頂管施工技術(shù)在市政排水工程中的應(yīng)用及計(jì)算

李 旭 東

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都　610081)

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頂管施工技術(shù)在市政排水工程中的應(yīng)用及計(jì)算

李 旭 東

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都610081)

摘要：市政工程管道施工所處的工程條件、環(huán)境條件復(fù)雜，特別是既有周邊建筑物，地下既有管線、街道、文物古跡、河道等而無法采取常規(guī)的明挖施工方法。做為頂管法，在其施工過程中能夠做到不開挖地面而穿越公路、河道、既有管線等，對(duì)周邊環(huán)境影響小。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工實(shí)例，總結(jié)了頂管施工的應(yīng)用及計(jì)算過程，可為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：頂管；施工技術(shù)；應(yīng)用；計(jì)算；市政排水工程

1概述

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市化進(jìn)程快速推進(jìn)，城市市政設(shè)施的施工及改造越來越受到國(guó)家和市、區(qū)政府的重視。在城市地下管道施工中，頂管施工采取非開槽手段，具有對(duì)周圍的環(huán)境影響小、安全風(fēng)險(xiǎn)低、工期短、費(fèi)用較低等顯著優(yōu)點(diǎn)，已成為市政管道工程施工的重要施工方法。

頂管施工操作的基本原理：在所修建的排水管道需要穿越部位的一端開挖工作井，另一端開挖接受井，在開挖的工作井內(nèi)，根據(jù)管道的設(shè)計(jì)高程、走向、位置，在需穿越側(cè)的地層內(nèi)挖洞，邊挖土，邊用千斤頂?shù)仍O(shè)備將管道逐段頂入洞內(nèi)，借助于頂進(jìn)設(shè)備產(chǎn)生的頂力，克服管道與周圍土壤的摩擦力，將管道按設(shè)計(jì)的坡度頂入土中并將土方運(yùn)走。待一節(jié)管道完成頂入土層之后，再安裝就位第二節(jié)管道繼續(xù)頂進(jìn)。反復(fù)操作，直到將管道頂至接受井內(nèi)(圖1)。

圖1　頂管施工平面示意圖

2頂管工程施工及計(jì)算過程

2.1施工工藝流程(圖2)

施工準(zhǔn)備→測(cè)量放線→工作坑開挖基坑支護(hù)→頂管設(shè)備安裝→洞口人工開挖→進(jìn)洞→管道頂進(jìn)→混凝土管道拼裝→下一節(jié)管道吊裝就位→管道循環(huán)頂進(jìn)→管道貫通→壓漿→檢查井砌筑→閉水試驗(yàn)→回填。

2.2工作井的布置

頂管工作井是輔助設(shè)施，頂管工程的大部分工作是圍繞工作井開展的。工作井是頂管的出發(fā)點(diǎn)及工作點(diǎn)，其所有的任何缺陷都將對(duì)頂管施工造成影響，因此，對(duì)工作井的設(shè)計(jì)及施工必須給予高度重視。工作井的尺寸必須滿足頂管操作空間的要求，其內(nèi)襯和支護(hù)結(jié)構(gòu)能抵抗動(dòng)力裝置的反作用力，將其均勻傳遞到土層上。管道的導(dǎo)軌能準(zhǔn)確地校正管道的位置，確保新安裝的管道能順利地插入剛頂入的管道。

(1)工作井的尺寸計(jì)算。

圖2　頂管施工工藝流程圖

工作井是放置所有頂進(jìn)設(shè)備的場(chǎng)所，也是頂管施工的起始端。工作井的布置根據(jù)地形、管線設(shè)計(jì)和地面障礙物情況等因素確定，通常的做法是將排水工程的檢查井作為工作井。工作井的尺寸應(yīng)根據(jù)管節(jié)的長(zhǎng)度、頂管機(jī)械的尺寸及工作空間確定。 矩形工作坑的底部尺寸應(yīng)滿足：

①寬度B=D1+S(單位m)。式中D1為管道外徑；S為操作寬度，一般取2.4～3.2 m；

②長(zhǎng)度L=L1+L2+L3+L4+L5。式中L1為頂管掘進(jìn)機(jī)長(zhǎng)度。對(duì)于鋼筋混凝土管，不宜小于0.3 m；鋼管則不宜小于0.6 m；L2為管節(jié)長(zhǎng)度；L3為輸土工作間長(zhǎng)度；L4為千斤頂長(zhǎng)度；L5為后座墻的厚度。

為了確保施工安全，在進(jìn)行工作井開挖時(shí)，應(yīng)對(duì)工作井進(jìn)行必要的安全支護(hù)(例如采用鋼板樁、護(hù)壁樁、噴錨支護(hù)等)，工作井頂部應(yīng)設(shè)置防墜措施等。此外，應(yīng)設(shè)置積水坑以利于排水。在地下水豐富的地區(qū)還需要做好降水措施(圖3)。

(2)后背墻尺寸(圖3)計(jì)算。

后背墻受力面積計(jì)算公式:

式中S為后背所需的承壓面積(m2)；P為計(jì)算的總頂力(kN);[σ]為土壤的允許承載力,其根據(jù)地質(zhì)報(bào)告取值。

圖3　頂管工作井布置示意圖

后背墻一般采用混凝土澆筑，以保證其整體穩(wěn)定性。

(3)安裝導(dǎo)軌。

基坑夯實(shí)后可采取澆筑20cm厚C20混凝土并在混凝土上安裝導(dǎo)軌。導(dǎo)軌安裝好后，采用水平儀復(fù)核導(dǎo)軌頂面的高程，待其符合設(shè)計(jì)坡度要求后，方能進(jìn)行下一道工序的施工。

導(dǎo)軌是在基礎(chǔ)上安裝的軌道，一般采用裝配式。管節(jié)在頂進(jìn)前先安放在導(dǎo)軌上。在頂進(jìn)管道入土前，導(dǎo)軌承擔(dān)導(dǎo)向功能，以保證管節(jié)按設(shè)計(jì)高程和方向前進(jìn)(圖4)。

圖4　導(dǎo)軌形式圖

導(dǎo)軌應(yīng)選用鋼質(zhì)材料制作，其安裝應(yīng)符合下列規(guī)定：

* 兩導(dǎo)軌應(yīng)順直、平行、等高，其坡度應(yīng)與管道設(shè)計(jì)坡度一致。當(dāng)管道坡度>1%時(shí)，導(dǎo)軌可按平坡鋪設(shè)。

* 導(dǎo)軌安裝的允許偏差應(yīng)為：軸線位置為3mm；頂面高程為0～+3mm；兩軌內(nèi)距為±2mm。

* 安裝后的導(dǎo)軌必須穩(wěn)固，在頂進(jìn)中承受各種負(fù)載時(shí)不產(chǎn)生位移、不沉降、不變形。

* 導(dǎo)軌安放前，應(yīng)先復(fù)核管道中心的位置，并應(yīng)在施工中經(jīng)常檢查校核。

兩導(dǎo)軌內(nèi)距計(jì)算公式：

式中l(wèi)為兩導(dǎo)軌上部?jī)?nèi)側(cè)間距(單位mm)；D為管外徑(單位：mm)；h為導(dǎo)軌高度(單位：mm)；e為管外底距枕木距離(單位：mm)。

2.3頂進(jìn)阻力的計(jì)算

根據(jù)非開挖技術(shù)協(xié)會(huì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《頂管施工技術(shù)及驗(yàn)收規(guī)范》公式計(jì)算：

式中γ為管道所處土層的重力密度，單位kN/m3，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告取值； H為管道頂部以上覆蓋土層的厚度，單位m；φ為管道所處土層的內(nèi)摩擦角，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告取值；ω為管道單位長(zhǎng)度的自重，單位：kN/m；L為管道的計(jì)算頂進(jìn)長(zhǎng)度，單位m；f為頂進(jìn)時(shí)管道表面與其周圍土層之間的摩擦系數(shù)，取值可按表1所列的數(shù)據(jù)選用。P3為頂進(jìn)時(shí)頂管掘進(jìn)機(jī)的迎面阻力，其取值見表2。

表1　頂進(jìn)管道與其周圍土層之間的摩擦系數(shù)表

采取敞開式頂管法施工，Ps=π×Ds×ts×ρs

式中Ps為切削阻力，kN；Ds為頂管機(jī)外徑，單位m；ts為切削工具管的壁厚，單位m；ρs為單位面積土的端部阻力(表2)。

表2　不同地層單位面積土的端部阻力表

2.4頂管機(jī)及頂鐵的選擇

(1)千斤頂?shù)倪x擇。

根據(jù)上述公式計(jì)算出頂進(jìn)阻力，再根據(jù)頂進(jìn)阻力選擇合適的頂進(jìn)設(shè)備(千斤頂參數(shù)選擇)。

千斤頂?shù)陌惭b應(yīng)符合下列規(guī)定：

千斤頂宜固定在支架上并與管道中心的垂線對(duì)稱，其合力的作用點(diǎn)應(yīng)在管道中心的垂直線上；當(dāng)千斤頂多于一臺(tái)時(shí)，應(yīng)取偶數(shù)且應(yīng)規(guī)格相同、行程同步，每臺(tái)千斤頂?shù)氖褂脡毫Σ粦?yīng)大于其額定工作壓力，千斤頂伸出的最大行程應(yīng)小于油缸行程10 cm左右。當(dāng)千斤頂規(guī)格不同時(shí)，其行程應(yīng)同步，并應(yīng)將同規(guī)格的千斤頂對(duì)稱布置；千斤頂?shù)挠吐繁仨毑⒙?lián)，每臺(tái)千斤頂應(yīng)有進(jìn)油與退油的控制系統(tǒng)。

千斤頂油泵的安裝和運(yùn)轉(zhuǎn)應(yīng)符合下列規(guī)定：

圖5　千斤頂布置示意圖

油泵宜設(shè)置在千斤頂附近，油管應(yīng)順直、轉(zhuǎn)角少；油泵應(yīng)與千斤頂相匹配并應(yīng)備有備用油泵；油泵安裝完畢應(yīng)進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)；頂進(jìn)開始時(shí)應(yīng)緩慢進(jìn)行，待各接觸部位密合后，再按正常頂進(jìn)速度頂進(jìn)；頂進(jìn)中若發(fā)現(xiàn)油壓突然增高，應(yīng)立即停止頂進(jìn)，檢查原因并經(jīng)處理后方可繼續(xù)頂進(jìn)；千斤頂活塞退回時(shí)，油壓不得過大，速度不得過快。主頂千斤頂可固定在組合千斤頂架上做整體吊裝，根據(jù)其頂進(jìn)力對(duì)稱布置的要求，通常選用2、4、6只(按偶數(shù)組合)，見圖5。。 (2)頂鐵。

頂鐵又稱為承壓環(huán)或均壓環(huán)，其作用主要是把主頂千斤頂?shù)耐屏Ρ容^均勻地分散到頂進(jìn)管道的管端面上，同時(shí)還起到保護(hù)管端面的作用，同時(shí)還可以延長(zhǎng)短行程千斤頂?shù)男谐?。頂鐵可分為矩形頂鐵、環(huán)形頂鐵、弧形頂鐵、馬蹄形頂鐵和“U”形頂鐵幾種。

2.5后背墻的穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)中國(guó)非開挖技術(shù)協(xié)會(huì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《頂管施工技術(shù)及驗(yàn)收規(guī)范》中后背墻計(jì)算公式：

式中R為總推力之反力，kN；α為系數(shù)，取α=1.5～2.5；B為后墻的寬度，m；γ1為土的容重，kN/m3；H為后墻的高度；Kp為被動(dòng)土壓系數(shù)(見表3)；c為土的內(nèi)聚力，kPa；h為地面到后墻頂部土體的高度，m。

表3　土的主動(dòng)和被動(dòng)土壓系數(shù)值表

注：此表為中國(guó)非開挖技術(shù)協(xié)會(huì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《頂管施工技術(shù)及驗(yàn)收規(guī)范》中表7.1.8。

2.6頂管出洞

頂管出洞是頂管作業(yè)中一個(gè)比較重要的環(huán)節(jié)。頂管出洞，即第一節(jié)管道從接受井中破土而出，即將達(dá)到設(shè)計(jì)位置。開始正常頂管前的過程是頂管技術(shù)中的關(guān)鍵工序，也是最容易發(fā)生事故的工序。為防止管線出現(xiàn)偏斜，在井壁上加設(shè)支撐，若發(fā)現(xiàn)下跌應(yīng)立即用主頂油缸進(jìn)行糾偏；刃角出洞前采取預(yù)先設(shè)定一個(gè)初始角以彌補(bǔ)下跌等措施。

3頂管測(cè)量控制

頂管施工發(fā)生方向偏移是時(shí)常發(fā)生的，因此，頂管測(cè)量控制工作應(yīng)是頂管施工中的一項(xiàng)重要工作。施工時(shí)應(yīng)進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)測(cè)量，其精度要求很高，通常是在井周布設(shè)一個(gè)高精度的控制網(wǎng)，用以測(cè)量、檢查和修正工作井井周和井下的測(cè)量點(diǎn)，如軸線點(diǎn)、井下的測(cè)量起始點(diǎn)和后視點(diǎn)等；同時(shí)，在進(jìn)行頂進(jìn)施工過程中，也需要對(duì)周邊建筑物、基坑四周、頂管軸線地面進(jìn)行沉降及變形觀測(cè)，以防止在頂進(jìn)過程中出現(xiàn)破壞事故。

4頂管施工應(yīng)注意的幾個(gè)問題

(1)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件。施工前，必須了解土層的變化情況;對(duì)于要經(jīng)過回填土的地帶需提前進(jìn)行加固處理，避免施工后地表有過大幅度的下沉。

(2)有毒有害氣體的檢測(cè)和預(yù)防。頂管施工通過的地層一般都會(huì)有淤泥層，腐爛的動(dòng)植物會(huì)在地下生成有毒有害的氣體，頂管施工過程中，需要定時(shí)監(jiān)測(cè)管內(nèi)有毒有害氣體的含量，及時(shí)通風(fēng)

換氣，確保安全。

(3)地下管線的提前探察。頂管施工時(shí)應(yīng)提前查明其它地下管線的埋設(shè)深度、走向、位置等，不僅有利于頂管施工工程的順利進(jìn)行，而且有利于保證其它地下管線的安全。

5結(jié)語

城市隨著時(shí)代的發(fā)展在不斷變遷，有些工程項(xiàng)目中實(shí)施的開槽技術(shù)已經(jīng)逐漸被頂管技術(shù)所取代。頂管技術(shù)在城市排水管道施工工程中具有舉足輕重的作用，特別是對(duì)于一些深覆土、大管徑管道工程的施工，在一些比較惡劣的施工環(huán)境中，頂管技術(shù)具有較多的優(yōu)越性。隨著城市的發(fā)展，頂管技術(shù)也要不斷地完善和進(jìn)步，加長(zhǎng)管道、加粗管徑、管道中粗直交替勢(shì)必成為頂管技術(shù)的下一個(gè)發(fā)展目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB50268-2008，給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范[S].

李旭東(1983-)，男，四川平昌人，工程師，從事水利水電、市政、高速公路、高鐵項(xiàng)目施工技術(shù)及管理工作.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

收稿日期:2015-10-20

文章編號(hào):1001-2184(2015)06-0007-04

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

中圖分類號(hào):TV52;TV544

作者簡(jiǎn)介: