頂管施工技術(shù)在市政工程中的應(yīng)用

王炎偉　魏青周

【摘 要】頂管工程是非開挖敷設(shè)管線技術(shù)。當(dāng)工程施工遇見公路、鐵路、河流或者主要構(gòu)筑物時均可采用該項技術(shù)。它可有效地解決大面積開挖給交通和市民帶來的不便。

【關(guān)鍵詞】頂管；施工工藝；構(gòu)筑物

0.工程概況

本工程紅線寬度為20m，行駛重型車輛比較多。污水管全長120m，橫穿立交橋下和兩側(cè)副道，采用頂管施工。污水管為雨污合流，采用鋼筋混凝土管，管徑為Φ1200，管道外直徑Φ1440，管長2.0m/節(jié)。平均埋深為4.8m。為減少土方開挖，擬在檢查井處設(shè)置工作井和接收井。該場地地層以雜填土、粉質(zhì)黏土和粉砂為主。所穿越位置并無其他管線敷設(shè)。

1.頂管施工工藝

工程施工原理是在管道的沿線按設(shè)計的方案設(shè)置工作井和接收井，工作井內(nèi)設(shè)置堅固的后座，吊進油壓千斤頂以及要頂進的混凝土管，接好照明、油管等管線， 然后用油壓千斤頂緩慢頂進，通過人工開挖方式，將混凝土管頂進至接收井內(nèi)。

2.后背結(jié)構(gòu)及抗力計算

后背作為千斤頂?shù)闹谓Y(jié)構(gòu)，要有足夠的強度和剛度，且壓縮變形要均勻。所以，應(yīng)進行強度和穩(wěn)定性計算。本工程采用現(xiàn)澆整體式后座墻組合鋼板結(jié)構(gòu)，這種后背安裝方便，安裝時應(yīng)滿足下列要求：使用千斤頂?shù)闹χ行母叨炔恍∮诤蟊掣叨鹊?/3。

2.1頂力計算

推力的理論計算：（以Φ1200mm計算）

F=F1+F2 （1）

式中F1——迎面阻力；

F2——頂進阻力

F1=π/4×D×2×P （2）

式中D——管外徑1.44m；

P——控制土壓力

P=Ko×γ×Ho （3）

式中Ko——靜止土壓力系數(shù)，一般取0.55；

Ho——地面至掘進機中心的厚度，取最大值4.5m；

γ——土的濕重量，取1.9t/m3。

本工程中，P=0.55×1.9×4.5=4.70t/m2

F1=3.14/4×1.44×2×4.70=10.63t

F2=πD×f×L （4）

式中f——管外表面平均（根據(jù)頂進距離平均淤泥土）綜合摩阻力，取1.6t/m2

D——管外徑1.44m；

L——頂距，取值60m。

F2=3.14×1.44×1.6×60=434.07t。

因此，總推力F=10.63+434.07=444.7t。根據(jù)總推力、工作井所能承受的最大頂力及管材軸向允許推力比較后，取最小值作為油缸的總推力。

2.2后背的計算

后背在頂力作用下，產(chǎn)生壓縮，壓縮方向與頂力作用方向一致。當(dāng)停止頂進，頂力消失，壓縮變形隨之消失。這種彈性變形是正常的，頂管中，后背不應(yīng)當(dāng)破壞，產(chǎn)生不允許的壓縮變形。后背不允許出現(xiàn)上下或左右的不均勻壓縮。為了保證頂進質(zhì)量和施工案例，施工時應(yīng)對后背的強度和剛度計算。

后背受力計算公式

R=aB（rH2KP/2+2ChK1/2P+rhHKP） （5）

式中R——總推力之反力（一般大于推力的1.2～1.6）；

a——系數(shù)（取1.5～2.5之間），此處取2；

B——后座墻的寬度（m）此處取1m；

r——土的容重（kN/m3）；

H——后座墻的高度（m），此處取1m；

KP——被動土壓系數(shù)tan2（45°+φ/2）；

C——土的內(nèi)聚力（kPa），一般情況下取10；

h——地面到后座墻頂部土體的高度（m），此處取4m。

按上式計算，工作井后背加護套后能承受534t。頂力大于實際頂力444.7t，完全能滿足要求。

3.施工方法

3.1測量放線

根據(jù)規(guī)劃施工，先用經(jīng)緯儀在現(xiàn)場地面上準(zhǔn)確布設(shè)臨時水準(zhǔn)點并放出管道鋪設(shè)的中線控制樁，控制樁必須保護好，待工作坑挖好后，再用經(jīng)緯儀將管道中線控制樁引至工作坑保護好，確保施工使用時管道中線的準(zhǔn)確度。

3.2工作坑設(shè)置

根據(jù)施工圖設(shè)計基礎(chǔ)，采取檢查井所在位置設(shè)置工作坑，避免修筑檢查井時重復(fù)開挖，且檢查井間距70m，符合一次性頂進施工要求。工作坑底部為矩形，坑底尺寸為7m（長度）×4m（寬度），高度H為5.2m（根據(jù)污水管道設(shè)計埋深確定）。本次頂管方案擬采用雙向頂進的方法進行施工，即在同一直線上，頂管機在工作坑內(nèi)，頂完一個方向（兩檢查井間的距離），調(diào)頭再頂另一段，形成工作坑和接收坑交替施工。

3.3工作坑開挖、支撐和防護

工作坑挖土采用機械開挖，并與人工配合操作。土方開挖前先做好定位放線工作。首先開挖上層土，采取從上往下逐層開挖的方式，嚴(yán)格遵循“分層開挖、嚴(yán)禁超挖”及“大基坑小開挖”的原則。工作坑邊不堆積棄土，不堆放建筑材料、機械、水泥罐及行車。盡量減少基槽邊外部荷載。頂部采用半封閉式，僅留下管和出土口，以確保工作坑內(nèi)施工安全。井口周圍設(shè)防水墻，以防地表水流入坑內(nèi)，同時設(shè)置1m高的鋼管護攔。為防止工作坑坡面坍塌，坑壁采用20mm厚木板、鋼管支撐，滿鋪支護處理。工作坑挖掘支護完成后，立即進行圍擋，并設(shè)立醒目施工安全警示標(biāo)志。

3.4頂進施工

（1）開始頂進前檢查全部設(shè)備并試運轉(zhuǎn)；保證工具管在導(dǎo)軌上的中心線、坡度和高程符合規(guī)范規(guī)定。采取一定措施以防止流動性土或地下水由洞口進入工作坑。頂管時，封門拆除后將工具管立即頂入土層。

（2）該工程采用手工掘進頂管法，工具管接觸或切入土層后，自上而下分層開挖，工具管斷面的超挖量應(yīng)根據(jù)土質(zhì)條件確定。該土層比較穩(wěn)定，正常頂進時，管下部135°范圍內(nèi)不進行超挖；管頂以上超挖量小于1.5cm；管前超挖根據(jù)具體情況確定，并制定了安全保護措施。

（3）頂進設(shè)備準(zhǔn)備：基座是為頂管機提供推進反力，安裝要堅固，在承受各種負載的情況下，都能保持不位移、不變形、不沉降。導(dǎo)軌采用38kg/m鋼軌，軌底和型鋼焊接成一體。該工程主頂系統(tǒng)采用1臺500t雙沖程等推力油缸。油缸行程500mm，總推力為500t。油缸固定在拼裝式油缸架上，下井時整體吊裝。安裝在油缸架上的油缸中心誤差控制在3mm以內(nèi)。主頂油缸架安裝也要定位準(zhǔn)確，保證油缸受力點的位置正確，其高程和平面安裝誤差應(yīng)控制在3mm以內(nèi)。起重設(shè)備和頂進設(shè)備按照施工要求安裝。

3.5頂管施工

該工程采用手工掘進，工具管進入土層過程中，經(jīng)常對頂進軸線進行測量，檢查頂進軸線是否和設(shè)計軸線相吻合。在正常情況下，每頂進一節(jié)混凝土管測量1次，在出洞、糾偏、到達終點前，適當(dāng)增加測量次數(shù)。施工時還要經(jīng)常對測量控制點進行復(fù)測，以保證測量的精度。 另外，指示軸線在頂進工程中，利用聯(lián)系三角形法定期進行復(fù)測，以保證整個頂進軸線的一致性。頂進開始時緩慢進行，待各接觸部位密合后，再按正常頂進速度頂進；頂進中若發(fā)現(xiàn)油壓突然增高，立即停止頂進，檢查原因并經(jīng)處理后方可繼續(xù)頂進；千斤頂活塞退回時，油壓不得過大，速度不得過快。在實際頂進中，頂進軸線和設(shè)計軸線經(jīng)常發(fā)生偏差，為了使管道按照設(shè)計要求的高程和方向頂進，在頂進過程中要不斷對工具管的高程方向進行測量，“勤測勤糾”，根據(jù)測量反饋結(jié)果，調(diào)整糾偏千斤頂，改變方向，從而實現(xiàn)頂進方向的控制，確保管道按設(shè)計軸線頂進。糾偏貫穿頂進施工的全過程，盡量做到糾偏在偏位發(fā)生的萌芽階段。

3.6接口處理

對管道的設(shè)置位置、標(biāo)高進行檢查，確認無誤后，才進行各個混凝土管接口處理。接口是管道的薄弱環(huán)節(jié)，易發(fā)生滲漏，若管接口施工質(zhì)量差，管道接口在外力作用下容易產(chǎn)生開裂。 混凝土管表面應(yīng)光潔、平整，無砂眼、氣泡，接口尺寸符合設(shè)計規(guī)定，接口應(yīng)保持清潔無油污，接口防水采用“V”形切口，用純水泥砂漿對管進行處理，再用1∶2水泥砂漿對切口進行封抹，最后采用樹脂漆和玻璃纖維進行兩次封堵，直到達到閉水要求。

4.結(jié)語

本工程采用此項技術(shù)，有效地解決了大面積開挖施工造成的不便，具備科學(xué)性、合理性、可行性。由此，在管道工程施工遇到公路、鐵路、河流或者主要構(gòu)筑物時，本項技術(shù)均可方便適用。

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