球墨鑄鐵微頂管技術(shù)的工程應(yīng)用

任 盛，景紀(jì)國(guó)，趙 健，任憲超，李華成

(1.新興鑄管股份有限公司上海銷售分公司，上海 200437；2.新興鑄管股份有限公司銷售總公司，河北 邯鄲 056300)

0 前 言

近年興起的非開挖技術(shù)是利用各種巖土鉆掘設(shè)備的技術(shù)手段，通過(guò)導(dǎo)向、定向鉆進(jìn)等方式在地表極小部分開挖的情況下敷設(shè)、更換和修復(fù)各種地下管線的施工新技術(shù)，因不需要全面開挖，免除了噪音、塵土、污水等污染而被廣泛應(yīng)用。目前可作為短頂管的管材有：鋼管、鑄鐵管、水泥管、玻璃鋼等，都可以采用非開挖頂進(jìn)方式，可應(yīng)用于市政供水、市政雨污水等領(lǐng)域。

1 微頂管技術(shù)優(yōu)越性

1)可以有效縮短管道修復(fù)施工工期，減少施工給周圍環(huán)境帶來(lái)的影響。

2)綜合成本低，具有較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。在相同的條件下，非開挖施工的綜合效益低于開挖的成本，埋深越深優(yōu)勢(shì)越明顯。

2 微頂管選材

微頂管技術(shù)一般指管徑小于600 mm的頂管施工技術(shù)，主要分為泥水平衡頂管(一次工法)和地箭式頂管(二次工法)。地箭式工法又分為標(biāo)準(zhǔn)地箭技術(shù)和改良地箭技術(shù)(N指標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù))：土質(zhì)硬(N>15)→排土→標(biāo)準(zhǔn)地箭式；土質(zhì)軟(N<15)→不排土→改良地箭式

3 微頂管種類和使用領(lǐng)域

微頂管按材質(zhì)分：球墨鑄鐵管、鋼管、樹脂混凝土管、鋼筋混凝土管。其按領(lǐng)域可分為供水、排水。

排水無(wú)壓重力流領(lǐng)域可采用球管和樹脂混凝土管、鋼筋混凝土管；供水壓力較小時(shí)可采用球墨鑄鐵管、鋼筋混凝土管；供水壓力較大時(shí)宜采用球墨鑄鐵管、鋼管。常用幾種短頂管管材對(duì)比分析見表1。

表1 常用短頂管管材對(duì)比

4 微頂管工藝優(yōu)勢(shì)

1)管道鋪設(shè)精度高，誤差±3 cm。經(jīng)緯儀激光制導(dǎo)滿足排水管道重力流要求。

2)頂進(jìn)速度快，單段施工不超過(guò)兩天，土層越軟施工速度越快。

3)施工占地面積小，工作坑直徑2.6 m，接收坑直徑為2.1 m。(單邊接井)也可只開挖一個(gè)工作坑進(jìn)行接入現(xiàn)況管道的勾頭施工。

4)無(wú)空隙、不沉降，頂管時(shí)擠土不擴(kuò)孔，管壁與土層之間不存在沉降隱患。

5 頂管施工工程案例應(yīng)用

以上海華翔路項(xiàng)目為例，該工程位于上海青浦區(qū)華翔路(博馳路-博恒路)，采用非開挖微型頂管施工工藝組織施工，短頂管管徑為DN300。以鋼筒Φ2 090工作井作為頂管工作井、接收井，可以滿足施工及安全要求。

工作井施工采用機(jī)械操作，所采用的機(jī)械設(shè)備名稱為搖管機(jī)，型號(hào)為Φ2 590型,輔助設(shè)備為200型挖掘機(jī)。鋼筒的壁厚為20 mm,內(nèi)徑為2 090 mm,每節(jié)鋼筒的長(zhǎng)度為2.0 m，鋼筒之間采用焊接方式連接，鋼筒的下部切割為鋸齒狀，齒深為5 cm。搖管機(jī)將鋼筒安裝至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，采用挖掘機(jī)將鋼筒內(nèi)的土取出，取土結(jié)束后立即采用C35混凝土封底，厚度為100 cm。為保證頂管過(guò)程中封底要求及鋼筒的穩(wěn)定性，鋼筒底部嵌入土。

6 球墨微頂管生產(chǎn)質(zhì)量控制

本工程選用k9的DN300球墨鑄鐵管，按照《非開挖鋪設(shè)用球墨鑄鐵管》(YB/T4564—2016)的要求，標(biāo)準(zhǔn)要求的最小允許頂推力為1 240 kN。

1)試驗(yàn)依據(jù)：用于制作頂管的球墨鑄鐵管試驗(yàn)方法參照《水及燃?xì)庥们蚰T鐵管、管件和附件》(GB/T 13295—2013)或《污水用球墨鑄鐵管、管件和附件》(GB/T 26081—2010)標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法。

2)頂管水泥保護(hù)層外觀質(zhì)量采用目測(cè)檢驗(yàn)，混凝土強(qiáng)度的試驗(yàn)方法參照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)方法。

3)頂管終飾層和內(nèi)襯的試驗(yàn)方法參照《水及燃?xì)庥们蚰T鐵管、管件和附件》(GB/T 13295—2013)或《污水用球墨鑄鐵管、管件和附件》(GB/T 26081—2010)標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法。

4)用于頂管的試驗(yàn)段(整鑄1 m長(zhǎng))；頂管管壁平均厚度：插口端9.1 mm,承口端8.5 mm；頂管內(nèi)徑(襯水泥后)平均通徑：插口端300 mm,承口端297.5 mm；頂管重量：理論重量112 kg，實(shí)際重量115.2 kg。

5)頂管推力試驗(yàn)前水壓試驗(yàn)：測(cè)試條件水壓4 MPa，保壓1 min。

6)在液壓油缸直徑300 mm的水壓機(jī)上進(jìn)行對(duì)頂推法蘭的加壓試驗(yàn)。測(cè)試數(shù)據(jù)匯總見表2。

受壓面積S=3.14×0.152=0.07 m2

直管截面積S1=3.14×0.315×0.009=0.009 m2

表2 測(cè)試數(shù)據(jù)匯總

7)測(cè)試原理。壓力機(jī)逐漸加壓形成對(duì)試驗(yàn)管材的推力，測(cè)試頂推法蘭受力數(shù)據(jù)、需要用油缸受壓面積換算(F=P×S)直至達(dá)到《球墨鑄鐵管系統(tǒng)的非開挖應(yīng)用—產(chǎn)品設(shè)計(jì)與安裝》(ISO 13470—2012)及《非開挖鋪設(shè)用球墨鑄鐵管》(YB/T 4564—2016)的要求，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，DN300頂管最小容許頂推力為1 240 kN(F=127 t)

計(jì)算依據(jù)：按標(biāo)準(zhǔn)頂推力(kN)=壓力機(jī)壓力值(MPa)×油缸受力面積(m2)×1000

即：1 239 kN=17.7 MPa×0.07 m2×1 000

工廠實(shí)際試驗(yàn)頂推力是1 610 kN(161 t)，大于標(biāo)準(zhǔn)值，施工頂管施管安全。

7 短頂管施工過(guò)程中的質(zhì)量控制

在施工過(guò)程中特別針對(duì)以下兩點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，以指導(dǎo)安全施工及保護(hù)工程周邊環(huán)境，采取必要的施工保護(hù)措施，確保其安全：①基坑支護(hù)體徑向變形；②地表及路面開裂與下沉。

具體方案如下。

1)基坑施工現(xiàn)場(chǎng)必須組織專職量測(cè)小組。量測(cè)小組在施工單位項(xiàng)目部技術(shù)負(fù)責(zé)人領(lǐng)導(dǎo)下，負(fù)責(zé)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)、日常量測(cè)和數(shù)據(jù)處理等工作，并及時(shí)向主管技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)和部門反饋量測(cè)數(shù)據(jù)。

2)五固定：固定觀測(cè)人員；固定觀測(cè)儀器；固定觀測(cè)水準(zhǔn)尺；固定觀測(cè)路線；固定觀測(cè)方法。

3)每次觀測(cè)之前將儀器露天放置30 min。

4)烈日下觀測(cè)使用觀測(cè)傘，溫差變化較大時(shí)使用儀器罩。

5)常規(guī)水準(zhǔn)觀測(cè)順序?yàn)楹笄扒昂蟆?/p>

6)在線路上預(yù)先測(cè)量距離，水準(zhǔn)儀與水準(zhǔn)尺之間的距離不超過(guò)50 m，分別在水準(zhǔn)尺和水準(zhǔn)儀擺設(shè)處作相應(yīng)標(biāo)志。

7)基坑支護(hù)過(guò)程監(jiān)控測(cè)量。

8 施工應(yīng)急預(yù)案的方針與目標(biāo)

根據(jù)本工程施工特點(diǎn)及地質(zhì)情況，充分考慮到施工技術(shù)難度和困難、不利條件等，經(jīng)多方討論和分析，確定本項(xiàng)目的突發(fā)事件、風(fēng)險(xiǎn)或緊急情況處置方案。

頂管施工主要安全防范重點(diǎn)為：施工過(guò)程中的地下管線破壞、頂管受阻、管道頂裂、土質(zhì)較硬、地下水較大、高處墜落、物體打擊、機(jī)械傷害、起重傷害等。

8.1 地下管線破壞

1)施工前積極與相關(guān)管線單位聯(lián)系，明確工作井及頂管路由位置是否有管線交叉。

2)對(duì)照物探資料，采用管線探測(cè)儀、導(dǎo)向儀等技術(shù)手段，對(duì)施工區(qū)域內(nèi)地下管線進(jìn)行復(fù)測(cè)。

3)工作井及接收井沉井位置與相鄰管線至少保持1 m以上安全距離。

4)施工中如遇地下管線破壞情況，應(yīng)立即停止施工，與管線所屬單位聯(lián)系，積極配合搶修工作。

8.2 管道頂裂

1)原因分析：管材質(zhì)量存在缺陷、頂力過(guò)大超過(guò)管材的破壞強(qiáng)度。

2)預(yù)防措施：管材應(yīng)選擇正規(guī)的生產(chǎn)廠家，有完善的出場(chǎng)證明資料如出場(chǎng)合格證及檢測(cè)報(bào)告。管材進(jìn)場(chǎng)后應(yīng)按規(guī)范要求及時(shí)送檢，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)檢查每節(jié)管的外觀，是否有質(zhì)量缺陷。為有效地減小管道頂進(jìn)時(shí)的阻力，應(yīng)配置減阻劑，在推黑管及推管過(guò)程中，充分打漿，減小摩阻力。

3)應(yīng)急處理措施：在施工中如遇管道頂裂情況，在管道破碎處增設(shè)一座Φ2 090 mm鋼筒沉井，取出破碎管道。

8.3 頂管受阻

管道頂進(jìn)時(shí)如遇大石塊或其他障礙導(dǎo)致推力異常增大，造成頂管受阻情況，應(yīng)使用將機(jī)頭拔出，在接收井中向工作井進(jìn)行施工等方法，直至頂通為止。

8.4 土質(zhì)較硬及地下水較多

施工前，對(duì)照地勘資料，選擇合理的施工方法。對(duì)土質(zhì)較硬的地層，采用出土機(jī)頭二次工法施工，可有效減小頂管阻力，確保成功率。

如遇地下水較大，防止切割出、入土洞口后，土體與水流入工作井，造成工作井周邊塌陷，可采取以下措施：施工前在工作井周邊進(jìn)行壓密注漿或旋噴樁，改善地質(zhì)；在出、入土洞口安裝鏡面框，可有效阻止水土流入工作井。

9 使用案例

球墨鑄鐵管(以下簡(jiǎn)稱“球管”)因其卓越性能被供排水行業(yè)所認(rèn)可，在上海區(qū)域使用了1 m、2 m等各種長(zhǎng)度的球管短頂管，其中1 m長(zhǎng)的球墨短頂管具有：管道鋪設(shè)精度誤差±3 cm；施工占地面積小，工作坑和接收井直徑僅2.6 m；頂進(jìn)速度快，單段施工不超過(guò)兩天，土層越軟施工速度越快等優(yōu)點(diǎn)正在被供排水客戶逐步信賴。上海區(qū)域使用情況如下：長(zhǎng)橋污水處理廠使用DN1000×2 m，臨港新區(qū)農(nóng)污水使用DN300×1 m，寶山區(qū)(月浦鎮(zhèn)盛石路)使用DN300×1 m，寶山區(qū)張華浜污水使用DN600×2 m；2021年8月華翔路首次在自來(lái)水領(lǐng)域使用DN300×1 m短頂管僅用6 h就完成，球墨短頂管安裝簡(jiǎn)便、頂進(jìn)速度快等產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)在充分發(fā)揮出來(lái)，短頂管的應(yīng)用范圍得到新的突破。

10 結(jié) 語(yǔ)

球墨鑄管因其卓越性能被供排水行業(yè)所認(rèn)可，目前已迅速發(fā)展成供排水主流管材。鑄鐵短頂管的開發(fā)應(yīng)用有效解決了整條管線同材質(zhì)、同壽命的問題，從上海地區(qū)已使用的案例看，尤其是2021年8月華翔路首次在全國(guó)自來(lái)水領(lǐng)域使用DN300×1 m短頂管，解決了傳統(tǒng)管材樹脂管頂推力不足，鋼管焊接工藝繁瑣占時(shí)間等問題，效果比傳統(tǒng)使用的樹脂砂、混凝土、鋼管等優(yōu)勢(shì)更明顯，球墨鑄鐵管短頂管承插接口安裝方便，防腐性能強(qiáng)，容許頂推力大，管材到現(xiàn)場(chǎng)后可直接快速安裝，是值得推薦使用的一種管材。

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