孔直径；其次在工作孔孔口处安装密封门，密封门上开设有与螺栓对应的螺栓孔，并焊接有钢筋材质的弧形把手。握住弧形把手将密封门提起，使得螺栓孔与螺栓对齐，并将密封门与密封垫圈贴紧，最后将螺母装上并紧固。为减少螺栓与螺栓孔的对齐时间，确保密封门能够快速安装到位，螺栓孔的直径应略大于螺栓的直径。为增强密封垫圈的密封效果，同时便于观察渗水点，密封垫圈的外直径应略大于密封门直径。

3）掘进恢复。当掘进恢复时，将螺母、密封门、密封垫圈依次取下，便可重新启动掘进作业。

4.关键技术改进与优化研究

（1）封门结构采用钢板加工好与顶管机内壁尺寸大小匹配的钢封门，并开设工作孔用作掘进出渣，便于在顶管顶进过程中开展后续出渣作业。同时采用焊接的形式将掖角两直角边分别与钢封门、顶管机内壁贴紧，起到对钢封门的加固作用，即便在管道顶进，管节间的循环间隔较长时，能够在安全方面提供保障；

（2）当钢管管节间焊接时，管道顶进暂停，或在某些特殊情况，如夜间台班未安排掘进时，工作孔处的土层将长时间暴露，该封门结构可通过将直径大于工作孔直径的圆形密封门安装在工作孔孔口处，可避免渗水及流土、流砂等涌入管道内，降低施工安全风险，减少掘进恢复时管道内的渣土清理，加快施工进度。

5.结论

本文研发了一种超大口径钢筋混凝土顶管型钢砖墙封门进洞施工技术，该结构包括顶管机内壁，边缘与顶管机内壁密封连接的钢封门，钢封门中部设有工作孔并通过密封门密封，钢封门和密封门之间布置有密封垫圈，且两者通过螺栓结构固定连接。该技术结构简单，造价低，能确保管网的安全、经济、顺利施工，可有效克服流砂、流土等不良地质条件带来的安全风险、进度风险，具有经济、简单、安全等特点。