摘要：顶管施工工艺是目前在复杂地面环境下施工管线的主要方式之一。主要分为机械顶管和人工顶管，这两种施工工艺都有其各自优缺点。而在实践中发现，人工顶管更能适应复杂的地质环境。但是，传统的人工顶管施工工艺会造成严重的地面沉降问题，这一缺点不仅极大地影响了使用范围，更造成了严重的安全隐患。该研究通过设立一种具有超前支护功能的护筒以及对施工工艺的部分调整大大降低了管顶及掘进前端脱空程度，有效减少了地面沉降，提高了安全性及效率。
关键词：暗挖；沉降；安全性；超前支护
1 引言
机械顶管适用于地质单一且无地下线路影响的地段。但在目前城市现状下，机械顶管很难大显身手，一旦出现问题，有场地的可大开挖取机头，没有场地的只能放弃使用，而且机械顶管设备价格不菲。因此，人工顶管便成了复杂地质条件下首先使用也不得不用的施工方式。人工顶管施工工艺又称刃口推进法，是指在管道前段设置刃口切削土体，通过人工挖掘后运出。其原理如图1所示。
图1 刃口推进法工艺简图
然而传统刃口推进法有较多缺点，首先是无法实现“先顶后挖”，因为常用顶管管材壁厚为10cm-20cm（管道直径DN1000-DN2000）。若实现先顶后挖需将管道顶入土层，这个顶力极大尤其长距离顶管，很容易将中部或者端部管材顶裂。因此施工时只能先挖后顶但这无法保证施工人员安全。其次，对于富水地质比如流沙地质，现有技术无法施工。或者勉强施工时一方面安全性差另一方面不考虑地面沉降，挖土量极大，进度严重受阻。
2 工程背景
2.1 工程概况
墨水河龙泉河综合整治工程位于山东省青岛市即墨区，是一公局首个河道综合治理类项目，河道治理总长度共计30.2km，施工内容多，主要有水利工程（河道清淤、驳岸工程、拦蓄水工程等）、市政工程（道路工程、桥梁工程、截污工程）、景观工程等。其中截污管线工程全长约35km，采用顶管施工段落约10km。
墨河四路截污管线是即墨区主城区的截污主干管，也是整个项目的关键控制性工程，管道直径为1800mm，全长约3.2km，因沿线地面环境复杂，设计方案均为顶管施工。
2.2 现场情况描述
墨河四路截污管线沿墨水河右岸敷设，埋置深度6m-7m。根据地质报告以及前期施工情况发现，该管线所处位置地质情况复杂，不仅含水量大、有流沙等不良地质，且多处有填埋垃圾。多处机械顶管位置因遇垃圾而无法施工，最终不得以大开挖取出机头，造成了极大地损失。而采用人工顶管段落，因传统装置是在顶管掘进面端部设置30cm楔形刃口用于切削土体。该装置在面对，土质松软、含水量大的砂土层时，极易出现涌砂、涌泥等突发事件，在造成地面沉陷的同时又增加了安全风险，且个别区域根本无法施工。同时，该装置又不能将壁厚达18cm的管道嵌入至掘进面前端，因为顶进力极大，致使在施工作业时只能先挖后顶。而先挖后顶又有严重的超挖脱空现象，最终引起地面沉降。
3 解决方案
3.1 装置改进
在人工顶管顶进前端增设防护装置，防护装置内径同管材外径相同，厚度为2cm钢板，长度为30cm刃口+长度为150cm的机头挡板（如图2）。
图2 机头挡板三维模型
该装置在施工中能通过较小顶进力将前端防护机头顶进土层中，从而形成一种超前支护。通过防护机头提供足够的安全工作空间实现先顶后挖。同时减少管顶脱空、增加单次开挖长度。为适应富水地质条件施工，在防护机头下部设置φ1cm透水孔，对地下水有效进行导流，避免掘进面水压力过高，发生、涌泥、涌砂等风险。防护机头下部设置管底挡板（如图3），
图3 管底挡板构造图
对掘进面下部土体可以起到一定支护作用、同时缩短预留坡面的长度增强使用性能，管底挡板利用撑铁上焊接的锚栓（图中未示出）插入机头挡板下端预留的销孔，这样既便于前后移动调整预留坡面（如图4，预留坡面作用类似于隧道核心土，依据土体自然堆积状态时坡度确定）
图4 预留坡面示意图
长度又能在掘进面较稳定的情况下随时取掉便于施工，同时也设置了透水孔，对掘进面起到排水保砂的作用。在整个掘进过程中，防护机头顶端一直埋置于掘进面。这就使得整个顶进前方土体有一个超前保护，减少了施工过程中对周边土体的扰动，有效降低了地面沉降，更重要的是使施工更加安全高效。
3.2 工艺改进
图5 顶进施工示意图
在施工工艺方面除掘进端有改变外，其余与原施工工艺相同。施工时在管道顶进端部安装此装置，初始顶进时先将机头挡板顶进掘进面中，施工人员即可进行土方开挖施工。开挖至如图5所示预留坡面后再次顶进。预留坡面长度依据不同地质条件进行调整。依据地质情况，如流沙严重或者预留坡面坡脚较长时，可安装管底挡板施工。工艺上的改进是结合机头防护装置的使用进行的调整。
4 结论
通过以上装置的研究使用，有效控制了顶管施工中地面沉降的问题，顺利推进了墨河四路截污管线的施工。试想，如果在城市重要道路下方施工，地质情况不清晰致使不能采用机械顶管，人工顶管又会引进极大地沉降。这种窘境在如今繁华的城市下定会屡见不鲜。因此，该研究成果大大提高了顶管的适用范围，解决了施工中的实际困难。另一方面，顶管引起的地面沉降仅仅是该工艺使用中最严重的显性问题，其背后所暗含的安全隐患以及低效率的施工才是更加令人望而却步的。与传统人工顶管施工工艺相比，该研究工艺下单次顶进长度由以往20-30cm显著提升至100cm以上，同时实现了真正的先顶后挖，提高效率的同时又将施工安全性显著提升。工艺性能的提升也进一步引起了一系列连锁反应，如管顶脱空的减少进一步减少了后期管道注浆的注浆量，这是又一项直接成本的降低。
综上所述，该研究是在既有工艺基础上的改进和创新，在实际解决问题的同时，提高了顶管施工的适用性、安全性，提高了施工效率降低了施工成本。
参考文献：
[1]技术标准：GB 50268-2008给排水管道工程施工及验收规范.北京.中国建筑工业出版社.2008
[2]专利文献：中交第一公路工程局有限公司 中交一公局海威工程建设有限公司.机头防护结构及人工顶管装置.中国，实用新型，201820779579.X
论文作者:刘科
论文发表刊物:《基层建设》2019年第13期
论文发表时间:2019/7/22
标签：顶管论文; 机头论文; 挡板论文; 刃口论文; 地质论文; 装置论文; 地面论文; 《基层建设》2019年第13期论文;