二次顶管结合装配式井筒快速施工及应用

1 工程概况

广州市增城区荔城街广汕公路污水管道工程新建DN300~DN800污水管，总长1.35?km，配套实施检查井、截污井、顶管工作井、顶管接收井、路面破除及修复等工程。其中工作井12座、接收井14座。随着排污量与日俱增，环境污染越来越严重，需对其进行分流，收集周边地块污水，增加污水收集率。

荔乡路路段管道沿道路东边外侧车道布置。经3个十字路口，及电视台、医院门口，交通繁忙。其中WC2接收井位于医院门口，WC4位于与民生路相交丁字路口，若按3.5?m+最小安全距离0.5?m，需围蔽空间4?m以上，严重阻碍医院出入及民生路进入荔乡路的车辆交通。

本工程地质勘探资料显示，荔乡路段顶管埋深4~6m，均为粉质粘土，地下水埋深约3.8?m，在管道埋深以上。顶管穿越土层为粉质粘土，性状可塑，遇水易软化。属软弱土质，此类土质条件采用挤压式顶管可充分发挥二次顶管的特点（表1）。

表1荔乡路段地质特征

2 施工技术难点及对策

2.1主要技术难点

 WC2和WC4接收井顶管施工如下。

（1）WC2接收井井内净空 φ 3.5，再加井边两侧各0.5?m安全距离兼做施工通道，围蔽面积达20.25?m2。会堵塞医院物资车辆通道，故须将占道面积压缩在9?m2以内。

（2）按逆作法施工，井埋深5.5?m，井壁混凝土采用6模施工（1?m 1模），混凝土强度达到70%方可拆模，1模至少需用时4?d（采用早强水泥），洞口开孔、顶管机出洞、井中井制作、回填，全部完工至少1个月。

（3）WC2井临近电视台、医院大楼，须减小泥水平衡式顶管对临近建筑物的影响，减小甚至消除注浆对地下原土性状的扰动。

（4）WC4井按逆作法施工，会导致民生路南侧所有单位、商铺车辆1个月无法正常出入。

为解决上述施工难题，须在满足 GB/T 50268—2008《给排水管道工程施工及验收规范》、GB 50141—2008《给水排水构筑物工程施工及验收规范》的质量技术要求的同时，将接收井占道面积压缩在9?m2以内，占道时间压缩在1周以内，快速施工控制成本，形成有效的施工方法。

2.2 施工对策

二次顶管技术与预制装配式钢筋混凝土井筒的性能特点如下。

2.2.1 二次顶管

（1）适用于软弱土质地区，采用挤压土方式，不需泥浆，施工便利，成本低 。

（2）在顶力满足计算要求条件下，无需注浆减阻，不改变地下原土性状，可减小对地下环境的污染，减小对相邻建筑物基础的扰动，成本低，有利于安 全性。

（3）为满足顶管机出井，接收井直径须大于顶管机长度。二次顶管由小先导管顶进引导，大导管二次接力顶进，大小导向头均较短，因此接收井筒直径取决于导管节段长度，本工程选择预制长1.5?m的导管标准节。

（4）与泥水平衡式、土压平衡式顶管相比，二次顶管施工灵活，易于安装，工作井尺寸也有减小，成本低。

2.2.2 预制装配式钢筋混凝土井筒

（1）可取代传统的现场砌筑或现场浇筑方式，在工厂生产，工期短。

（2）可根据地理环境、工程条件、设计要求订制井的尺寸、外形和高度。

（3）工厂生产采用悬辊振动或芯模振动工艺，混凝土强度高、质量好。

通过比对，本工程二次顶管导管标准节长1.5?m，预制装配式钢筋混凝土井筒直径及高度可优化组合选择使用：内径1.6?m、2.0?m，井筒高1.5?m、2?m，施工时可以灵活快捷组合。配筋为HPB300（ f _y =270?N/mm2），HRB300（ f _y =360?N/mm2）； C35混凝土抗渗等级P6，钢筋保护层厚度为20?mm，可满足二次顶管管头和管节出井尺寸要求。 以装配式井筒直接接收设备出井，取消原逆作法直径3.5?m的接收井。 顶管至目标位置进行井筒安装、底板施工和开孔，可大幅缩短占道时间和占道面积。  

3 主要施工工艺

3.1 工作井施工

工作井采用土方开挖及井壁施工逆做法，按设计深度开挖，内侧净空为 φ 3.5?m； 拱墙壁厚350~500?mm，拱墙混凝土等级为C30，钢筋采用16钢筋，水平箍筋及上下两层拱墙钢筋搭接长度不小于45 d 。 每节护壁高度不大于1?m， 竖向钢筋下料加长500?mm，以便与下一层搭接，验收合格后支模浇筑混凝土。

井壁模板采用定型钢模板，按井径分块拼装，用U形扣件连接固定，沿模板底打短钢筋进行加固，拼装时预留接缝夹 φ 48钢管，以便拆模，必要时采用 φ 48钢管加固对顶支撑。井壁C30混凝土，加早强剂，混凝土用吊桶下送，用圆形防护板作布料台，对称浇筑以防模板侧移，混凝土采用人工捣实，分层厚100~200?mm。待混凝土强度达到70%后方可拆除 模板。

3.2 顶管设备安装准备工作

（1）顶管顶进施工前，安装用电，用水，通道，排水及照明。

（2）施工材料、设备及机具必须备齐，管节有足够的余量（50~80?m）。

（3）工作井设后靠背，安装导轨、主顶油缸、油泵动力站、钢制扶梯。顶管基座为钢结构预制构件，按管道设计轴线准确放样，按测量放样的基线吊入井下就位安装。基座上的导轨按顶管轴线及洞门中心居中放置。

3.3 顶力计算

工具管正面泥水压力：

式中： F ₁ 为顶管泥水阻力（kN）； D 为顶管外径（m）； P 为顶管泥水最大压力（kN/m2）， P 与土层密实度、土层含水量及地下水位状况有关。

管壁摩擦阻力：

式中： S 为顶管外周长（m）； L 为顶管长度（m）； f 为平均摩擦力系数（kN/m2）， f 与管道的埋设深度、土质、地下水位等因素有关。

顶管总阻力为以上阻力之和，即 F = F ₁ + F ₂ =2?318.73?kN。 顶管管材能承受的最大顶力为3?000.00?kN，计算所得顶管总阻力小于最大承受顶力，故满足要求，无需注浆减摩。

3.4 二次顶管施工

二次顶管作业结构由一次机头、一次管节（出泥管）、二次机头后续混凝土管组成（图1）。一次管节顶进，再通过二次机头对一次管节的通道进行扩 充，使通道线径扩大，然后顶进若干节混凝土管完成地下管道敷设。

图1??二次顶管作业结构

一次机头呈锥形，侧表面从头部至尾部平滑过渡；头部直径150?mm，尾部直径350?mm，长1?000?mm。一次机头尾端承插连接（接驳）一次管节，其直径与一次机头的尾部相同，一次管节的长度为1?500?mm。

二次机头的头部直径小于上述二次机头的尾部直径，其侧表面从头至尾平滑过渡；二次机头的头部直径350?mm，尾部直径为785?mm；混凝土管的外径为780?mm。

二次顶管由一次管头顶进引导，一次管头前端外径150?mm入土，一次管头尾端外径350?mm。导向出泥管二次接力顶进，本工程采用预制1.5?m长导管标节，主要设备参数见表2。

表2二次顶管主要设备参数

顶进流程为：测量→导轨机械安装→一次顶管机头顶进→导向出泥管顶进→导向出泥管达到接收井→更换安装二次顶管机头→二次机头后安装混凝土管顶进→二次顶管机头到达接收井→凝土管顶进到位。

二次顶管采用由小到大阻力面分级顶进。以降低全管径机头顶进的阻力，也可根据地质条件分多级截面，接续顶进。

3.4.1一次导向顶管

一次顶管机头呈锥形，前端直径为150?mm、尾端扩径为350?mm，长1?000?mm。顶进后尾端承插连接导向（出泥）管，优化管节长度为1?500?mm，大小口承插连接（图2）。

 图2??导向管头及顶管标节  

在设备安装安装就位、井间放线、管底标高复核、经纬仪测量定向后开始千斤顶作业，接续顶进（图3）。

 图3??导向管顶进作业

每次安装顶管标节后根据经纬仪观测箭头指示灯位置变化，及时调整顶力，以确保轴向精度；遇顶力发生变化时，需及时进行测量，进行纠偏，连续作业至导向管到达接收井出井（图4）。

图4??导向管节出井

3.4.2二次顶管

（1）二次顶管机头锥形，机头管尾扩径至 785，适用DN600钢筋混凝土管（混凝土管外径：600?mm+90?mm+90?mm=780?mm）。机头外径785?mm，大于管外径5?mm，符合正工差要求，利于后继混凝土管顶进。优化管节长度，管节长度1?500?mm，管头部位插接形式（图5）。 

图5??二次顶管机头

（2）导向管及出泥管到达接收井后安装转换接头即二次顶管机头，进行二次顶管。二次机头长1?100?mm（1?000~1?500?mm可选），机头后紧跟专用600Ⅲ级混凝土管，每节管长2?000?mm，壁厚90?mm。在工作井连续顶进混凝土管，在接收井随之拆卸出泥管回收。顶进作业中使用经纬仪进行观测调整。顶管机油缸后退至初始位置，安装下一节混凝土管，继续顶进。遇顶力发生变化需及时进行测量及顶力纠偏。循环作业至二次管头及混凝土管到达接收井。二次管头出井后，混凝土管顶进到位。

（3）接收井采用装配式井筒，在一次顶管到达前安装封底，等待回收顶管设备。应合理安排施工进度，以一次顶管到达时间为节点倒排接收井施工计划，以缩短接收井施工工期，减少对交通和环境的 干扰。

（4）混凝土管顶进到位后，清理接收井底部泥 砂，进行后续井中井的施工。由于二次顶管工作原理为挤压式出土，其出土主要是二次机头顶进中出泥管带出的少量泥砂，在软土质地下水位区域一般为稀泥需随施工进度及时清理。

3.5??装配式井筒（接收井）施工

装配式井筒可采用预制开孔或现场制作开孔，以2?000预制装配式钢筋混凝土井筒取代原逆作法3?500?m接收井。该井筒可满足二次顶管各管节（1?500?mm）、机头出井尺寸（1?100?mm）。以其做接收井简化接收井施工过程。井筒采用C35混凝土，抗渗等级P6，HPB300、HRB300钢筋，钢筋保护层厚20?mm。可根据地理环境、工程条件、设计要求来优化井筒的尺寸、形状和高度进行预制。安装快速可靠，井壁强度高且质量好，可大幅缩短工期，降低成本，减小占地面积，施工过程绿色环保。

装配式钢筋混凝土井筒施工流程为：施工准备→基坑开挖→底板施工→井室吊装拼接→开孔→顶管设备回收→泥砂清理→流槽施工→盖板吊装→调节块安装→井盖安装→回填→验收。

接收口可以预制，也可以在现场开凿孔，为保证装配式井筒的结构强度，接收口直径一般不大于装配式井筒高度的30%（图6）。

图6??装配式井筒开孔示意

在确定装配式井筒所能通过二次顶管标节的最大标节长度（图7），优化时计算方法如下。

图7??管节出井吊点示意

顶管的最大标节长度为 L ₀ ，装配式井筒外径为 R ，装配式井筒内径为 r ，装配式井筒壁厚为 R – r ，标节的最大外径尺寸为 d ，接收口的直径为 D （以理论最大值进行取值）。 起吊摆动中心点与地质层土的密度、含水量相关。

以A1点为理论摆动中心的估值公式为：

以A2点为理论摆动中心的估值公式为：

3.6施工监测

工作井及接收井应在顶管过程中实施监测，检测做法如下。

（1）按GB 50026—2007《工程测量规范》进行监测。

（2）监测项目：结构水平位移观测点4个，设置于井壁上沿均匀分布；竖向变形（土体沉降）点4个，设于离基坑边3?m处；墙体测斜管监测孔4个，于井壁上沿均匀分布，与水平位移观测点错开布置；水位观测井2个，于离基坑边3?m处。

（3）结构水平位移、土体沉降、墙体测斜的报警值为40?mm，水位变化超过1?m报警。

若发生监测报警，按施工应急方案处置。施工中，水位随雨季变化，观测值接近预警值外，其他监测值未见异常。