顶管工程中拔管施工技术的应用研究

顶管工程中拔管施工技术的应用研究

曹高强, 郑印 ,张国应, 卢江波, 李小龙

中国建筑第八工程局有限公司西南分公司   成都  610000

【摘要】：随着我国经济持续稳定地增长，城市化进程的进一步加快，我国地下管线的需求量也在逐年增加，加之人们对环境保护意识的增强，顶管施工技术将在我国地下管线的施工中起到越来越重要的地位和作用。本文以郑州市金水河分洪工程顶管施工为例，由于地质原因导致顶管机机头下偏过大，难以纠偏；通过对拔管施工技术的应用研究，顺利解决了顶管无法顶进，退管的高难度问题，使后续顶管施工得以正常进行，供类似工程参考借鉴。

【关键词】：顶管工程；拔管施工

正文

一、研究背景

1.工程概况

郑州市金水河分洪管线工程全长5.44km，管道过流能力为75m3/s，共设置8个工作井、7个接收井，划分为15个顶管段。本工程规模为大（2）型，采用2条DN4000预应力钢筒混凝土管（JPCCP），管道间净距6m。

2.工程地质

勘察深度范围内，工程区揭露地层主要为上更新统(alplQ3)冲洪积成因的黄土状轻粉质壤土：黄色～褐黄色，稍密，稍湿，见铁锰质斑点，含少量钙质结核，可见针状竖向孔隙和竖向节理，具黄土状土特征，土质不均一，局部相变为砂壤土或黄土状中粉质壤土。

3.现场基本情况

11号井（G6工作井）至12号井（J6接收井）段顶管右线全长357m，覆土厚度约24.6m，该段顶管右线顶进约43m时，随着顶管顶进，顶管机机头出现“磕头”现象，比设计轴线下偏80cm，纠偏难度大；根据现场情况分析，顶管机机头 “磕头”主要原因有以下两点：

①排出泥浆中含有大量姜石导致排泥浆管路经常堵塞，顶进停滞时间较多，机头在重力作用下下沉；

②地质情况与设计描述情况差异较大，土质松软，承载力不够，导致机头在重力作用下下沉。

经过现场分析讨论，纠偏难以实现，决定采用拔管施工技术将机头及已完成顶进的管节拔出，对地基加固处理后重新顶进。

二、拔管施工原理

通过千斤顶反向安装，反向顶进，将已经偏离顶进轴线的管道拨出土体，拔管同时,利用灌浆设备将低强度填料灌入拔管形成的间隙。当顶管机拔至预留洞口时采用比填充填料强度高、凝结快的填料在洞口形成止水封堵；待二次顶进时破除。

三、拔管施工工艺流程

设备加工→设备安装→地面钻孔→钢绞线张拉→灌注填充料→第1节管拔出、调离工作面→钢绞线切割→地面钻孔→钢绞线张拉→...拔管施工完成。

四、拔管施工

1.设备布置

在井内设置反力千斤顶及油缸支架、可移动横梁及支架；在顶管机后方焊接固定横梁。在移动横梁和固定横梁上安装钢绞线，钢绞线两端采用锚夹具连接。

图1 设备布置平面图

（1）移动横梁

移动横梁采用钢板拼接箱型梁结构，尺寸：宽900mm、高800mm、长6800mm；钢板及加筋板采用Q355B材质，板厚30mm。

图2移动横梁结构图

（2）固定横梁

固定横梁采用钢板拼接箱型梁结构，尺寸：宽700mm、高360mm、长4700mm；钢板及加筋板采用Q355B材质，板厚30mm。

图3固定横梁结构图

（3）钢绞线及锚具

采用公称直径15.2mm的捻丝钢绞线（7丝），截面积140mm²；抗拉强度为1860MPa，单根最大承受拉力F=1860MPa*0.75*140 mm²=195.3KN；根据最大反力8000KN计算，共需钢绞线数量n=9600KN/195.3KN≈50根（已考虑1.2倍富裕系数），钢绞线布置2束，每束25根。

采用YM15-25自锚式锚具。

2.设备安装

（1）固定横梁和移动横梁安装位置对应，以预留的锚孔为参照，对应的锚孔连线必须与管道轴线平行，不能出现夹角。

（2）洞口左右两侧垫铁必须安装在同一个平面上，保证千斤顶、钢绞线受力一致。

（3）千斤顶支架安装时底部通过植筋或者与周边其他固定物体连接牢固，确保在千斤顶顶进时不会产生位移，同时安装时注意高程控制。

（4）移动横梁托架安装时应充分考虑移动横梁的高程位置，确保在移动横梁托架上安装移动横梁时高程位置准确；移动横梁托架避开管道向外位移的空间，不能与管道移动冲突，横梁托架与横梁接触位置平面应设置平顺，方便移动横梁横向滑动。

（5）钢绞线下料后按各根理顺,运送至管节内，每根两端做相同编号并标识，避免串孔扭曲。编束工作在管内进行，每间隔2米设置隔离支架。管节内设置钢绞线托架，钢绞线放置在钢绞线托架上，钢绞线托架采用钢管脚手架搭设，钢管脚手架搭设成“井”字架，设置斜撑，横梁高程与钢绞线底部相适应，能有效托住钢绞线不下沉；每6m设置一道托架。

（6）锚夹具安装必须由专业从事预应力操作的工人进行，锚夹具与横梁之间安装8cm后的垫板（垫板开孔），锚板中心与垫板中心、横梁预留孔洞中心务必在同一条直线上，严禁偏心。

3.管节拔出

拔管时，4台千斤顶确保同步运行，首节拔管时，每台千斤顶顶力控制在2000KN，缓慢拔出，拔出速度控制在1cm/min；同时观察对应部位正上方地面情况，有无下陷、裂缝等；拔出过程中注浆必须同步进行，待拔出50cm后，立即停止，检查地面注浆情况。待注浆完成后（满足充盈系数、理论注浆量要求）再缓慢拔出，注意控制千斤顶顶力，随着油缸行程增大，顶力逐步变小。

随着千斤顶顶进，整节管节拖出洞外后，油缸回缩，拆除移动横梁处锚夹具，将管节用承插口分离器分离，采用专用吊具将管节调离工作井，同时采用砂轮切割机将多余钢绞线切除，进行下节管拔出。    

4.灌注填充料

拔管之前，对机头位置及管轴线进行地面放样，从机头至工作井方向沿轴线进行注浆孔施工，孔距0.5m，孔径φ110mm，跟管钻进，孔底高程控制在顶管上方10cm。

准备好填充料，填充料采用水泥：水：土=1:2.5:8的比例拌合，现场验证7天抗压强度为3MPa左右。

在拔出过程中可先从地面孔、顶管机原有注浆管采用注浆泵进行灌注，拔出50cm后，停止向外拔出，检查注浆情况，进行补充注浆；每次注浆量大约10m³（已考虑1.1倍充盈系数）。

5.洞门封堵

机头拔出至洞门位置时，先将机头拔至沉井井壁中间位置，再从地面灌注低标号水泥砂浆，添加速凝剂，待混凝土凝固后将机头全部拔出。

五、施工监测

在拔管施工过程中不可避免地会导致沿线的地层扰动和土层应力损失，使其影响范围内的地表及其下部土体产生沉降变形，所以必须严格控制地表变形，通过监测数据及时调整施工参数。同时根据施工参数，对原有设计和施工方案的合理性进行评价，为优化和合理组织施工提供可靠信息，并指导后续施工。

（1）监测内容

①管道正上方轴线左右各7.5m范围内地面沉降；

②沉井井壁顶部沉降、位移；

③管道轴线。

（2）监测点（孔）位布置

①拔管过程中的地表沉监测点，沿顶进轴线左右两侧每2.5m一个监测点，每5m一个监测断面，每个监测断面7个监测点；

②沉降井壁顶部沉降、位移点布置在管道轴线对应的井壁顶部；

③管道轴线采用机头原有的激光靶向把，采用激光经纬仪，摄像装置实时监控。

（3）监测评率

①管道正上方轴线左右各7.5m范围内地面沉降观测频率为：机头所在位置前后5m范围内管道每拔出50cm观测一次，已拔出范围内地表沉降每天观测一次；

②井壁顶部沉降、位移每天观测一次；

③管道轴线随着管道拔出实时观测。

（4）监测控制值

①管道正上方轴线左右各7.5m范围内地面沉降隆起控制值：变化速率为3mm/d；累计值不超过+10/-25mm；

②沉降井壁顶部沉降、位移每天观测一次。

③管道轴线允许偏差5cm。

（5）预警、报警

①监测预警：“双控”（累计变化量、变化速率）指标均超过监控量测控制值的70％时，或双控指标之一超过监控量测控制值的85％时监测预警，控制拔出速度，检查注浆填充量，空腔是否填充密实，钢绞线轴线与管道轴线是否平行。

②监测报警：“双控”指标均超过监控量测控制值的85％时，或双控指标之一超过监控量测控制值的100%时监测报警，立即停止拔出，分析原因处理后在进行施工。

参考文献：

1. 长距离顶管工程反顶清障引导施工技术研究；颜志宏;钟卫; 建筑技术开发；
2. 拔管施工技术在顶管工程中应用；吴远忠；建筑施工；

曹高强（1992-），男，甘肃庆阳人，民族：汉。职称：工程师。学历：本科。专业：工程力学。详细快递地址：河南省郑州市二七区长江路同德悦庭营销中心（中建八局项目部）。联系电话18919023251。单位：中建八局西南建设工程有限公司水利水电水务环保分公司，四川省成都市。