湖南省沙坪建设有限公司 湖南长沙 410000
摘要：引水工程大口径球墨铸铁顶管国内应用极少，且是压力管道具有严密性要求。郴州市东江引水工程应用大口径球墨铸铁管长距离连续顶管施工穿越砂卵漂石复杂地层，结合湖南省沙坪建设有限公司以往顶管施工经验，针对复杂地层及管道改进的顶管设备，辅以双液注浆止水固结、减阻泥浆以及其它措施使顶管顺利贯通，本文即以此工程为主要案例，详细介绍不同于其它顶管的具体运用与施工要点，仅供参考。
关键词：复杂地层；大口径球墨铸铁管；长距离连续顶管；施工要点。
郴州市东江引水工程的砂卵漂石复杂地层大口径球墨铸铁管长距离连续顶管工程结合湖南省沙坪建设公司以往顶管施工经验，采用改进的顶管设备，辅以双液注浆止水固结、减阻泥浆以及其它措施使顶，使Dn2200mm球墨铸铁顶管施工进尺每天达2-3m/d，如期顺利贯通。
1.工程概况
湖南省沙坪建设公司承建的郴州市东江引水工程输水系统及土建安装第五标段是郴州市东江引水工程输水管道总长33Km进入城市的末端主管道，管线采用Dｎ2200mm球墨铸铁顶管，沿郴县路人行道敷设进入到山河水厂，长度6039.1米。其中顶管B194（工作井）- B209（接收井），沿途经过多条城市道路、居民小区、企事业单位、学校等，长度1764米，共15段。顶管采用Dn2.2m球墨铸铁管K型专用顶管，每节长度6米，承口外径2486mm，插口外径2288mm，每节管道重量23652Kg。管道最大工作压力1.6MPa，试验压力2.1MPa，顶管接口采用内K型（内压环式承插式）接口，利用承口与插口之间的间隙安装橡胶止水圈与压环来止水。
顶管沿郴县路北侧人行道敷设，埋深处于地表下约5m-8m，地面纵坡为4‰，管道纵坡设计基本与道路纵坡平行，起点-终点坡度全为向上，经过大量的地下管线精准调查，避让相交道路的雨污管道调整设计，顶管坡度为0.5‰、6.4‰、3.1‰不等，变坡点竖向转角＜球墨铸铁顶管允许偏转角0.5°。工作井与接收内空尺寸11m×5.5m、5m×5m，均采用护壁逆作法施工。每段顶管长度（井中到井中）84m、120、144m不等。
工程地质自上而下依次为：耕土、人工填土（部分含杂填的块石、漂石）、淤泥质粉质粘土、粉质粘土、砂卵漂石、灰岩。根据顶管处于人工填土层、淤泥质粉质粘土层、粉质粘土层、砂卵漂石层。其中砂卵漂石层中的水量较大，渗透系数K值80m/D，稳定水位埋深一般在地表以下2-5m。
2.工程难点
（1）连续顶管各段顶管施工需要同步，组织难度较大。前段顶管贯通后才能将后端顶管对接，每节管道之间、前段与后段球墨铸铁顶管允许偏转角0.5°（明敷除外），进洞误差需要控制在5cm以内，贯通对接精度要求高。否则管道接口严密性达不到要求，差生管道偏心对接等处理成本高。
（2）顶管需需要穿越人工填土层、淤泥质粉质粘土层、粉质粘土层、砂卵漂石层等复杂地质，砂卵漂石层掘进面自稳性差，渗水量大有一定的水头压力，减阻泥浆易流失，地层摩擦阻力大；淤泥质粉质粘土层承载力差。
（3）顶管外径2486mm，口径大；管道每节长度6米，纠编相对较难；顶距长，顶力大，对管材及施工要求高。
3.施工方法选择
在工作井开挖过程中，揭露的地质情况较清晰，考虑到顶管需穿过人工填土层、粉质粘土层、淤泥质粉质粘土层、卵砾漂石层、灰岩层、回填片石层等，且人工回填的片石与卵砾石直径大小不一，经多方论证如采用机械式顶管机头极易卡住，采二次破碎机头存在空转的可能，存在较大施工风险，故采用人工掘进顶管最为可靠。但由于砂卵漂石层中的水量较大，稳定水位埋深一般在地表以下2-5m，杂填的片石、漂石、砂卵漂石层掘进面自稳性差，减阻泥浆易流失，在顶管施工前对管道穿越的土层及周围辅以水玻璃双液止水注浆固结，注浆采用坑道式钻注一体机施工，具有占地小、无噪音、不破坏地表的特点。
4.顶力及后背设置与计算复核
（1）管道表面与其周围土体之间的摩擦阻力F与顶镐设置
采用敞开式机头，仅计算顶管摩擦阻力 F =πDLf
式中： L — 管道的计算顶进长度，L=120m；最长144米，最短84米，一般120米。
f — 管壁与土的平均摩阻力，取f=16KN / m2
经计算最长144米顶管F=17994KN，Dn2200球墨铸铁管未偏心的允许顶力16，870kN，管道纠偏时将产生集中受力，设定储备安全系数0.7后，管道允许顶力11809 KN，采用4台300T千斤顶作主顶成120°对称分布，设中继间，中继间采用12台100T千斤顶环向均匀分布。
（2）后靠背稳定性计算与后座设置
后靠背作为千斤顶的支撑结构，要有足够的强度和刚度，且压缩变形要均匀。顶管的后背由可重复利用的宽3m*高4m*厚0.5m钢筋砼后座力板、1m厚C30素砼填充、工作井0.8m厚钢筋砼护壁以及后方的土体组成。
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后靠背的计算：
R2=αB｛γH2Kp/2+2cH√Kp+γhHKp｝
式中：
R2—后座墙支反力；
α—系数（取1.5~2.5之间），计算保守取1.5；
B—后座墙的宽度（m），取7.1米计算；
γ—土的容重，取21KN/m2计算；
H—后座墙的高度，取3米计算；
KP—被动区土压系数｛为tg2（45°+φ/2）｝，为tg2（45°+35°/2）；
h—地面到后座墙顶部土体的高度，取3.5米；
c—土的内聚力，取3Kpa进行计算；
经计算工作井后背土最大允许顶力为12747KN＞主顶11760KN，各工作井后靠反力经计算证实符合顶力安全保证。经过计算可见工作井能够承受最大的顶推力的反力，后靠背是安全的。上述简化计算偏保守，后背实际能够承受更大的推力。
5.管道、顶管工具头、顶环、中继间配置
（1）顶管管道选择
顶管管材采用福建台明铸管科技股分有限公司提供的管道。管体由球墨铸铁基材和高强钢筋混凝土外壳（8-12cm）结合构成，管道等级达到K10级别以上，其高环向刚度使其比钢管等其它顶管更能抵抗外部压力，管体抵抗外部压力强；管材结构决定了管体有较大的刚度与机械强度，可采用大顶推力的施工工艺，一次顶进距离更长；管体基材为球墨铸铁，表面每平米附着130克镀锌，高强钢筋混凝土外覆层，优于钢管的耐腐蚀性，使用寿命达80年以上；接口采用内K型，安装方便快速，达到使用寿命可管内更换，止水橡胶圈为大球头单橡胶圈、软硬两种橡胶设计，接口密封安全可靠，最大（非顶进时）偏传角度1°，具有一定的轴向伸缩和径向偏转能力，能适应一定的地基沉降；每节顶管环向120°分布二排φ32内丝注浆孔，可均匀形成泥浆套。其结构示意图如下：
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（2）顶管工具头
台明管道定制的Dn2200 mm球墨铸铁顶管专用管，与常用的国标钢筋混凝土顶管型号不通用，顶管工具头只能定制生产。顶管工具头安装在管道的前端，顶管机头外径比管道外径大22mm，它具有控制顶管方向、掘进、伸缩防止坍方等功能，配4台顶力100吨，行程100mm的纠偏千斤顶，工具头上下左右4个方向，每相对二个为一组，控制顶进过程的高程、方向偏差。制作结构如下图：
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（3）顶环
不同于普通顶管，球墨铸铁顶管每节长6米，顶进的行程较长，承受的顶力非常大，每节顶环的重量与顶进施工时的吊装能力匹配，以方便施工。顶环采用钢肋板形式，在大顶力情况使接触面受力更均匀，顶环制作如下图：
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（4）中继间
顶进到位后中继间外壳体当管道使用不拆除，为保证管材的耐久性，外壳体采用的球墨铸铁村料定制加工，壳体厚35mm。中继间前壳体与前接管连接，后壳体与后接管连接，前后壳体间为承插式连接，接口与顶管接口相同。施工顶进时，依靠壳体之间设置的凹槽橡胶止水带密封，防止管道外水土和泥浆倒流入管道内。中继间采用12台100T千斤顶环向均匀分布。顶进到位后拆除千斤顶及辅衬板，管道内打磨平滑，壳体之间采用美国进口特种WE777铸铁焊条焊接。
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6.地表深孔双液注浆止水固结地层
顶管穿越杂填片石、漂石、砂卵漂石层、流砂、软土层等自稳性差无法形成卸力拱的地层位置先采用地表深孔双液注浆进行处理，同时起到止水与固结地层的作用，使减阻泥浆不易流失。掘进时管内超前注浆易造成浆液流入到管外壁与土层之间空隙，凝固后会增大阻力，故地表深孔双液注浆在工作井或接收井破洞之前完成，注浆的纵向长度超出不利地层1倍顶管深度。
经多次实践总结，注浆孔位沿管道中线纵向设两排，纵横向间距2米布置孔位，处理深管底1米及以上，管顶1.5米及以上，注浆水灰比为1：1水泥浆+30be水玻璃（水泥浆与水玻璃体积比1：1），注浆终止压力不小于0.5MPa。可达到理想的止水与固结效果，同时经济性最佳。
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7.施工要点
大口径球墨铸铁管长距离连续人工顶管，每节管道长达6米，工作压力1.6MPa，穿过人工填土层、粉质粘土层、淤泥质粉质粘土层、卵砾漂石层、灰岩层、回填片石层等复杂的地层，施工过程中采取了双液注浆止水固结与膨润土泥浆减阻，不同于普通顶管的施工要点总结如下：
（1）各段顶管统筹组织管理
长距离连续人工顶管往往因地面构筑物限制每段顶管的长度不一，本工程管道接口为内K型，需要前段顶管顶进完工后才能将后段的顶管顶进接入，前段顶管顶进未完工之前其后背核心土应根据地质情况预留相应长度不能挖掘，否则后背土失稳处理将制约整个连续顶管段的进度；全部顶进管段应24h昼夜不间断施工，防止因停工时间过长造成阻力增加，后段顶管施工掘进进尺应跟据前段施工情况调控，所有顶进管段应统筹组织管理。
（2）纠编控制
每节管道长达6米，顶进段的每节球墨铸铁顶管允许偏转角0.5°，顶管明敷允许偏转角1°，在顶进过程中超过允许角度可能造成接口处应力集中而管道破损、接口严密性达不到要求或无法对接。在顶进过程中应加大测量频率掌握顶管机头姿态，进行预期判断，及时进行纠偏调整，纠偏过程勤调微调，幅度不宜超过2cm，防止纠偏过猛。
（3）纠偏顶进接口处理与完工复检
为防止在纠偏顶进过程中顶管接口处应力集中造成外法兰破损，在达到最大顶力一半的接口缝宽全环塞满薄钢板，可以减少顶管外法兰受力，使整个管道受力更均匀。在顶进之前，接口安装橡胶止水圈时应留有五分之一的余量不宜将橡胶圈压缩到正常位置，防止地下水渗入管内即可，管道在顶进过程中经过纠偏产生了蛇形运动，其接口缝宽是轻微变化的，否则可能造成橡胶圈胀裂；在顶进结束后应对全部接口进行检查，螺栓复拧到橡胶圈正常压缩位置。
8结语
球墨铸铁管相比其它管道具有更长的使用寿命与性能，是给水管道的首选材料之一，由于大口径球墨铸铁管顶管施工国内应用极少，施工经验较少，往往同类型工程多选择钢管作顶管管材，给日后运营维护带来不便。通过在郴州市东江引水工程的砂卵漂石复杂地层长距离连续顶管成功应用，积累了宝贵的经验，给越来越多的同类型工程多了一个选择。
参考文献
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[4]范英俊．球墨铸铁管及管件技术手册．[M]．北京：冶金工业出版社，2006年．
论文作者:李志雄
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第25期
论文发表时间:2018/12/12
标签：顶管论文; 管道论文; 地层论文; 球墨铸铁论文; 粘土论文; 接口论文; 注浆论文; 《建筑学研究前沿》2018年第25期论文;