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大直径混凝土顶管出洞的关键施工技术 K e y C o n s t r u c t i o n T e c h n o l o g y o f P i p e - J a c k i n g o u t o f Ho l e f o r L a r g e Di a me t e r C on c r e t e P i pe s 徐冬宝 上海市城 市排 水有限公 司 上海2 0 0 2 3 3 摘要：顶管进出洞技术是顶管工程施工的关健技术。结合上海市污水治理白龙港片区南线输送干管工程2 2 标段项管工 程 实践 ，对 目前国 内最大直径混凝土顶管 出洞施工的关键技术 后靠背制作 、洞 口土体 加固、洞 口止水及 防止顶 管 磕头 的一些施工措施等进行 了较详细的总结与论述。 关键词 ：大直径混凝土顶管 项管出洞 顶管后靠背 洞 口土体加固 洞 口止水 中图分类号 ：T U 9 9 1 O S 文献标识码：B 文章编号：1 0 0 4 1 0 0 1 ( 2 0 1 3 ) 0 4 0 3 1 8 - 0 3 1 工程概况 上海市污水治理 白龙港片区南线输送干管2 2 标段顶管 工程 ，为外环8 井至迎宾3 井之间的输送总管 ，西 临申江 路立交 ( 外环8 顶管工作井 )，东临唐黄路 ( 迎宾3 接收 井 )，总长7 8 9 0 7 1 m。 本工程为双管 ，采用顶管法施工，管道材质为钢筋混 凝土顶管 ，每节管的长度为2 5 m。管道 内径4 0 0 0 mm， 外径4 6 4 0 mm，为国内最 大直径顶管 ，且单次顶进长度 达2 0 3 9 8 2 m，亦为同直径最长距离顶管。顶管所穿越 的 土层主要为l 4 ) 层淤泥质黏土和 1 灰色黏土，该土层分布 稳定 ，厚度较厚 ，但土质较差 ，呈流塑状 ，高压缩性 ，高 灵敏度，抗剪强度c k = 1 0 k P a ， k = 1 0 S o C，承载力特征值 f a = 5 2 k P a，比较适合顶管施工 ，但 由于混凝土管节及工具 管自重较大 ，土体相 当较软 ，顶管进出洞和轴线控制难度 相应增大，易发生各种失稳问题。 本工程采用 6 4 0mm土压平衡工具管，质量约1 5 2t ， 在出洞过程中 ，由于外部土体经过下沉过程的扰动 ，且水 土压 力 尚 未建 立 ，浮 力几 乎 为零 ，会 使得 顶 管 工具 头 出洞 以后在工具管运行振动 的情况下产生磕头现象 ，如果不采 取措施 ，会使得工具管越项越低 ，甚至无法控制。而迎宾 1 井还需向工作 井两端顶进 ，且顶进的两个方向还不在一 条轴线上 ，两个顶进方向上都 会预留洞 门，在 向其 中一个 方向项进时 ，其后靠背必然会封堵住另一个方向的洞 f - j ， 当其中一个方向项进完成 ，开始向另一个方向项进时 ，需 要拆除封堵住另一个方向的后靠背 ，这对该工作井两个方 向的顺利出洞提出了更高的技术要求。 作者简介 ：徐冬宝 ( 1 9 6 0 一 )，男，大专，工程师。 通讯地址 ：上海市徐汇区宜山路 1 1 2 1 号 ( 2 0 0 2 3 3 )。 收稿 日期 ：2 0 1 3 - 0 2 0 4 3 1 8 f 建 筑 施 工第 3 5 卷第 4 期 2后靠背制作 后靠背制作是保证项管正常顶进很关键的一项技术措 施。对矩形工作井中直角出洞 口的顶管，可直接将工作井 壁 当后靠背 ，不必再做后靠背 ，只靠井壁位置放置后靠顶 铁 即可；对圆形工作井向一个方向顶进和两个方向顶进在 一 条轴 线上 ，其后靠背设置也比较容易 ；但对圆形工作井 向两个方向顶进 ，且顶进的两个方向不在一条轴线上 ，要 保证后靠背工作面与项进轴线成直角 ，其后靠背 的设置有 一 定的难度 ，故对于井内后靠背的布置要求较高。 迎宾 1 工作 井担 负着长为5 7 6 5 m的顶管任务 ，洞 口 以及后靠背 的可靠性及稳定性不但直接影响到 出洞施工是 否顺利 ，还影响到整个顶管施工 的质量和安全。由于迎宾 1 工作井东西两方向作业面不在一条轴线上 ，顶管存在约 1 6 3 。 的夹角 ，这对于超大直径 、超长距离顶管来说存在较 多困难 ：一方面 ，上一阶段顶管的出洞 口要在下一阶段成 为后靠背 ，在非直线对称的情况下保持后靠背的强度及稳 定性较为困难 ；另一 方面，需要针对性的解决管节与井壁 非垂直正交带来的止水难题等。 针对以上问题 ，由于单根顶管顶 力最大达1 4 0 0 0 k N， 迎宾1 工作井为双线并行项进 ，最大顶力可达2 4 0 0 0 k N， 后靠背须以考虑整体稳定性为原则。为满足该工程大直径 顶管顺利出洞及后续顶进施工，后靠背应在 强度及 刚度满 足顶管施工要 求的前提下 ，便于安装 、拆卸 ，且经济 合 理。为此 ，特将迎宾1 井的后靠背创造性的采用 了便于拆 卸、可重复使用 的预制混凝土装配式顶管后座 ，如图1 所 不0 后靠背分预制模块一及模块二 ，以一定的间隙分层叠 放并通过模块上 的预埋件焊接在一起。待安装并经测量调 整到位后 ，在模块与井壁 间注入c 3 0 混凝土，使模块组成 的后靠背与井壁连成一体。按井 内行车起重能力 (3 0 t) 徐冬宝：大直径混凝土项管 同的关键施工技术 图1 后靠背示意 及结构要求，模块一及模块二每层高度设计为 0 6 6 6 m，分 别预制9块。 3 洞 口土体 加固 顶管工具头的出洞是顶管施工 的关键节点 ，应确保顶 管机正常地从非土压平衡工况向土压平衡工况过渡 ，从而 达到控制地面沉降，保证工程质量的目的。 3 1 外 围围护 外 围深层 搅 拌桩 加 固应 搅拌 均 匀 、搭接 良好 ，考 虑到围 护的隔水帷 幕作用 ，加 固范围为沉 井井壁外4 m 封 闭布置 ，加固深度 为地 面至沉井 刃脚 以下5 m。使用 0 8 5 0 mm的s Mw三轴水泥搅拌桩施工 ，桩间 E 6 0 0 mm， 搭接长度2 5 0 mm，水泥掺量2 0 ，内插H 型 M 7 0 0 mm 3 0 0 mm1 3 m m2 4 mml 2 0 0 mm布置。本工程沉井外 围皆须施做水泥深层搅拌桩作围护，且 皆为封闭布置。 3 2 洞 口土体 加 固 在工作井洞 口外采用水泥深层桩对土体进行改良，以 提高土体 自立性 以及承载力。本工程顶管机总长8 1 4 m， 在工具管重心顶 出外 围围护前须保证项管机 处于 一个稳 定、均匀且有足够强度 的水泥土范围内，使得顶管能够平 顺地顶出，并为顶管前期的走向提供一个 良好的开局。因 此，洞 口范围外 围的围护至井壁间的空间均采用深层搅拌 桩对土体进行改 良。其加固范围及参数如下 ： ( a) 加固范围： 加固宽度 ：南北线洞 口外侧延伸3 r r l ( 加固边线距离 洞 口外边缘3 m )； 加固长度：沉井外壁沿轴线向外延伸8 m范围 加固深度 ：地面 洞 口下边缘 以下3 m范围。 ( b)加固参数 ： 桩身：0 8 5 0mmS MW-轴水泥搅拌桩； 桩间距 ：6 0 0 mm，搭接长度 2 S 0 mm； 水泥掺量：使用P O 4 2 5 级普通硅酸盐水泥： 其中：地面一1 6 9 m，水泥掺量1 2 ；一 1 6 9 m 洞 口下 边缘以下3 m，水泥掺量为2 0 。 由于本工程沉井皆为外 台阶形式，深层搅拌桩对洞口 加固区域与井壁间存在间隙 ( 3 O c m )，为隔断此处水力联 系通道 ，采用了水泥高压旋喷进行封闭处理 ，见图2 。 图2 洞口土体加 固 4洞 口止水 洞 口止水装置的设计对顶管能否顺利地进 出洞、保证 顶进过程 中洞口密封 的可靠性是至关重要的 ，这通常是顶 管施工 的薄弱环节。本工程采用橡胶 法兰的结构形式进行 洞 口止水。帘布橡胶板衬尼龙线，提高了回弹力 ，增强了 止水效果。针对外环9 及迎宾1 圆形沉井的特点，我们在 洞 口按照穿墙洞的尺寸浇筑钢筋 混凝 土结构 ，以便安装止 水装置，保证出洞安全 ( 图3) 。 图3 出洞 口止水措施 本工程各区间段顶管单级顶进长度都较长 ，因此 ，洞 口止水措施不仅要严密 ，而且还要有一定的耐磨性 ，并具 有能够在特殊情况下进行更换止水措施配件的能力。 根据 以往经验 ，一般帘布橡胶板的损坏 多是由于外部 砂砾进入了帘布橡胶板 的弯曲弧内，引起橡胶板 的磨损加 快 ，并使其与管节间的摩阻力激升从而造成损坏。因此 ， 本 工程 出洞 口穿墙止 水措施采用 了2 +1 的止 水措施 ，即 2套止水措施+1套保护措施 ：止水措施为帘布橡胶板+ 牛 油盘根。1套保护措施为在井壁内设置# - 3 mm隔离钢板 ， 阻止外部土体及锐利颗粒进入橡胶板 的弯弧段 ，同时通过 井壁 内预埋 的注浆孔对空 隙内填充粉煤灰 ，并加入少量 的 水泥 ；在橡胶板与隔离钢板问再压入油脂密封。 在洞口加固区域插入H 型钢，进一步提高出洞阶段的 5 出洞防 “ 磕头”措施 正面土体稳定。 本工程土压平衡顶管机0 4 6 4 0 mm，质量达1 5 2 t 。由 2 0 1 3 4 B u i l d i n g C o n s t r u c t i o n 1 3 1 9 徐冬宝：大直径混凝土项管出洞的关键施工技术 于初期无法形成封闭环境 ，即工具头基本不受浮力作用 ， 出洞时如操作不 当，极易造成 “ 磕头”现象。为此，采取 了如下施工技术措施来防止 “ 磕头” ( a)导轨铺设时即在穿墙洞 口内通过预埋件安装导轨 延伸段 ，防止工具头进入洞 口后由于力矩的不平衡头部向 下 ( b)工具头就位后 ，纠偏油缸等记录归零位 ： ( C)工具头出洞时，在工具头重心未离开轨道前 ，将 后部跟进管节及中继环用高强度螺栓连接起来 ； ( d)由于沉井下沉时周围土体被破坏或在出洞时洞 外泥水流失过多，所以在洞中外侧又进行了加固措施 ，进 一 步防止 “ 磕头”现象的产生 ： ( e) 调整后靠背主推千斤顶的合力中心。 由于洞 口进行了土体加固改良，故其承载力能够承受 工具头的自重。但由于工具头的长度较长 ，在工具头重心 顶 出加固区域后 ，其后跟进的2节混凝土管节应能够传递 合力中心位于在 管中心轴线上的推 力。因此 ，后靠背主顶 千斤顶的合 力中心应略向下 ，以平衡这2节混凝土管 自重 形成 的力矩。在本工程 中，将合力中心设置为管中心以下 1 5 c m，即在出洞顶进阶段时 ，仅使用下部的4台油缸进行 顶 讲 6 结语 顶管施工属于地下特种工程 ，复杂程度较高，不确定 性因素有很多。其 中，项管出洞又是制约顶管顶进 的关键 工序 ，一旦顶管出洞的技术措施采取不当， 就有可能造成 顶管在顶进过程中停顿。而顶管在顶进途中的停顿 将引 起一系列不良后果，如顶 力增大、设备损坏等 ，会严重影 响顶管顶进的速度和质量 ，甚至造成顶管失败。为此，在 开工前 ，应该综合了解工程的地质情况、水文特征，充分 考虑到各种可能出现的情况 ，全面进行技术、经济指标的 综合评价 ，然后因地制宜选择顶管出洞的相关关键施工技 术。 本工程 由于采用了科学、合理的施工技术措施 ，按照 上述施工方法 ，后靠背设置合理具有足够的强度刚度 ，洞 门外土体强度好、地下水控制情况 良好 、止水效果良好 ， 达到了预期的 目的，保障了本工程的顺利出洞和顶进 ，也 为以后类似工程提供 了借鉴和参考。 I I张悦 地下顶管进 出洞设计与施工技 术研 究 川 建筑施 工， 2 0 0 2 ( 1 ) ： 3 4 3 8 2 何宇光， 陈春 茂 顶 管进 出洞设计 与施 工技 术探 讨 J 1中国市政 工程， 2 0 0 4 ( 2 ) ： 6 5 6 7 ， 7 2 3 徐庆平， 宋炳锐 矩形截面顶管 -7 - 艺进 出洞风险控制 现代 交通技 术，2 0 0 9 f 1 2 ) ： 7 4 7 7 4 白家波 机械 顶管进 出洞技 术研究 J I l 中州大学学报， 2 0 0 1 ( 7 ) ： 2 1 2 4 5 韩石忠 上 海 市污 水治理 工程 长距 离曲线顶 管施 工 中国市政 工 程 2 0 0 7 ( 4 ) ： 3 8 - 3 9 9 0 9 1 ( 上接 第3 1 5 页 ) 2 mm聚脲层 、厚5 mm聚合 物砂浆 、厚2 O mm硬泡聚氨 酯。 该方案先采用分别固定在铝框和厚2 mm镀锌钢板上 的厚0 6 mm镀锌钢板将角码、螺栓 、螺钉等辅材构件进行 周圈封 闭，从而保证聚酯层的有效连续 ，并且在厚0 6 mm 镀锌钢板施工完成后，在钢板和钢 、铝框之间灌发泡聚氨 酯，0 6 mm钢板的牢固性增加 了防水安全性，然后进行厚 2 mm聚脲层的施工。聚脲施工完毕后 ，在聚脲和铝材的接 缝 处打硅硐 密封胶 ，最后 进行厚2 O mm硬泡聚氨酯和厚 5 mm聚合物砂浆的施工。 6 结语 深圳机场T 3航站楼蜂窝幕墙屋面经过近半年的设计 、 施工探索，经广东省质量监督总站 的 “ 四性”试验检验 ， 于2 0 1 1 年9 月底开始全面施工。其东西指廊经过高压消防水 的喷淋、深圳当地大风 、大雨等恶 劣气候的考验 ，防水质 量完全达到 了设计要求。 总结该屋面的成功的经验，主要有以下几点 ： 3 2 0 I 建 筑 施 工第 3 5 卷第 4 期 ( a) 精 心设计、科学试验是项 目成功的关键。在防水 设计过程中参与单位不生硬套用规范 ，活学活用，一切从 实际出发，解决难题。 ( b)要针对工程设计选材。在深圳机场这个形式复 杂、结构多变 ，既有平面、又有立面、还有倒立面的屋面 上 ，聚脲弹性涂料的所有优越性能都得以发挥。 ( C)多道设 防时 ，防水材料 的相容性是重 点所在。 为了保证 多道设防材料能充分发挥其各 自的作用，我们选 择 了同大类的聚氯酯材料聚脲和发泡聚氨酯为主 的防水材 料 ，同时，选择 了相容性与老化性优异的硅硐密封胶作 为 密封材料。 ( d) 特别重视细部结构 的防水施工质量。幕墙蜂巢 结构有三 万 多个天窗 ，六边六角共有超过3 6万处渗水 隐 患，在精心施工后 ，保证了工程的成功。 ( 1 刘志荣， 李 强， 李 国干 中国国家博物馆工程防水技 术 1 I I l 中国建筑防 水 2 0 1 1 ( 1 4 ) ： 2 5 2 余建平 聚脲 材料种 类及其在各领域 用途 c l 研讨会主 办方 中国建 筑防水协会聚脲 防水技 术研讨会资料汇编， 2 0 l l ： 1 2 3 一 l 4 3