大口径顶管出洞技术措施

1998年12月份，郑州市市政工程总公司承接了郑州市污水处理厂厂外5100米D2600大口径顶管工程。我们采用DK式D2600土压平衡顶管掘进机进行顶管施工。
　　经一年多的顶管实践发现，顶管出洞工作对大口径顶管施工的成败非常关键。顶管出洞措施完善，掘进机能从工作井安全出洞，就能保证顶管顺利进行，如1#工作井——10#接收入井顶段，由于出洞时放线误差，造成顶管顶进时曲线顶进，顶力增大。又如：16#工作井——17#接收入井顶段，由于后座墙附加层不稳，造成主顶油抽屉损坏，重新做后座墙附加层，造成费时费工。因此，顶管出洞是顶管施工的关键工序，必须采取切实可靠的措施，以保出洞成功。
　　顶管出洞，是指在工作井安放就位的掘进机和第一节管从井中破封门进入土中的阶段。笔者认为，顶管出洞关键应做好以下几个方面的工作：管线放线、后座墙附加层制做、导轨铺设、洞口止水和穿墙等几个方面的工作。
　　一、管线放线：
　　顶管管线放线是保证顶管轴线正确的关键。放线准确就能保证顶管机按设计要求顺利进洞，满足施工质量要求；反之，就可能造成顶管轴线偏差，影响工程进度和工程质量，同时也会造成顶进时设备损坏，使顶管停顿。
　　顶管管线放线，就是将工作井出洞口和接收入井进洞口的坐标正确引入工作井内，指导顶管顶进的方向和距离。
　　从理论上讲，工作井和接收入井的坐标和标高在沉井下沉时都已明确，通过计算很容确定。然而由于沉井下沉时的误差，这样从理论上计算放出的线就不一定符合。目前，顶管管线放线常常是根据工作井和接收井的实际位置，按设计要求，通过测量实际放出管线位置。具体如下：
　　管线标高的测量使用水准仪测得工作井和接收入井洞底标高，按照设计坡度，计算每米标高，这里不在赘述。现仅就直线顶进时的水平角度和距离做一下介绍。
　　1、直线测量：
这是目前顶管管线常用的放线技术。就是根据顶管工作井出洞口的中线和接收井进洞口的中线，用经纬仪在工作井后后复瞄冷这两根中线直至重合。确定顶管管线，并将其引入工作井内。详见下图：
　　这种放线优点是视线比较直观，减少了放线过程中的计算量，方便操作；缺点是放线过程中需反复移动经纬仪，操作人员容易疲劳，放线容易产生误差。另外，在工作井和接收入井之间如有障碍物，视线不能通视，放线就很困难。
　　2、三角放线：
　　这种管线放线最适用于在工作井和接收入进之间有障碍物不能透视的情况。即在工作井和接收井之间任意位置O点放置经伟仪，根据OA、OB和角度∠AOB，求得C点的位置和AB段的距离，在C点将管线放置工作井内。详见下图和公式：
　　图中：
　　点A----接收井进洞口中点；
　　点B----工作井出洞口中点；
　　点C----AB延长线上一点（引桩），通常C点在工作井另一侧，距离（BC）为方便放线的假定值。
　　计算公式：
　　AB=（OA2+OB2-2× OA× OB× cos∠AOB）1/2
　　AC=AB+BC
　　∠OAB=arcsin(OB ×sin∠AOB∠AB)
　　OC==（OA2+AC2-2× OA× AC× cos∠OAB)1/2
　　∠AOC=arcsin(AC× sin∠OAB/OC)
　　为确保放线准确，O点必须放置在2个位置进行校核，同时每次视仍必须用经纬仪左右盘进行读数，消除误差。
　　3、当工作井和接收入井的管线轴线测量完毕后，大工作井上用铅丝将管线轴线拉出来，上吊两个线附将管线轴线引至坑底，用以确定管线顶进轴线。
　　二、后座墙附加层制法：
　　后座墙附加层制做是保证顶管正常顶进很关键的一项技术措施。对矩形工作井直解出洞口的顶管，直接将工作井壁当后座墙可不必再做附加层，只靠井壁位置旋转后靠背铁即可；而对矩形工作井中折线出洞口或圆形工作井的顶管，必须先浇注混凝土附加层并与进壁共同受力作为后座墙。后座墙附加层与顶进轴线成直角，待其混凝聚力土达到75%以上强度后方可进行顶管的顶进工作，否则就可能造成顶管过程 出现各种意想不到的事故，影响顶管顶进。这在16#工作井——17#接收入井顶段中就曾发生过，16#工作井为矩形工作井，顶进管线为带折角出洞，当时由于对后座墙附加层的重要性认识不足，采取措施不够妥当，致使在顶管过程中造成顶力过大，设备损坏，使顶管不得不中途停顿，重新浇注混凝土后座墙附加层及更换设备后，才继续顶进。
　　对于后座墙附加层的做法，根据我们的经验，建议采用以下方法：
2　人工顶管存在的优点
　　2．1施工成本低　
　　仅需要少量设备，依靠几个劳动力便可完成顶管施工。而机械顶管不但顶管机及相应配套设备贵，而且折旧费及损耗也大大高于人工顶管。
　　2．2工作井及接收井占用场地小
　　对机械顶管，由于顶进设备及配套设备多，占用场地大，并且工作井及接收井要求的尺寸大，对市政交通影响不言而喻，有时甚至会造成整条道路交通瘫痪。人工顶管不但防止了“拉链路”的产生，在一定程度上也能保证交通要求。
　　2．3容易发现地下管线，清楚地做出判断，防止出现不必要的损失
　　由于市政工程地下管线复杂，还可能出现高架桥桩基础及城市供水管等情况，机械顶管在顶进过程中无法分辨地下管线，而且容易将现有的管线破坏，有时损失还不小，尽管目前可在顶进前可做管线探测，但一般只能探出金属管，对混凝土管等非金属管则无法探测出来，而人工顶进可第一时间发现管线，并做相应的处理措施。
　　2．4施工过程简单，可多个工作面同时开展
　　由于机械顶管的机械及成本费用高，对于造价不是很高的项目，通常用多台机械顶管机不现实，而人工顶管则弥补这一不足，在任何有工作面的地方都可以开展顶进工作，整体顶进进度常常不亚于机械顶管。

　　3　人工顶管存在的问题及相应的应对措施
　　(1)一般只适用于短距离施工，由于长距离顶进出土的距离加大，效率降低，而且对千斤顶的顶力要求加大，增加了工作井后靠背的负担。
　　应对措施：可根据土质的实际情况做顶进长度计划，通常每段顶进以40m左右为宜，对土质好的
情况，以前我公司顶进的最长距离达89m。
　　(2)安全隐患大，对于腐质有机土，人工顶进时呼吸困难，对于流砂严重的土体，很难操作。
　　应对措施：先在开挖前做洞内及挖掘面的含氧探测，目前可通过氧气探测仪探测含氧量，一般不宜体积百分比不小于18％，如氧气不足，操作人员可通过井外鼓风机送风的方法以达到氧气含量满足要求，对于流砂，可先进行降水，并要在管内准备足够的砂包、稻草，用来防止流砂面扩大。或用改装后带网格的工具头配合施工，以防万一，确保施工人员的生命安全。
　　(3)施工精度不高。对于地质条件复杂情况，顶进过程较难控制，由于人工顶管测量纠偏方法不够先进，偏差较机械顶管大。
　　应对措施：通过“勤测勤纠“方法，将偏差控制在最小限度。
　　(4)管径受到限制。由于人工顶管需要人在洞内进行掘土，管径太小不但在挖土时很难操作，而且如发生意外时，人身安全得不到保证。
　　应对措施：要求进行人工顶管的管径不低于9800管。
　　(5)地面沉降控制。由于人工顶管属于敞开式的施工工艺，挖掘面不存在外力来平衡土压力，对覆土浓度浅、地下水位高或砂性土，均较难控制挖掘面的稳定，造成埸方，而引起地面沉降。
　　应对措施：可选择地下水位不高或自身稳定性较好的粘性土作为人工顶管。

　　4　经济分析
　　我们选广州市某截污工程做一实例，该工程共有91500顶管584m，下表中分别列出了以人工顶管及机械顶管进行施工时顶管的造价及所需的工作井和接收井数量及相应的报价。并作简单的经济分析。
　　从表1可以看出：人工顶管的工作井及接收井的数量均较机械顶管多，这是由于机械顶管的每段顶距较人工顶管长的缘故，但是考虑到普通顶管机不能进行曲线及折线顶管，顶距也受到一定程度上的限制，故井的数量也不是按比例递增。
　　人工顶管工作井及接收井的单价和总价均较机械顶管的低，而且工作井的总造价仅占机械顶管总造价的1／3左右。
　　人工顶管的顶管造价也较低，约占机械顶管的71％。
　　整个584m的91500顶管及工作井与接收井的总造价，采用机械顶管需2651822元。而人工顶管仅需1623002元，仅占机械顶管的61％，节约造价达103万元。

　　5　结语
　　综上所述，我们可以初步得出以下几个结论：
　　(1)人工顶管存在许多优点，如施工成本低、对交通影响较小、清楚的辨别地下管线及施工过程简单等优点。
　　(2)用人工顶管进行施工还存在许多不足之处，如安全隐患大，施工精度不高及造成路面沉降等等，但是可以采取相应的应对措施克服它的不足之处并增加其实用性。
　　(3)通过上述实例可发现人工顶管的经济效益可观，对土质较好的地方或较贫困地区，在能保证施工人员安全的前提下，人工顶管在很大程度上还有其发展空间和应用价值。