浅谈顶管施工的过程控制和技术管理

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1、前言 
    顶管工程是一门综合地质学、电子技术、机械、冶金、液压控制及化学等多门学科的综合性土建工程。顶管施工在我处已经开展了一年时间，通过这一年多的实践我们积累了较为成熟的经验，如对于顶管机械的理解及设备改造形成我们自己看法，对于施工过程中的各个方面（如冒浆、地面隆沉情况分析、顶进中的压力控制、复杂地层的顶进控制、轴线偏差控制等）也积累了一些技术处理措施。这些都是我们的宝贵的财富。本文整理一些思路和感想并就相关问题和各位同事探讨交流，希望对今后顶管施工的发展有所帮助。时间仓促再加上本人才疏学浅，错误之处尚请各位同事批评指正。 
    2、顶管方案选定 
    2.1 现场踏勘及调查 
    定位测量后进行现场踏勘及调查工作。
    （1）观察现场人、车流情况确定人流及车流交通组织及路线，考虑在路口设立交通导向牌、高峰期安排人员指挥交通。
    （2）调查周围民房与现场的距离，确定防噪音方案，并考虑是否向业主提出建造发电机隔音房。
    （3）调查周围有没有施工用水的水源。
    （4）摸查清楚附近的排水系统，设计最佳的排泥水线路，必要时施工临时排水管道，避免污水横流。
    （5）了解周围建筑物的用电负荷及用量看是否需要租用发电机。
    （6）对于现场的煤气、电力、通讯、煤气、供水等管道现场定位并标示出来看是否需要拆迁。
    （7）看是否有架空的管线及结构物影响到顶管设备的吊装。
    （8）周围是否可以接用办公用电。
    （9）查询附近结构物的竣工图及相应设计变更。
    （10）调查雨水渠箱、原有污水管道等埋设较深的市政地下构筑物。
    （11）对于附近一些桥梁等构筑物调查其桥台基础、桩基深度及间距，附近建筑物基坑采取什么结构形式，是否采用喷锚结构施工，其长度是否在顶管顶进轴线内。
    （12）打听顶进路线地面上以前是否拆除过旧有的建筑物或地下构筑物，是不是有一些废弃临时设备及支架基础，是否原来有垃圾填埋场等等。
    （13）考虑到旧的竣工图不详细甚至可能有错误，尽量利用一切可能的手段调查，尽可能分析到一切不利影响因素。 
    在这阶段，笔者建议注意以下几个细节： 
    ①进场前采用多媒体资料记录原有地貌及地面原有裂缝情况。 
    ②地面沿着顶进轴线每5m～10m测出原地面初始标高。 
    ③安装水表和电表并会同业主方共同见证初始读数并签名。 
    ④现场踏勘及调查后作记录并存档备查。 
    2.2 前期技术准备 
    笔者认为前期技术准备主要重点在于地质情况的摸查及设备的选型。 
    顶管施工的大忌是对地质情况的摸查不够清楚，一般而言，设备一下井，工程的成败顺利与否就已基本经定了。所以前期的地质情况调查是重中之中的工作。我们可以尽量要求业主及设计方提供顶管顶进路线详尽的地质资料。尽量了解土层的物理性质（颗粒组成、含水量大小、透水系数及塑性指数）、力学参数（标准贯入值、内粘聚力及内摩擦角）、分布状况（分布范围及埋深厚度）等等。了解地下水的状况及变化规律如地下水来源、水面标高及是否受到潮汐影响而变化等。如果有砂层则要搞清含砂量多少及砂的细度情况及级配关系。岩层则要搞清楚是否有裂隙发育。如果是风化岩层则要搞清楚是否强风化、中风化抑是弱风化，其抗压强度及抗剪强度多少，是粉沙质泥岩还是砂岩，是否为条片状结构还是整体结构等等。一般来说现行业主及设计单位提供的地质资料不够详细，甚至是截然不同（有时设计单位利用相近位置工程的地质资料），作为施工单位，我们一定要求业主补钻。业主应承条件下我们自己也可以在顶进线路上补鉴别孔，局部问题点补技术孔。 
    根据土质情况参数可以选择采用的机头形式，首先从设备厂家处了解到该机头适应的土层范围及该设备的特性和优缺点。有时设备厂家从其利益出发往往比较保守，有些设备经销商对专业可能并不太了解，这时我们要依靠对设备和土层的认识形成自己的判断。总的来说，有地下水及流沙的情况一般不能采用前端开敞式的工具头而要采用机械顶管。多刀盘的形式主要用于上海地区等的软弱土层，对于广州地区大面积的颗粒较大的黄粘土土层并不适用。而同样的大刀盘的机头由于不同厂家的设计形式而有不同的效果。 
    一般来说，刀头的转动形式，刀架的设计形式、刀具的布置、采用驱动的形式、刀具的稀有金属的掺量及加工精度等等因素决定其能对付的土层强度有多大。分段式结构的机头的具体机械尺寸、重心以及重量影响到机头是否在软弱土层中顺利顶进而不会下沉。机头是否外套筒内切削方式还是全断面的切削形式决定着顶进的顶力大小。机头超挖刀的设置是否与相应土层的情况相适应。 
    笔者认为目前我处设备中伊势机在河床冲积含砾石土层中有其优势。海瑞克设备范围最广，能对付N值小于5的土层到较硬的中风化土层。国产设备由于技术缺陷及材料缺陷只能运用于较为均匀的土层。建议根据工程实际情况选择机头、如果我处没有相应设备是否考虑可以外租。机头选型并非选口径，而是包括多方面因素的综合考虑。总而言之一切都是为了工程。 
    笔者希望作为项目部来说: 
    ①每隔25～30米作鉴别孔、关键点加密并作技术孔。 
    ②组织处里各方包括设备科及顶管队讨论机头设备选型。 
    ③预定管材厂家，并提出相应技术要求及进场计划。 
    2.3 方案设计及工期计划 
    有了前期的准备工作，可以集中精力考虑方案设计。主要包括有线路及井位设计、顶力计算及管材设计、工作井及接收井设计、检查井设计、平面布置设计、施工过程组织设计、监测及预警措施设计。 
    2.3.1 线路及井位设计 
    顶进距离考虑到设备情况及周围环境综合决定。考虑到工作井的造价比较昂贵，尽量少一些工作井，尽量安排往两个方向顶进。由于现行设计院设计管道大多按照明挖方式设计，在现场调查后尽量优化线路设计，避开不利顶管的土层、尽量让顶管线路避开结构物及树木。最好在每个工作井或者接收井内设计成检查井位。线路与附近结构物的距离设计必须考虑到以后作检查井的方便和空间，尽量避免冲突。检查井间距按照现行规范可以和设计单位研究适当加长。顶进深度范围内土层较为复杂时，与设计部门协商考虑抬高或者降低标高。 
建议： 
    ①综合对设备认识及施工经验，笔者建议每段顶进长度最好不超过150米。 
    ②尽量避免顶进轴线有树根竖向生长的树木。 
    2.3.2顶力及管材设计 
    顶力现行有很多的计算方法和模型来计算。其实这些方法只能作为定性分析和综合取值考虑，按照传统上顶力大小主要和土质及是否注浆有关。实际上顶力大小和很多因素如土层的变化情况、是否有纠偏、采用设备的形式、机头的切削形式、采用管材形式、后靠背的刚度、工作井的形式、注浆的压力、顶进速度等等有关。我们在实践中也可以证明这一点，现行考虑采用整体三维模型，考虑多参数系统来模拟顶管顶进过程中各结构的受力情况。以后我们可以在这一方面加以进一步研究。一般采用经验公式也就足够对付一般工程。 
    对于管材的设计，现行对于管材的配筋量、钢筋布置、砼的强度及端部的细部处理都区别于一般承受纵向线荷载的排水管道，一般可以按照轴心受压柱的考虑来设计管材，但是注意到顶管是需要纠偏处理的情况，必须考虑到管道的偏心受压及局部应力集中的情况而要预留一定的安全系数。顶管有时要在管内挂设各种管道及焊接相邻管道而考虑在局部细部构造上进行一些改进。 
    笔者个人认为： 
    顶力设计及管材的强度计算的最好取安全系数2。 
    2.3.3工作井及接收井设计 
    考虑工作井的设计方式： 
    （1）工作井的深度。首先与顶管队确定设备的顶进轴线与设备底架的距离。注意到海瑞克设备管道是靠顶环悬空对心顶进管道，伊势机与国产机是采用导轨定向顶进。一般工作井深度＝设计管道轴线到地面距离＋设备需要顶进轴线到设备底架的距离＋预留排水距离（一般为10cm），如果采用钢管顶管注意前部预留钢管焊接位的深度。 
    （2）工作井的平面尺寸。考虑到顶管的多方向顶进方向可以采用圆形工作井或者多边异形井。一般来说采用的是矩形平面尺寸。宽度必须考虑到设备顶架的宽度、操作空间、泥水泵的放置、基坑内盘通装置（如果有的）等因素。长度必须考虑到顶架长度、千斤顶行程、后靠背厚度、密封圈厚度、下管及连接管道的方便、连接泥水及电缆管的操作空间。对于钢管顶管还要考虑到定型产品的长度及焊接位等因素。如果双向顶进则要考虑先顶进管道的最后留在井内的长度对后续反向顶进的影响。 
    （3）工作井的结构设计。综合考虑采用何种支护形式如板桩支护、人工挖孔护壁、搅拌桩支护、沉井、地下连续墙等。作为地下结构，现行基坑设计已经有较为成熟的计算方法。其中人工挖孔护壁法作为一种在广东地区广泛使用的方法，施工队伍积累了较为丰富的经验。但是理论的缺乏使得我们对其的认识局限于感性和经验，在实践中常常出现问题。所以我们应当特别注意该方法的使用和过程控制。结合顶力的计算考虑工作井后背的受力计算，按照抗弯抗剪计算后背处配筋，注意结合施工工艺在局部地方要进行细部构造加固。对于后背还要注意进行刚度和位移计算，避免对顶管轴线和标高产生影响。 
    （4）细部设计。细部设计可以给后续工作带来方便。采用龙门吊进行下管时考虑龙门吊的基础设计并配筋。井周边考虑设置挡水墙，考虑激光发射装置适当摆放。测量定位的控制点标高在墙体上多设置几个可以互相验证。在井前后方向顶面的定位点处考虑设置保护装置保护定位铁钉。基坑底部设置集水井，一般设置在顶进方向的左前或者右前方，考虑泥水泵的布置位置尽量调整以适应施工的方便。最好在施工前考虑到洞口的预留位置并作相应的处理。如果是双向顶进考虑到先顶进管道作为后续反向顶进后背考虑封堵和受力设计。考虑到支管的接入，工作井的相应位置预留洞口。 
    考虑接收井的设计 
    接收井比工作井要求低的多，主要考虑到机头的吊装，其设计主要考虑到基坑支护的左右，不过计算时要考虑到吊车吊装机头时的地面附加荷载的影响。接收井的宽度主要考虑机头的宽度再加上一边50cm的操作位。接收井的长度考虑到机头的长度再加上50cm。深度考虑机头的下底标高以下10cm左右并铺上细砂避免机头磕头或者可以在相应标高位置设置导轨以接收机头。对于有些可以分段回收，接收井可以适当小些。必须注意到接收井也必须设置集水井。预留进洞洞口尺寸比机头外径大20cm左右比较合适，并用砖封住洞口。 
建议： 
    ①考虑到定位方向及施工误差等方面，工作井尺寸“宜大勿小”。 
    ②工作井的后背土体尽量不要扰动，有钢板桩支护时则不要拔除。 
    ③工作井正前方10m范围内为冒浆的“危险”地点，注意地面固化。 
    2.3.4 检查井设计 
    管道顶完后考虑作检查井，检查井的施工方法一般现在采用人工挖孔护壁方法施工。该方法具有设备简单、造价低廉等优点。在流沙层施工注意各种防治流沙的措施，一般都是挖到管底，在井内浇注混凝土到管中位置。等混凝土初凝后再在管道上部破半管批荡作流槽，一般不需要把管道全部打碎后砌井，管道全部破碎后其地基应力平衡被打破，相反还会导致井位的下沉（在软弱土层中）。可以和设计单位沟通直接以人工挖孔护壁作为检查井的井壁，如果设计部门要求里面砌筑砖井则人工挖孔护壁井的内径还需要考虑到砖井壁的厚度。
    现行也有采用预制30～35cm高的井圈，采用沉井方式边吊装边挖土下沉施工检查井，但是这种方法需要预制井圈并养护至龄期，从预制场地运输至施工场地需要吊车及运输车辆，成本大，但是这种方法施工安全度高、施工速度快，在工期较紧的时候可以考虑采用。必须注意到下沉井圈时可能由于土层不均导致错位和倾斜偏移。 
    注意提醒施工单位井做好后，排水组织好后，最后再破管砌筑流槽，施工队往往忘记这一点。 
    2.3.5平面布置设计 
    和顶管队现场商量设备的摆放，安排施工人员通道、进管通道、加水及出泥的通道及组织，现场划分施工区域、设备安全空间并进行合理布设。发电机尽量放在角落并设置安全护栏区域并远离办公室，控制室窗口考虑面向工作井并设置其高度让操作人员能从控制室看到整个井内施工情况，现场区域要保证吊车的作业半径空间。考虑到设备的进退场方便和顺序合理组织。 
    注意： 
    为保证测量通视，设备避免放在顶进轴线的地面上，便于测量人员复核顶进轴线。 
    2.3.6施工过程组织设计 
    根据施工的进程安排人员、材料、机械的组织和管理。根据施工情况建立周期性计划，如安排设备进场及调试、管材的进场、出泥的时间安排、换水的时间安排、基坑内抽水安排、设备的管理安排、膨润土的注入安排、每天开工前的准备工作安排、现场巡视安排等等。 
    2.3.7 监测及预警措施设计 
    建立监测体制，对于顶进路线的隆沉值的观测、地面冒浆情况观测、相邻构筑物的沉降及不均匀观测、各种地下管线的位移观测、排泥的土质情况的变化监测等等。还必须注意顶管的进出水流量、对于顶力、刀头压力、土压、顶进速度、倾斜角、方向角及滚动角等参数也要随时关注。对于顶进轴线的变化也要隔一段距离复核一次。 
   建议： 
    将施工参数中达到预警值的参数及时向处里各部门反映。 
    3、过程技术管理 
    3.1 工作井及接收井 
    现行可以参考基坑工程施工手册，下面简单总结一些经验。 
    采用人工挖孔护壁方法制作工作井时，注意地面上的倒“L”型的地面圈梁的施工。根据以往的施工经验，在井壁四周打入横向钢筋以稳定护壁和土体，钢筋最好搭接绑扎10cm以上，最好每上下圈搭接时一定数量的钢筋电焊连接，上下圈护壁也搭接10cm。考虑到以往发生过泥水压力过大，泥水从上下护壁的接口处喷出，注意施工过程中在绑扎下圈护壁时注意看上圈护壁底部是否沾有大量的泥土形成薄弱点。地下水丰富时考虑到对护壁砼浇注质量的影响，可以设置一定数目的小塑料排水管。水下封底时，基坑深度尽量比设计深度预留10cm的空间。对于海瑞克设备其四个顶架脚千斤顶处底板设置钢板作为承力基础。为加快进度可以加入一定数量的早强剂或者采用高强混凝土。对于流沙地层每圈开挖深度减短至40cm～50cm左右，还要准备一定数量的稻草作为处理措施。 
    对于沉井方法来说，由于我们采用的小型沉井，其自重不大，且没有设置外壁润滑及设置外壁的高压水冲孔等措施，容易发生下沉艰难或者下沉不均匀的情况，往往要采取压重等方法进行处理，且其工期较长，在工期较紧的情况下不宜采用。但是比较而言该方法比较安全可靠。 
    在广州地区，尤其在河南地区，由于淤泥质砂层较厚，很多情况下采用施打拉森桩支护再开挖作结构的方法，注意到基坑转角的拉森桩的施打，对于支撑围檩体系注意观察焊接点的变化情况，看看有没有爆焊情况并马上进行处理。拉森桩的凹槽位注意用黄沙填实，钢板桩的内壁铺设沥青纸等隔离混凝土便于拔桩。由于广州地区土层变化情况较大，下伏基岩的深浅不一，很多时候发生拉森桩局部打不下去的现象，这时往往会形成拉森桩底部的薄弱点，我们以前采用注浆方法以及采用钢套筒的方法进行施工取得了一定经验，考虑到该薄弱点的整体性，注意在该处进行相应的结构加强措施。 
    下面方面注意控制： 
    ①工作井及接收井的坐标点最好采用坐标控制，避免误差。 
    ②钢筋绑扎好后验收钢筋和模板，尤其注意其横向钢筋的间距和数量。 
    ③上层护壁的未初凝之前，最好不要进行下圈的开挖。 
    ④支护结构有漏水现象时，注意加强观察水流量的变化及含砂情况。 
    ⑤拉森桩支护时，有漏水时一定要先处理好漏水情况再继续向下挖土。 
    ⑥考虑到基坑工程的风险性，必须密切注意基坑周围任何情况变化。 
    ⑦虽然作为临时结构，我们最好每圈护壁都做好试块便于以后分析。 
    3.2 顶进前的准备 
    机械设备进场后机头下井前，提议检查下面工作，在开顶前请业主、监理、处相关科室的领导到现场： 
    1）项目部各小组人员到位并进行相关项目检查。 
    2）按照预先提出的技术要求，现场验收管材。 
    3）预多1~2个用于机头和尾管连接的端面密封胶垫。 
    4）复核井两边定位钉，并采取有效措施保护。 
    5）井内壁标高复核点并定出洞口的横竖轴线并标示在井壁上。 
    6）安装密封圈，并于空隙中浇注砼或者止水化学浆液。 
    7）机架定位调整后于后背浇注砼，注意必须初凝。 
    8）足够量的膨润土到位，并恰当堆放好，做好防雨与防潮措施。 
    9）清理洞口的麻袋、沙包、沥青纸及封洞口砖石等。 
    10）周围护栏设置并检查是否牢固、垂直交通梯的保护措施等。 
    11）电器设备保护措施及各安全警示牌的挂设。 
    12）校核激光发射装置并在地面用全站仪进行复核。 
    13）发电机打地极调试，各泥水设备系统包括泥水分离器等调试。 
    14）机头在地面运转调试并调整相关参数和指标。 
    15）准备相应规格扳手等各种工具及相应口径的膨胀螺丝等易损件。 
    16）沉淀槽的水位情况及线路连接整理。 
    17）预先初定出该段地质情况的顶进参数并各技术部门达成共识。 
    18）机头或者尾管和混凝土管连接处连接方案。 
    3.3 顶进过程的控制要素 
    一旦开始顶进，就要连续进行。我们注意在下面一些方面注意控制： 
　　1）密切注意顶进情况如偏差、顶力、滚动角、进出水流量、密封仓压力等。 
　　2）定期到管材厂家了解后续管材的龄期、技术要求满足情况等。 
　　3）各监测点的每天监测如地面隆沉、冒浆情况、周围地貌的变化。 
　　4）沉淀槽中泥水的浓度、颜色及杂质情况，是否需要换水等等。 
　　5）注意油温及液压站的运行以及报警情况。 
　　6）泥水分离器排泥的情况变化，掌握土层的变化并将顶进参数调整。 
　　7）密封圈在泥水压力作用下的变形情况。 
　　8）在软硬分界面处注意顶进速度的控制情况。 
　　9）顶完一节管后退顶架时注意已顶管材在土体压力下的回退情况。 
　　10）进出泥泵的运转声音是否正常，机头喇叭传出设备运转声音是否正常。 
　　11）定期进管检查管材、接口以及管道内积水情况。 
　　12）膨润土的浓度以及注入情况并对照顶力情况进行分析。 
　　13）每顶进50m对顶进轴线复测包括激光的水平面和竖直面上的偏差。 
　　14）顶力与设计顶力的偏差情况并进行相应的分析。 
    4、总结与展望 
    关于技术管理方面，笔者有一些建议如下： 
    （1）加强技术管理。土质情况的调查和分析在以往施工中由于各种原因不够详细给我们带来了较大的麻烦，今后这方面需要加强。测量复核制度的执行和管理需要加强。对一些事故的调查原因分析深化并找出原因，提高认识，避免下次再犯并做好技术备案工作。方案编制需要再细化加强，现行所编制方案大多过于简单和不规范。编制技术工作进度图，分阶段项目部就相应技术工作情况汇报并书面报告送达各部门。建立完善的技术管理层次和体系。 
    （2）人才培养。要减少无谓失误，必须加强土建和设备等各方面的沟通，顶管施工技术为综合地质、机械及电气控制的特种技术，技术管理人员必须具备多学科的知识，建议定期请各专业的专家进行相关学科的技术培训工作，使得我们对于岩土工程、电气控制工程、液压系统及机械学等有较为全面的认识，将会有助于我们对于顶管施工过程中各种情况的分析判断能力。 
    （3）科研项目的开展。进行这方面工作可以提高我们的创新能力和施工的技术含量，对于我处以后承接难度大的工程、拓展施工领域都是很有用的。我们的施工得到了一些定性的分析和经验参数，但是要加深理解，需要我们进行一定科研来上升到理论的高度。笔者认为以下一些课题如顶力计算模型的优化设计、泥水平衡建立及浓度管理，管材的受力钢筋布设及接口优化设计及控制，管材在复杂地层（软、硬或者混合）顶进的研究和技术措施、顶管施工对周围环境的影响分析、注浆的原理分析及效果的确认、人工挖孔护壁施工的理论分析及计算模型、顶管施工多参数系统的有限元分析、顶进过程中管道受力的性态研究等等都有一定的实际意义。 
    我们可以把科研研究和施工结合起来，在施工过程中进行相应分析，解决实际问题，“从工程中来，服务于工程”。每单工程可以针对其中难点定出相应的科研题目，由技术负责人制作项目建议书（包括研究方式、预期目标、阶段成果及人员安排等），审批后，处里拨出少量的资金，最后通过实践和理论分析得出合理的解释和理论结论，最后由有关各方对成果进行评估。 
    在领导和各职能部门的重视和帮助下，一年来顶管施工取得了较大的发展，通过实践以及一些困难的克服，我们加深了对顶管施工的认识，已经积累了较为完善的管理和对各种状况的处理经验。通过大家的共同努力，我处的顶管事业必将迎来一个光明的未来。