頂管施工在市政排水工程的應(yīng)用

摘要：本文主要針對(duì)頂管施工在市政排水工程的應(yīng)用展開了探討，結(jié)合了具體的工程實(shí)例，簡(jiǎn)述了頂管施工工藝，對(duì)工作井的設(shè)計(jì)施工和頂管施工方法作了系統(tǒng)的分析，以期能為有關(guān)方面的需要提供有益的參考借鑒。

關(guān)鍵詞：市政排水工程；頂管施工；應(yīng)用

頂管施工技術(shù)是市政工程中的一種非開挖技術(shù)，由于不用開挖地面，能穿越公路、鐵路、河流，甚至可以穿過建筑物下，是一種安全、高效、環(huán)保、便捷的市政工程施工方法，不但大大降低了城市的交通、噪音、粉塵的危害，而且減少了市政工程施工的周期和建設(shè)投資，是一種環(huán)境污染小、施工效率高的現(xiàn)代化施工手段和技術(shù)，在國(guó)外和國(guó)內(nèi)市政排水工程中都得到了廣泛應(yīng)用。

1 工程概況

某排水工程全長(zhǎng)507.42m，自城市道路下穿隧道下方通過，同時(shí)該下穿隧道臉側(cè)輔道內(nèi)的管線極為復(fù)雜。綜合考慮各種因素設(shè)計(jì)對(duì)北支渠路段采用了頂管施工，頂管的施工就是為兩排C50鋼筋混凝土平口管。根據(jù)地勘各種資料顯示，地質(zhì)的結(jié)構(gòu)自上而下依次為：人工填土層（包括雜填土、素填土）厚度0～5.1m；沖積層（包括砂層、卵石層）厚度地面下5.1～17.9m。頂管工程施工穿越松散、稍密卵石地層。地下水位埋深8m左右。

2 頂管施工工藝

頂管施工擬劃分為三大施工階段，各階段劃分、控制重點(diǎn)和部署如下：

（1）第一階段：準(zhǔn)備階段，包括技術(shù)準(zhǔn)備、物資及材料準(zhǔn)備、人員準(zhǔn)備；

（2）第二階段：工作井、接收井、導(dǎo)軌制安、千斤頂就位等施工階段；

（3）第三階段：頂管頂進(jìn)施工階段；

3工作井設(shè)計(jì)及施工

3.1 工作井設(shè)置及尺寸確定

北支渠設(shè)一個(gè)工作井及一個(gè)接收井，工作井頂管施工結(jié)束后改造為Y8檢查井；接收井頂管施工結(jié)束后改造Y9檢查井。

3.1.1 工作井的最小寬度要求

計(jì)算公式：B=D1+2b；

式中：B—工作井寬度（m）；D1—頂進(jìn)圓管的外徑，2.4m；b—導(dǎo)向支架兩側(cè)的工作寬度，b值取1.0m。由于該頂管為雙排，圓管凈間距3m，則B=2.4×2+3.0+2×1.0=9.8m，工作井的最小凈寬度9.8m。

3.1.2 工作井的最小長(zhǎng)度要求

計(jì)算公式：L=L1+L2+L3+L4+L5

式中：L—工作井的長(zhǎng)度（m）；L1—圓管頂進(jìn)后，頂管管節(jié)留出的長(zhǎng)度取0.5m；L2—管節(jié)長(zhǎng)度，2m；L3—千斤頂長(zhǎng)度，1.5m；L4—后背墻厚度，0.4m；L5—取土工作長(zhǎng)度，0.6m；L=0.5+2.0+1.5+0.4+0.6=5m，工作井最小凈長(zhǎng)度為5m。

3.1.3 工作井平面尺寸確定

北支渠頂管工作井是利用檢查井改造使用，原設(shè)計(jì)尺寸無(wú)法滿足頂管尺寸要求。改造后凈空尺寸長(zhǎng)度為5m，寬度為10.2m。滿足最小尺寸要求。

3.1.4 工作井深度確定

工作井底板標(biāo)高481.392，管道內(nèi)標(biāo)高為481.892，管道與底板之間凈間距為30cm，滿足導(dǎo)軌安裝所需要的高度。原地面標(biāo)高為489.892，故工作井深度為8.5m。

3.2 工作井施工

工作井開挖前，須按照設(shè)計(jì)點(diǎn)位布設(shè)降水井，采用管井法降水。

工作井、接收井支護(hù)采用圍護(hù)樁及掛網(wǎng)噴錨防護(hù)。圍護(hù)樁采用C30砼，樁徑1.0m，樁中心間距安照?qǐng)D紙施作。樁間護(hù)壁鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)片，鋼筋網(wǎng)為Φ8@15*15cm，樁間連接采用Φ16加強(qiáng)筋，植入樁身16cm深，間距為@150cm，北支渠頂管工作井、接收井基礎(chǔ)施作為10cm厚C15墊層砼+40cm厚C30鋼筋砼。后背墻為40cm厚C30鋼筋砼。工作井?dāng)嗝鎴D見圖1所示。

圖1工作斷面圖

4 頂管施工方法

4.1力學(xué)計(jì)算

（1）頂管參數(shù)。北支渠頂管工程管道埋深平均在8.1m，管外徑2.4m，內(nèi)徑2.0m，管壁厚0.2m，砼強(qiáng)度C50，管節(jié)長(zhǎng)2m，單頂程為68.031m。

（2）頂管頂進(jìn)力的計(jì)算。按照《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》GB50268—2008（6.3.4節(jié)）公式計(jì)算。頂進(jìn)阻力計(jì)算公式：Fp=πD0Lfk+NF=3.1416×2.4×68.031×16=8207.09KN=820.7T

式中：Fp=頂進(jìn)阻力（KN）；D0—管道的外徑，2.4m；L—管道實(shí)際頂進(jìn)長(zhǎng)度，62.781m；Fk—管道外壁與土的單位面積平均摩阻力，根據(jù)地質(zhì)情況描述及不確定因素并結(jié)合規(guī)范要求按中選用最大值16kN/m2。NF—迎面阻力，頂管前挖土取值為0KN。

（3）管道允許頂力。

允許頂力計(jì)算公式為

管道允許頂力（管材混凝土強(qiáng)度=C50時(shí)）；式中：FD—允許頂力（t）；σS—混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)，50MPa；AS—工作面積，1382300mm2；K—安全系數(shù)，取3。

其中AS計(jì)算公式為

式中：DW—管材外徑2400mm；D—管材內(nèi)徑2000mm；代入數(shù)值得：C50管材允許最大頂力為2303.8t。

（4）主頂?shù)倪x擇。通過頂力計(jì)算及考慮地下工程的復(fù)雜性及不可預(yù)見因素，頂管設(shè)備取1.5倍左右的儲(chǔ)備頂力，因管道的頂力為820.7t，故設(shè)備頂進(jìn)應(yīng)力，取F=820.7t×1.5=1231.05t，考慮選用2個(gè)千斤頂作為單管頂進(jìn)動(dòng)力設(shè)備，每個(gè)千斤頂?shù)捻斄?30t。

（5）經(jīng)過驗(yàn)算及現(xiàn)場(chǎng)尺寸量測(cè)選定主頂千斤頂對(duì)稱布置2個(gè)，每個(gè)千斤頂?shù)捻斄Υ_定為630t。每臺(tái)千斤頂規(guī)格一致，行程同步，油路并聯(lián)，共同作用，均備有獨(dú)立的控制閥。

4.2 導(dǎo)軌安裝

導(dǎo)軌是由兩道平行的鋼軌構(gòu)成，主要作用是使推進(jìn)管在工作井中有一個(gè)穩(wěn)定的導(dǎo)向，并使推進(jìn)管沿該導(dǎo)向進(jìn)入土體。本工程導(dǎo)軌采用38kg/m鋼軌，軌底與型鋼焊接成一體，安裝時(shí)和工作井底板預(yù)埋鋼板焊牢，并用型鋼支撐或用砼圍牢。導(dǎo)軌安裝前要先復(fù)核管道中心位置，確保導(dǎo)軌的高程、軸線位置準(zhǔn)確。導(dǎo)軌定位必須穩(wěn)固、正確，在頂進(jìn)中承受各種負(fù)荷時(shí)不位移、部變形、部沉降。

4.3 千斤頂安裝

頂管采用2臺(tái)630t等推力油缸，油缸行程為60cm，總推力為1260t，2只油缸固定在拼裝式油缸架上，下井時(shí)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位置準(zhǔn)確，保證油缸受力

點(diǎn)的位置準(zhǔn)確，其高程和平面安裝誤差控制在3mm以內(nèi)。主頂設(shè)備主要由主頂千斤頂、組合千斤頂架、液壓動(dòng)力泵站及管閥、頂鐵組成。主要設(shè)備的安裝、使用應(yīng)符合有關(guān)規(guī)范及施工規(guī)定。

4.4 頂管頂進(jìn)施工

工作坑內(nèi)設(shè)備安裝完畢，經(jīng)檢查各部處于良好狀態(tài)，即可進(jìn)行開挖和頂進(jìn)。因頂管是兩根平行管，為避免干擾，施工時(shí)先頂進(jìn)一根，待施作完成后，再頂進(jìn)另一根。

首先將管子下到導(dǎo)軌上，就位以后，裝好頂鐵，檢測(cè)管軸線和管底標(biāo)高是否符合設(shè)計(jì)要求，合格后即可進(jìn)行管前端挖土。

頂進(jìn)利用千斤頂出鎬，在后背墻滿足頂管最大頂力不動(dòng)的情況下，將圓管向前頂進(jìn)。頂進(jìn)操作過程為：安裝好頂鐵擠牢，管前端已一定長(zhǎng)度后，啟動(dòng)油泵，千斤頂進(jìn)油，活塞伸出一個(gè)工作行程，將管子推向一定距離。停止油泵，打開控制閥，千斤頂回油，活塞回縮。添加頂鐵，重復(fù)上述操作，頂管進(jìn)至離坑邊還有50cm左右時(shí)，應(yīng)立即卸管，進(jìn)行下一節(jié)管子安裝。重新裝好頂鐵，重復(fù)上述操作。

4.5 測(cè)量與糾偏校正

（1）頂管測(cè)量。頂管測(cè)量采用激光線測(cè)設(shè)法控制測(cè)量。用激光經(jīng)緯儀（激光束導(dǎo)向）安裝在工作坑內(nèi)，并按照管線設(shè)計(jì)的坡度和方向調(diào)整好，同時(shí)在管內(nèi)裝上標(biāo)示牌，當(dāng)頂進(jìn)的管道與設(shè)計(jì)位置一致時(shí)，激光點(diǎn)即可射到標(biāo)示牌中心，說(shuō)明頂進(jìn)質(zhì)量無(wú)偏差，否則根據(jù)偏差量進(jìn)行校正。

（2）糾偏校正。頂管偏差校正以預(yù)防為主，不能等到產(chǎn)生明顯超差時(shí)地進(jìn)行校正。頂進(jìn)中發(fā)現(xiàn)管位偏差10mm左右，即應(yīng)進(jìn)行校正，糾偏校正應(yīng)緩緩進(jìn)行，采用小角度、頂進(jìn)中逐漸糾偏，使管子逐漸復(fù)位，不得猛糾硬調(diào)。具體糾偏可以采用以下幾種方法：①挖土校正法；

②強(qiáng)制校正法；③襯墊校正法。

4.6 管道接口處理方法

管道接頭應(yīng)保證對(duì)管道導(dǎo)向環(huán)的充分固定接口處理：由于頂管的管材為平型接口，頂管完畢后，對(duì)于管與管之間的縫隙，采用環(huán)氧泥砂漿壓實(shí)填抹。如果管道頂進(jìn)完成后的壓力試驗(yàn)導(dǎo)致管道泄漏，應(yīng)在管道內(nèi)部安裝一個(gè)密封環(huán)，然后還應(yīng)進(jìn)行接口的防水測(cè)試。

4.7 管道裂縫處理方法

在頂進(jìn)過程中，管道因受力不均產(chǎn)生的裂縫，需進(jìn)行處理。細(xì)微裂縫采用環(huán)氧砂漿進(jìn)行填縫處理，明顯裂縫采用摻有鋁粉的砂漿填縫處理。

4.8 照明及通訊

工作面內(nèi)采用12V安全電壓照明，電線沿管道內(nèi)壁敷設(shè)，采用防水型燈泡。

為保證井上人員和井下人員的聯(lián)絡(luò)，及時(shí)反饋施工的進(jìn)展和遇到的問題，井上和井下人員配備對(duì)講機(jī)。

4.9 通風(fēng)

采用鼓風(fēng)機(jī)通過通風(fēng)管進(jìn)行送風(fēng)，抽風(fēng)機(jī)抽風(fēng)，使操作空間行程循環(huán)風(fēng)。

風(fēng)量的計(jì)算：

（1）按洞內(nèi)同時(shí)工作的最多人數(shù)計(jì)算：

Q=k*m*q

式中：Q為所需風(fēng)量，m3/min；K為風(fēng)量備用常用系數(shù)，常取k=1.1-1.2；M為洞內(nèi)同時(shí)工作的最多人數(shù)；Q為洞內(nèi)每人每分鐘需要新鮮空氣量，通常按3m3/min。

現(xiàn)管內(nèi)有五人工作，二人開挖，三人負(fù)責(zé)運(yùn)余泥，取k=1.1，m=5，則有Q=k*m*q=1.1*5*3=16.5m3/min。

（2）漏風(fēng)計(jì)算。Q供=P*Q，式中：Q為計(jì)算風(fēng)量；P為漏風(fēng)系數(shù)，每百米漏風(fēng)率一般可控制在2%以下，取P=1.02。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，頂管施工是一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)過程，它涉及材料力學(xué)、巖土力學(xué)、流體力學(xué)、彈塑性力學(xué)等諸多學(xué)科。因此，在市政排水工程中，我們需要加大對(duì)頂管施工工藝的探究，提升工程建設(shè)質(zhì)量，從而為城市的建設(shè)取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

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