頂管施工技術(shù)在西非供水工程中的應(yīng)用

劉偉麗 溫貴明

頂管施工技術(shù)在西非供水工程中的應(yīng)用

劉偉麗 溫貴明

頂管施工技術(shù)作為不開(kāi)槽施工方法，在非洲鋁紅土地區(qū)得到成功應(yīng)用。不僅有效避免了施工對(duì)地面建筑物的破壞以及對(duì)交通的影響，將施工影響降低到了最小，也有效排除了施工環(huán)境對(duì)工程的干擾和影響。為類似項(xiàng)目的實(shí)施積累了經(jīng)驗(yàn)。

頂管施工 技術(shù) 西非 供水工程 應(yīng)用

1 背景介紹

頂管施工技術(shù)是一種不開(kāi)挖或者少開(kāi)挖的管道埋設(shè)施工技術(shù)，屬于不開(kāi)槽非開(kāi)挖施工方法。利用工作坑內(nèi)的頂進(jìn)設(shè)備產(chǎn)生的推力，克服管道與周圍土壤的摩擦力、管節(jié)自重等，將管道按設(shè)計(jì)的坡度頂入土中，完成最終管道埋設(shè)。掘進(jìn)頂管法是應(yīng)用比較廣泛、技術(shù)較為成熟、可靠性較高的一種技術(shù)。

頂管施工可不阻斷交通，不破壞道路和植被，因而可以避免開(kāi)挖施工所帶來(lái)的居民生活和交通干擾，以及對(duì)環(huán)境建筑基礎(chǔ)的破壞影響，無(wú)污染，無(wú)噪音，減少了開(kāi)挖施工的地下作業(yè)工程量。加快了非開(kāi)挖工程施工進(jìn)度，縮短了施工工期，作業(yè)面小，綜合施工成本低，有利于文明施工，是重要的管道鋪設(shè)方法之一。

西非某供水工程位于非洲西部加納共和國(guó)境內(nèi)，由新建取水口、凈水廠、輸水管線、中途加壓泵站、終端高位水池、輸電線路以及新建變電站等建筑物組成。設(shè)計(jì)日輸水能力18.6萬(wàn)m3，輸水管道全長(zhǎng)71.5 km。

該工程共有2處涉及使用頂管技術(shù)，2處都為城市的主要交通干道，交通繁忙。經(jīng)過(guò)方案比選后，認(rèn)為掘進(jìn)頂管法施工相對(duì)于開(kāi)挖敷設(shè)，可以有效降低施工對(duì)交通的影響，確定采用頂管施工技術(shù)穿過(guò)2處路段。本文以其中1處穿路頂管施工技術(shù)為例，介紹掘進(jìn)頂管施工技術(shù)在本工程的應(yīng)用。

2 應(yīng)用簡(jiǎn)介

在該穿路點(diǎn)輸水管線為DN900 mm球墨鑄鐵管,穿路長(zhǎng)度為14 m。施工采用DN1 400 mm鋼管做套管，內(nèi)鋪設(shè)DN900 mm鋼管，輸水管道埋深為2.5 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察，本處土質(zhì)為鋁紅土，土質(zhì)堅(jiān)硬。

3 施工過(guò)程

3.1 施工準(zhǔn)備

（1）調(diào)查研究，熟悉要求。在開(kāi)工前對(duì)相關(guān)技術(shù)文件、圖紙等進(jìn)行熟悉，充分掌握相關(guān)技術(shù)要求。并實(shí)際調(diào)研，掌握地下土質(zhì)、水位等相關(guān)水文地質(zhì)資料。并充分了解地下管線交叉情況，得到相關(guān)單位的準(zhǔn)許或取得有關(guān)單位的配合。并熟悉現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境、運(yùn)輸、電源等情況。

（2）制定可行的施工方案。在充分理解設(shè)計(jì)意圖和掌握現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，制定切實(shí)可行的施工方案。比如確定工作坑的位置和尺寸、推力計(jì)算、頂進(jìn)設(shè)備選擇、頂管后背的結(jié)構(gòu)和驗(yàn)算以及應(yīng)急措施、安全技術(shù)措施和資源安排調(diào)配以及進(jìn)度計(jì)劃等等。

3.2 參數(shù)計(jì)算

頂管施工的成敗在于頂管的順利與否，而其最重要的就是保證在合適的頂推力下將管節(jié)安全順利推進(jìn)到位。選擇合適的掘進(jìn)方式及出土路徑，選擇合適的頂進(jìn)設(shè)備和推力，適宜的工作環(huán)境和場(chǎng)所，牢靠的后背等是掘進(jìn)頂管施工的關(guān)鍵。計(jì)算確定各技術(shù)參數(shù)是開(kāi)展施工的基礎(chǔ)。

3.2.1 工作坑尺寸的確定

工作坑一般選在檢查井的位置，并與建筑物有一定的安全距離。其工作坑底長(zhǎng)、寬尺寸按以下公式計(jì)算。見(jiàn)圖1。

式中W——工作坑寬度，m；

D——鋼套管外徑，m；

圖1 工作坑剖面圖

B——工作面凈寬，一般為1.2～1.5 m；

b——支撐厚度，m。

式中L1——后背結(jié)構(gòu)厚度，取0.85 m；

L2——千斤頂長(zhǎng)度，本次使用推進(jìn)設(shè)備長(zhǎng)度約為0.6 m；

L3——出土工作面長(zhǎng)度，一般取1.0～1.5 m；

L4——每節(jié)管長(zhǎng)，管長(zhǎng)為2 m；

L5——頂進(jìn)管口尾端壓在導(dǎo)軌上的最小長(zhǎng)度，一般為0.3～0.5 m。

則根據(jù)式（1）及式（2），分別計(jì)算工作坑的寬度和長(zhǎng)度：

W=1.420+2×(1.5+0.3)=5.02 m，取寬度為5 m。

L=0.85+0.6+1+2+0.5=4.95 m，取長(zhǎng)度為5 m。即工作坑底部尺寸為5 m×5 m。

3.2.2 工作坑底基礎(chǔ)和導(dǎo)軌

（1）為保障良好的作業(yè)環(huán)境和防止工作坑地基沉降，工作坑采用混凝土底板。基礎(chǔ)尺寸應(yīng)根據(jù)地基承載力、施工荷載、操作要求而定?；A(chǔ)寬度應(yīng)大于管外徑，長(zhǎng)度宜為工作坑長(zhǎng)度，基礎(chǔ)厚度為150～250 mm。

（2）導(dǎo)軌的作用是控制管節(jié)按照設(shè)計(jì)的中心和高程頂進(jìn)，保證管節(jié)在頂入之前位置符合設(shè)計(jì)要求。導(dǎo)軌安裝的準(zhǔn)確和牢固與否，直接影響頂進(jìn)質(zhì)量。導(dǎo)軌間凈距與管徑大小有關(guān)，可根據(jù)直角三角形計(jì)算。導(dǎo)軌采用20 cm槽鋼焊結(jié)而成，H=200 mm，經(jīng)計(jì)算導(dǎo)軌面凈間距取922 mm。

3.2.3 頂力計(jì)算

通過(guò)層次分析法確定招聘需求人數(shù)規(guī)模指標(biāo)、招聘需求覆蓋度指標(biāo)和發(fā)布頻率指標(biāo)3個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，用來(lái)計(jì)算崗位緊缺度指數(shù)，通過(guò)計(jì)算，三者的權(quán)重分別是：招聘需求人數(shù)規(guī)模指標(biāo)的權(quán)重為0.2583，招聘需求覆蓋度指標(biāo)的權(quán)重為0.6370，發(fā)布頻率指標(biāo)的權(quán)重為0.1047。最終，崗位緊缺度指數(shù)=100*（0.2583*招聘需求人數(shù)規(guī)模指標(biāo)+0.6370*招聘需求覆蓋度指標(biāo)+0.1047*發(fā)布頻率指標(biāo)）。

頂推力是管節(jié)推進(jìn)的唯一動(dòng)力。頂管的頂力包括正面阻力和四周的摩擦阻力兩部分，F(xiàn)總=F1＋F2。其中正面阻力F1的計(jì)算，根據(jù)管節(jié)前端型式的不同而各不相同。本工程采用人工挖土的簡(jiǎn)易工具管，采用公式F1＝π（D-t)tR進(jìn)行計(jì)算，其中D為管外徑（m），t為管刃腳厚度（m），R為擠壓阻力（kN/m2），可取R=300～500 kN/m2；摩擦阻力F2是指管壁與土之間的摩擦阻力，按公式F2＝f2×L進(jìn)行計(jì)算，f2為單位長(zhǎng)度管道摩擦阻力（kN/m)，L為管道長(zhǎng)度（m）。經(jīng)計(jì)算F總=1 542.45 kN。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，頂管所需推力需大于1 542.45 kN。選用2臺(tái)推力為1 000 kN的千斤頂，取1.25倍系數(shù)，合計(jì)推力為：F=1 960 kN＞1.25 F總（1 928.06 kN），故可滿足要求。

3.2.4 后背

后座墻與后背是頂力的支撐結(jié)構(gòu)，通常采用原土做后座墻。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，管頂覆土2～4 m時(shí)，原土后背墻的長(zhǎng)度需要4～7 m。根據(jù)頂進(jìn)需要的總頂力，核算后背受力面積及允許承載力。所需承壓面積為：A=F總/P=1 542.45 kN/200=7.71 m2，取后背斷面尺寸為:H=4 m,B=2 m，A=HB=8 m2，滿足承壓面積要求。后背下部埋深1.0 m，高出管底面標(biāo)高1.5 m，與千斤頂接觸受力面預(yù)埋2.0 cm厚鋼板。

3.3 頂進(jìn)設(shè)備

（1）千斤頂是頂管施工工藝的主要設(shè)備之一，目前通常采用液壓千斤頂，本工程也選用千斤頂作為頂進(jìn)設(shè)備。

（2）高壓油泵一般選用額定壓力為32 MPa的柱塞油泵。若裝有2臺(tái)以上千斤頂時(shí)，需將進(jìn)油管并聯(lián)在一起，以使各千斤頂活塞行程一致（2個(gè)千斤頂活塞必須同步運(yùn)行）。

（3）頂鐵是傳遞頂力的墊鐵，根據(jù)放置位置的需要，有橫頂鐵、順頂鐵等。其中順頂鐵應(yīng)有多種長(zhǎng)度尺寸，以便隨著管子頂進(jìn)，將順頂鐵放入頂進(jìn)空隙之內(nèi)繼續(xù)進(jìn)行頂進(jìn)。

（4）其他：包括搭設(shè)工作坑的工作平臺(tái)，作為下管、土方運(yùn)輸?shù)仁褂?，或?zhǔn)備汽車起重機(jī)等設(shè)備進(jìn)行吊運(yùn)。工作平臺(tái)搭設(shè)應(yīng)經(jīng)過(guò)技術(shù)驗(yàn)算，確定搭設(shè)材料和平臺(tái)尺寸，坑口位置設(shè)置防護(hù)欄桿、防雨等安全措施。

3.4 頂進(jìn)施工

（1）頂進(jìn)前，全部設(shè)備要經(jīng)過(guò)檢查和試運(yùn)行。試頂完成，管道中心線和高程符合設(shè)計(jì)要求，開(kāi)始正式頂進(jìn)。正式頂進(jìn)時(shí)，先將鋼套管對(duì)準(zhǔn)頂入土的接觸面，檢查擬頂入的鋼管中心線與高程是否符合設(shè)計(jì)要求。管前人工開(kāi)挖0.1～0.2 m，逐步啟動(dòng)油泵，活塞伸出一個(gè)工作行程，將管道頂進(jìn)。停止油泵，活塞回縮。頂進(jìn)完成后進(jìn)行高程及中心復(fù)測(cè)，滿足要求則可繼續(xù)進(jìn)行施工作業(yè)。

（2）管內(nèi)施工作業(yè)面狹窄，2人輪班作業(yè)，洞內(nèi)采用人工挖土方法，1人在工作面上開(kāi)挖，1人用小車收土并運(yùn)至管外。再利用吊車吊出工作坑。嚴(yán)格控制開(kāi)挖尺寸，每次開(kāi)挖長(zhǎng)度為30 cm，最多不超過(guò)50 cm。

（3）管前人工開(kāi)挖完成后進(jìn)行頂進(jìn)。添加順頂鐵，在其后加塞鋼墊鐵塊（分別為0.15、0.3、0.45、0.9 m）擠牢，重復(fù)上述操作，直至本節(jié)鋼套管完成頂進(jìn)。前一節(jié)鋼套管頂入工作面土層后，土層外預(yù)留0.2～0.3 m，方便下節(jié)對(duì)接。

（4）管周圍超挖：管頂與兩側(cè)不允許超挖，施工要求土方內(nèi)壁與管內(nèi)壁一致，在管節(jié)底部135°范圍不得超挖，保持管壁與土基面的吻合。工作面的土方開(kāi)挖順序是自上而下，控制好管周圍土的開(kāi)挖，嚴(yán)格控制超挖，開(kāi)挖時(shí)使用直尺等工具控制工作面的開(kāi)挖，掌子面土方側(cè)壁與鋼套管的內(nèi)壁保持順直，避免造成管道偏斜。

（5）由專人操作千斤頂，施工頂進(jìn)時(shí)同時(shí)啟動(dòng)千斤頂，頂進(jìn)動(dòng)作同步協(xié)調(diào)，同時(shí)要監(jiān)測(cè)頂管是否有橫向位移，如有橫向位移要及時(shí)糾正。工作坑及頂推設(shè)備布置示意圖如圖2。

圖2 工作坑及頂推設(shè)備布置示意圖

（6）套管偏差糾正措施：①左右偏差，可在鋼套管偏向設(shè)計(jì)中心的一側(cè)適當(dāng)超挖，以使該側(cè)阻力減小，在相對(duì)側(cè)欠挖留坎，以增加該側(cè)的阻力，同時(shí)增加單側(cè)頂力，偏頂糾正。②兩側(cè)挖土不夠?qū)挘自斐伞疤ь^”現(xiàn)象?？稍谔坠軆蓚?cè)適當(dāng)超挖，或在管節(jié)底部適當(dāng)超挖，使其下降。③套管出現(xiàn)吃土頂進(jìn)的“扎頭”現(xiàn)象時(shí)，開(kāi)挖面基底保持在套管底面以上8～10 cm，在管節(jié)頭部增加墊木、墊石等來(lái)糾正“扎頭”，亦可采用斜頂?shù)姆绞郊m正“扎頭”。

（7）頂管頂進(jìn)的注意事項(xiàng)：①頂進(jìn)時(shí)先挖土后頂進(jìn)，隨挖隨頂。應(yīng)連續(xù)作業(yè)，不宜中途停止，增加頂進(jìn)難度。②頂鐵的安放應(yīng)平順，不得歪斜，每次加放頂鐵時(shí)，使頂鐵連接塊數(shù)最少為宜。③頂進(jìn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)管前土方坍塌、后背傾斜、偏差過(guò)大和油泵壓力表指針升高等情況，應(yīng)停止頂進(jìn)，查明原因，排除故障后，再繼續(xù)頂進(jìn)。④頂進(jìn)偏差超過(guò)允許值后，應(yīng)進(jìn)行校正，校正方法可用挖土糾偏法、頂木糾偏法。如管端偏向中心左側(cè)，可在中心右側(cè)超挖或支頂方木，逐步糾偏，不得猛糾硬調(diào)。

4 結(jié)語(yǔ)

頂管施工技術(shù)在非洲鋁紅土地區(qū)的成功應(yīng)用，有效地解決了工程難題，在不中斷交通和不破壞地面建筑物的情況下成功完成管道穿路。有效地排除了施工環(huán)境對(duì)工程的干擾和影響，為類似項(xiàng)目的實(shí)施積累了經(jīng)驗(yàn)。

TV52

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1007-6980（2015）03-0017-03

2015-05-28）

劉偉麗 女 工程師 中國(guó)水利水電建設(shè)咨詢渤海公司 天津 300222

溫貴明 男 工程師 中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222