長(zhǎng)距離頂管技術(shù)

楊寶國(guó)，尹秋成

（1.河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300251；2.天津市澤寶水泥制品有限公司，天津 301800）

1 長(zhǎng)距離頂管技術(shù)

隨著市政給排水工程施工技術(shù)的發(fā)展，鋼筋混凝土排水管的頂進(jìn)施工越來越受到業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工單位的青睞。頂進(jìn)施工不受地表設(shè)施影響，不僅可以進(jìn)行直線頂進(jìn)，還可以進(jìn)行曲線頂進(jìn)。而且在施工過程中不需開挖明槽，只需在施工段內(nèi)依據(jù)管道走向、施工起始端設(shè)置工作坑，在另一端設(shè)置接收坑，中間加幾個(gè)中繼間，采用頂管機(jī)將管道由工作坑向接受坑方向頂進(jìn)。整個(gè)工程全部在地下進(jìn)行，對(duì)地表建筑物、人文設(shè)施及人們的日常生活沒有影響。頂管的優(yōu)點(diǎn)是大大降低施工費(fèi)用，保護(hù)地表設(shè)施，降低施工難度。但是由于受地質(zhì)條件的影響，各地區(qū)在頂進(jìn)施工距離方面參差不齊，特別是天津地區(qū)，由于是沖積平原，土壤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地基沉降不均，導(dǎo)致施工過程中土壤阻力大，影響單段頂進(jìn)距離。到目前為止，天津地區(qū)的最大頂進(jìn)距離僅為280m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)內(nèi)其他地區(qū)的水平（上海的最大頂進(jìn)距離為2000m）。

影響頂進(jìn)距離的因素有兩方面：

1.1 管道兩端的混凝土強(qiáng)度

在頂進(jìn)過程中管道的兩個(gè)端口是最主要的受力面，由于在施工過程中往往需要糾偏，所以常常會(huì)出現(xiàn)管口崩裂現(xiàn)象，造成無法頂進(jìn)。

1.2 管道被抱死

在頂進(jìn)施工過程中，為減小管壁與土壤的摩擦，需要邊頂進(jìn)邊注漿，注漿孔就設(shè)置在管道的插口端（以頂進(jìn)施工法用預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管為例，管道接口形式如圖1）。注漿孔的位置將直接影響泥漿的分布，泥漿分布不均會(huì)產(chǎn)生抱管現(xiàn)象。

圖1 頂進(jìn)施工法管道接口形式

綜上分析，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離頂進(jìn)，應(yīng)從管口加強(qiáng)和準(zhǔn)確設(shè)置注漿孔的位置著手。

2 管口加強(qiáng)措施

2.1 確定混凝土配合比

本實(shí)驗(yàn)沒有提高混凝土配合比的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，仍然采用符合GB11839—2009《混凝土和鋼筋混凝土排水管》標(biāo)準(zhǔn)要求，頂管的設(shè)計(jì)強(qiáng)度不小于40MPa，本實(shí)驗(yàn)的混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度C50具體配合比如表1，原材料規(guī)格如表2。

表1 混凝土配合比

表2 原材料規(guī)格

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

本實(shí)驗(yàn)采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行，也就是用加強(qiáng)的混凝土試件與不加強(qiáng)的試件進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

2.2.1 中心約束實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)是將提前制作好的寬度分別為40mm和80mm的正方形加強(qiáng)環(huán)放置于立方體試件的中間，如圖2。加強(qiáng)環(huán)的厚度4mm，成型養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期后與不加加強(qiáng)環(huán)的試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度對(duì)比，計(jì)算強(qiáng)度提高系數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3。

圖2 中心約束試件與普通試件

表3 立方體試件中心約束實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì) 單位：MPa

2.2.2 圓柱體試件進(jìn)行兩端約束實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)將提前制作好的外徑150mm，寬30mm和60mm的圓形加強(qiáng)環(huán)放置于圓柱體試件的兩端，如圖3。加強(qiáng)環(huán)厚4mm，成型養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期后，與不加加強(qiáng)環(huán)的試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度對(duì)比，計(jì)算強(qiáng)度提高系數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4。

圖3 兩端約束圓柱體試件與普通圓柱體試件

表4 圓柱體試件兩端約束實(shí)驗(yàn)結(jié)果 單位：MPa

2.2.3 管道模型試件進(jìn)行兩端約束實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用管道模型進(jìn)行管道整體加強(qiáng)性能試驗(yàn)，將提前制作好的外徑150mm，寬30mm和60mm的圓形加強(qiáng)環(huán)放置于模型試件外壁的兩端，如圖4。再將提前制作好的內(nèi)徑80mm，寬30mm和60mm的圓形加強(qiáng)環(huán)放置于模型試件內(nèi)壁的兩端，加強(qiáng)環(huán)厚4mm，成型養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期后，與不加加強(qiáng)環(huán)的試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度對(duì)比，計(jì)算強(qiáng)度提高系數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5。

圖4 兩端約束管道模型、無約束模型、模型圖片

表5 管道模型試件兩端約束實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì) 單位：MPa

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，由于加強(qiáng)環(huán)的存在，約束了混凝土的橫向變形，提高混凝土的承壓能力，其提高比例為150%～190%，而且加強(qiáng)環(huán)的寬度將決定強(qiáng)度提高系數(shù)。

3 注漿孔位置確定

圖1中右側(cè)寬線條即為管道施工時(shí)注漿孔的位置，通過現(xiàn)場(chǎng)考察發(fā)現(xiàn)，注漿孔的位置直接決定了注漿過程中泥漿的分布情況，如果注漿孔全部被承口鋼環(huán)覆蓋，注漿時(shí)，泥漿將會(huì)被密封在承口和插口的縫隙內(nèi)，無法保證管道外壁泥漿充足，將起不到潤(rùn)滑作用；如果注漿孔全部被裸露于承口鋼環(huán)外部，注漿時(shí)，隨著管道的頂進(jìn)，泥漿將呈線狀分布，管道外壁只有部分得到了潤(rùn)滑，潤(rùn)滑效果不佳；只有當(dāng)注漿孔一部分在承口鋼環(huán)內(nèi)部，一部分露在承口鋼環(huán)外部，這樣的潤(rùn)滑效果才是最佳的設(shè)計(jì)方案，通過實(shí)際工程試驗(yàn)得出。注漿孔露出承口鋼環(huán)的最佳比例為注漿孔直徑的1/3。

4 結(jié)語

（1）在管口的內(nèi)外壁增設(shè)加強(qiáng)環(huán)，加強(qiáng)環(huán)的寬度不宜小于管壁厚度的1/2，加強(qiáng)環(huán)的厚底不宜小于4mm，這樣管道所承受的定力增加50%以上，相應(yīng)的頂級(jí)距離增加了50%。

（2）管子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要充分考慮注漿孔的位置，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)注漿孔露出承口鋼環(huán)1/3為最佳位置，這樣才能保證管道在頂進(jìn)過程中充分潤(rùn)滑，進(jìn)而減小摩擦阻力，增加頂進(jìn)距離。

［1］GB11839—2009，混凝土和鋼筋混凝土排水管［S］.

［2］GB1596 —2005，用于水泥和混凝土中的粉煤灰［S］.

［3］JCT640—1996，頂進(jìn)施工法用鋼筋混凝土排水管［S］.

［4］張耀春，曹寶珠.軸心受壓薄壁圓鋼管混凝土柱臨界徑厚比的確定［J］.工程力學(xué),2005,22（1）:170-174.

［5］韓林海，楊有福.現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

［6］GB/T50081—2002，普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法［S］.