PCCP頂管中繼間裝置接力頂進(jìn)施工技術(shù)

□ 李 威（河南水利建筑工程有限公司）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程中城區(qū)配套基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，涉及城區(qū)段輸水管線由于受到城市原有基礎(chǔ)設(shè)施等限制，頂管施工法已成為當(dāng)今城市隧道與供水配套工程中不可缺少的一種施工方法。PCCP是預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe）的簡(jiǎn)稱，其作為一種兼有傳統(tǒng)混凝土管和鋼管各自特性的復(fù)合新型剛性管材，具有耐高壓、密封好、壽命長(zhǎng)、抗震強(qiáng)、施工快捷等優(yōu)良特性。PCCP管作為一種新型管材愈加廣泛地應(yīng)用到城市輸水管線頂管施工中。

頂管法施工由于頂進(jìn)距離長(zhǎng)，中繼間是長(zhǎng)距離和超長(zhǎng)距離頂管施工的關(guān)鍵裝置,它是分段克服摩阻力的一種施工技術(shù),通過(guò)將管道分成數(shù)段,分段向前推頂,使主千斤頂?shù)捻斄Ψ稚?總頂力等于各分頂力之和,并使每段管道的頂力降低到允許頂力范圍內(nèi)的一種裝置。

文章結(jié)合工程實(shí)際，有針對(duì)性地對(duì)中繼間裝置進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，對(duì)在南水北調(diào)城市配套供水頂管施工中的施工技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行探討研究。

1 工程總體概況

南水北調(diào)配套工程鄭州城區(qū)供水段施工7標(biāo)段位于北三環(huán)主干道南側(cè)沿線，輸水線路總長(zhǎng)5650m，輸水管道內(nèi)徑為1.80m，管材為PCCP管。其中樁號(hào)BM12+742～BM17+603段為長(zhǎng)距離頂管施工，總長(zhǎng)4809m，共分14段，設(shè)14座工作井，包括7座頂管工作井和7座接收井（管道終點(diǎn)除外），最長(zhǎng)頂進(jìn)距離680m。頂管施工分別穿越北三環(huán)、南陽(yáng)路立交、豐慶路、文化路、東風(fēng)渠等重要路段，沿線地層巖性分布基本穩(wěn)定，地層結(jié)構(gòu)類型主要為粘砂多層結(jié)構(gòu)。

2 中繼間設(shè)計(jì)改進(jìn)

2.1 設(shè)計(jì)選型

根據(jù)本工程施工特點(diǎn)、管道類型和質(zhì)量要求，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)頂進(jìn)設(shè)備、施工工藝及地質(zhì)條件，確定采用特殊加工的可拆卸組合式中繼間裝置。

2.2 特殊改進(jìn)

中繼間由前端管組件、后端管組件、油缸靠背支架、中繼間油缸、O型均壓頂環(huán)、中繼間大鋼套等六部分組成，為采用計(jì)算機(jī)聯(lián)動(dòng)控制的新型可拆除組合式中繼間結(jié)構(gòu)型式。中繼間拆除后按設(shè)計(jì)要求仍將PCCP管承插口閉合，前段頂管到位后將其后的中繼間組件拆下，密封中繼間鋼套筒上的安裝孔，并利用主千斤頂或后面的中繼間千斤頂將后根頂管繼續(xù)頂進(jìn)，以填充原中繼間所占有的空間。此種PCCP管道中繼間裝置可有效地保證頂管的施工質(zhì)量，提高頂進(jìn)速度，很大程度上提升了施工功效并保證施工質(zhì)量。其特點(diǎn)有：

第一，中繼間主體結(jié)構(gòu)由前、后端管組件兩節(jié)PCCP管和鋼套環(huán)體組成，前端管組件（長(zhǎng)1.49m）、后端管組件（長(zhǎng)1.78m）采用特殊加工PCCP管形式，頂管結(jié)束后前、后端管組件合攏。

第二，中繼間環(huán)體采用徑向可調(diào)密封形式大鋼套，環(huán)體止水密封部位摩損極大（由于每個(gè)中繼間的一伸一縮，每個(gè)止水圈的受摩擦距離是該止水圈最終到達(dá)距離的2倍），故采用“雙凹槽雙條密封技術(shù)”，即在其前端管組件的尾部和后端管組件的首部分別設(shè)有兩道O型凹槽套設(shè)橡膠密封圈，其中有一道密封圈可在常壓下及時(shí)更換，中繼間橡膠圈選用耐磨且彈性好的空心氯丁橡膠密封圈。

第三，油缸靠背支架為分片組裝結(jié)構(gòu)，由4片弧形板通過(guò)高強(qiáng)螺栓組成一個(gè)整環(huán)，圓環(huán)上均布20只320 kN中繼間千斤頂油缸，總推力控制在6000 kN，油缸行程為300mm。油缸靠背支架作為工程中繼間油缸的固定支架，支架為環(huán)狀鋼結(jié)構(gòu)，支架上均勻分布若干個(gè)圓孔，中繼間液壓油缸安裝在圓孔內(nèi)；中繼間液壓油缸與油缸靠背支架通過(guò)高強(qiáng)螺栓聯(lián)接,方便拆卸。

第四，由于PCCP為預(yù)應(yīng)力壓力管道，較普通混凝土管道壁薄，頂力無(wú)法完全施加，并會(huì)造成受力不均，極易對(duì)PCCP管形成破壞，通過(guò)在油缸靠背支架背面與后端管組件的首端分別設(shè)置O型均壓頂環(huán)實(shí)現(xiàn)這一目的。O型均壓頂環(huán)為分片組裝結(jié)構(gòu)，由8片中空弧形板通過(guò)高強(qiáng)螺栓組成一個(gè)整環(huán)，各分片內(nèi)側(cè)和接頭處設(shè)置加勁肋板。

3 中繼間設(shè)置計(jì)算

3.1 最長(zhǎng)頂進(jìn)距離計(jì)算

Dn1800mm PCCP管道的最長(zhǎng)頂進(jìn)距離按照下式進(jìn)行反算：(《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》CEC5246：2008)

式中：F0—總頂力（kN）根據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的管材最大頂力F0=600 T，按 90%考慮 540 T；NF—頂進(jìn)阻力（kN）；f—管外表面綜合摩阻力系數(shù),取 0.40 t/m2；D—管外徑（為2.16m）；L—頂距（m）。

其中：D—管外徑2.16m；

P—控制土壓力（P=KO×γ×HO）；

式中：KO—靜止土壓力系數(shù)，取0.55；HO—覆蓋土層厚度(m)，取最大值8.60m；γ—土的濕重量，取1.90 t/m3。

P=0.55×1.9×8.6=8.99 t/m3；

F1=3.14/4×（2.16）2×8.99=32.93 T；

F-NF=πD×f×L；540-32.93=3.14×2.16×0.4×L。

根據(jù)公式計(jì)算出最長(zhǎng)頂進(jìn)距離L=186m，因此，頂進(jìn)180m PCCP管道，不需設(shè)中繼間進(jìn)行接力頂進(jìn)。

3.2 中繼間數(shù)量計(jì)算

根據(jù)上述最長(zhǎng)頂進(jìn)距離估算，每個(gè)頂程均需要設(shè)置中繼間。中繼間數(shù)量計(jì)算公式如下：

n=π×D1×fk×(L+50)/(0.7×f0)-1

式中：n—中繼間數(shù)量（取整數(shù)）；f0—中繼間允許頂力(kN)。

本工程擬采用20只320 kN油缸為一個(gè)中繼站，總推力控制在6000 kN?？偨Y(jié)工程經(jīng)驗(yàn),結(jié)合對(duì)實(shí)際頂力的分析，第一個(gè)中繼間加設(shè)位置宜按中繼間設(shè)計(jì)頂力的50%時(shí)安放第一個(gè)中繼間,其余中繼間的間隔宜按中繼間設(shè)計(jì)頂力的70%時(shí)布置。

根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，隨著頂進(jìn)的深入，泥漿潤(rùn)滑套逐漸形成，摩阻力逐漸減小，頂進(jìn)阻力逐漸減少；經(jīng)過(guò)計(jì)算和初步分析，每段頂管需安裝中繼間布置間距如表1所示：

表1 中繼間布置間距分析表

4 施工要點(diǎn)

4.1 工藝流程

施工準(zhǔn)備→頂管穿墻頂進(jìn)→下放標(biāo)準(zhǔn)管、接管→中繼間裝置安裝→中繼間頂進(jìn)（油缸行程300mm）→主頂油缸使中繼間合攏→重復(fù)頂進(jìn)、合攏動(dòng)作→下標(biāo)準(zhǔn)管、接口安裝→分段頂進(jìn)、合攏中繼間→頂管出洞→依次拆除中繼間裝置→直至全段頂進(jìn)合攏。

4.2 控制要點(diǎn)

通過(guò)本工程的應(yīng)用，在中繼間的設(shè)置和應(yīng)用上主要有兩個(gè)關(guān)鍵控制點(diǎn)值得注意。一是注漿減摩的好壞直接影響到頂管正常施工，采取相應(yīng)減摩控制措施完全可以使實(shí)際摩阻力降低，有利于中繼間和頂管頂進(jìn)。二是軸線控制的好壞直接影響到中繼間的布置，測(cè)量控制的好，則相鄰中繼間距離可適當(dāng)增大；反之則需要減小。

4.2.1 注漿減摩控制

為保證形成良好的泥漿套，頂管機(jī)頭后6節(jié)注漿孔采用單獨(dú)管路進(jìn)行壓漿；每個(gè)中繼間處均布置注漿孔，每個(gè)注漿斷面采用1寸軟管連接。每個(gè)注漿孔設(shè)置1個(gè)25.40mm球閥，每組注漿孔設(shè)置1個(gè)總閥門。為保證泥漿套的形成，每50m在壓漿孔上布置一個(gè)自行設(shè)計(jì)定制的漿液監(jiān)察孔，漿液監(jiān)察孔上安裝監(jiān)察計(jì)，并隨時(shí)進(jìn)行監(jiān)察，以實(shí)現(xiàn)漿液平衡，優(yōu)化注漿，注漿過(guò)程中需對(duì)監(jiān)察孔及時(shí)跟蹤觀察。

在頂進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)壓漿環(huán)管向節(jié)外壁壓注一定量的減摩泥漿，采用多點(diǎn)對(duì)稱壓注使泥漿均勻地填充在管節(jié)外壁和周圍土體間的空隙以減少摩阻力。頂進(jìn)時(shí)摩阻力降到0.25～0.30 t/m2較低范圍，較好起到降低頂進(jìn)阻力的效果。

4.2.2 測(cè)量控制

測(cè)量是使頂管機(jī)沿設(shè)計(jì)軸線頂進(jìn)，保證頂管機(jī)頂進(jìn)方向精確度的前提和基礎(chǔ)。由全站儀、激光經(jīng)緯儀、激光導(dǎo)向系統(tǒng)(RSG)、光靶傳感器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成測(cè)量系統(tǒng)。

施工前首先完成對(duì)業(yè)主所給測(cè)區(qū)導(dǎo)線網(wǎng)與水準(zhǔn)網(wǎng)及其它控制點(diǎn)的檢核，保證工程的測(cè)量精度。施工過(guò)程中對(duì)每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)和中繼間頂進(jìn)、合攏后進(jìn)行測(cè)量，并定期、定距離進(jìn)行復(fù)核測(cè)量糾偏。

在頂管機(jī)上配備激光導(dǎo)向系統(tǒng)指導(dǎo)頂管頂進(jìn)，使用自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，操作人員在控制室內(nèi)通過(guò)控制系統(tǒng)修正頂管姿態(tài)偏差，以降低人工測(cè)量的誤差和勞動(dòng)強(qiáng)度，加快施工進(jìn)度。

同時(shí)，測(cè)量時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)與人工監(jiān)測(cè)相互糾正，以進(jìn)一步提高頂管姿態(tài)監(jiān)測(cè)的精度。

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合在南水北調(diào)配套工程城市供水項(xiàng)目工程實(shí)踐，設(shè)計(jì)改進(jìn)了PCCP管可拆卸組合式中繼間裝置，其拆裝便捷、可靠性高、成本較低，克服了傳統(tǒng)型中繼間密封性差、須防腐處理等通病，達(dá)到了較好的實(shí)施效果。鑒于此類中繼間的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，可在PCCP頂管工程中借鑒應(yīng)用。

[1]葛春輝.頂管工程設(shè)計(jì)與施工[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.