頂管穿越砂夾石公路的施工方法探析

(1.山東臨沂水利水電建筑安裝公司，山東 臨沂 276000；2.山東省臨沂市蘭山區(qū)水務(wù)局，山東 蘭山 276003)

頂管穿越砂夾石公路的施工方法探析

孫兆鵬1孫暉2石通秀1

(1.山東臨沂水利水電建筑安裝公司，山東 臨沂 276000；2.山東省臨沂市蘭山區(qū)水務(wù)局，山東 蘭山 276003)

隨著水資源的日益緊缺，城鄉(xiāng)區(qū)域供水管網(wǎng)項(xiàng)目步入建設(shè)的快車道，但是在施工過程中，經(jīng)常遇到需要穿越路公路、鐵路和建筑物的情況。本文以臨沂市供水管線穿越省級(jí)公路為例，詳細(xì)介紹了穿越路基為砂夾石的公路頂管施工方法，為類似工程提供借鑒。

供水管網(wǎng)；頂管穿越；公路

1 工程概況

臨沂市自2015年開始以岸堤水庫為源水開始建設(shè)30萬t供水白沙埠鎮(zhèn)管網(wǎng)工程,工程建成后將徹底解決白沙埠鎮(zhèn)72個(gè)村莊近8萬人的安全飲水問題。工程在建設(shè)過程中，需要穿過多條省級(jí)公路主干道，考慮頂管作業(yè)不影響正常交通，不破壞周圍環(huán)境，不對(duì)周圍構(gòu)筑物的基礎(chǔ)產(chǎn)生擾動(dòng)，具有成本低、技術(shù)成熟、工期短等特點(diǎn)，因此在穿越省道227時(shí)采用混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50、抗?jié)B等級(jí)S8的DN1200Ⅱ級(jí)鋼筋混凝土管進(jìn)行頂管穿越，頂管長度約77m，為減少對(duì)公路通車的影響，確保施工安全，結(jié)合類似穿越公路施工經(jīng)驗(yàn)，確定穿越深度為管頂至路面4.2m，縱向水平頂進(jìn)。根據(jù)地質(zhì)勘查資料顯示：公路路面以下的路基土為砂夾石，深度約2.5m，路基以下原狀土為連砂石層，因此采用人工挖掘的方式。

2 設(shè)備選擇

頂管設(shè)備必須滿足最大計(jì)算頂力的要求，而頂力計(jì)算公式為

Fp=λD0Lfκ+NF

(1)

式中Fp——頂進(jìn)阻力，kN；

D0——管道外徑，取值1.4m；

L——管道設(shè)計(jì)頂進(jìn)長度，77m；

fκ——管道外壁與土的單位面積平均摩阻力，該工程為砂礫石層，取值13.0kN/m2；

NF——頂管機(jī)的迎面阻力，kN，由于頂管采取敞開式頂管法施工，按照式(2)進(jìn)行計(jì)算。

NF=λ(Dg-t)tR

(2)

式中t——工具管刃腳厚度，取值0.1m；

Dg——頂管機(jī)外徑，取值0.4mm；

R——擠壓阻力，取值R=300～500kN/m2，該工程取值500kN/m2。

根據(jù)以上選擇的參數(shù)代入公式，計(jì)算得Fp=3944kN=400t。為防止頂管過程中遇到復(fù)雜地質(zhì)情況，選用頂推能力大于1.3倍的頂力設(shè)備，因此使用兩個(gè)頂力為300t的千斤頂作為頂管動(dòng)力設(shè)備。由于頂管土層的土質(zhì)較差，為避免開挖時(shí)引起塌方事故，決定采用先頂后挖的施工方法進(jìn)行作業(yè)。

3 施工方法

3.1 工作坑施工

工作坑是管道吊入、頂管作業(yè)、出管的主要工作場(chǎng)所。在穿越公路兩側(cè)分別設(shè)置一個(gè)，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，用機(jī)械開挖、人工修正護(hù)壁法進(jìn)行施工。根據(jù)管線距離以及工作坑周邊情況，為滿足人工液壓頂管施工要求，工作坑深4.8m，底部為長5.5m、寬5m的矩形，坑邊按1∶0.4放坡，局部1∶2放坡便于棄土運(yùn)輸，護(hù)壁厚度為300mm厚的C30鋼筋混凝土。工作坑剖面圖如圖1所示。

圖1 工作坑剖面

3.2 圈梁施工

為保證工作坑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，工作井在開挖1m深時(shí)，在井口處設(shè)現(xiàn)澆鋼筋混凝土鎖口粱一道，鎖口粱基礎(chǔ)為100mm厚C30混凝土，圈梁寬1000mm，高600mm，圈梁采用12根φ20mm為主筋，φ12mm@300mm箍筋，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。圈梁內(nèi)側(cè)砌筑24cm×30cm的擋水墻，為了保證下部鋼筋能與鎖口粱連接成整體，鎖口圈梁向下預(yù)留鋼筋接頭，方法是在槽底向下打孔，用φ18mm鋼筋@500mm，并在梁內(nèi)錨固不小于800mm。鎖口圈梁配筋示意圖如圖2所示。

圖2 鎖口圈梁配筋示意圖(單位： mm)

3.3 后背墻設(shè)置

后基座平面應(yīng)垂直于管道中心線，且后背座的反力必須大于總頂力，才能滿足設(shè)計(jì)要求。由于坑邊為自然砂石層，不能作為天然后背墻，所以要在最薄處澆筑不小于50cm厚C30鋼筋混凝土墻作后座。后座墻尺寸為2m×2m×0.5m，為現(xiàn)場(chǎng)澆筑鋼筋混凝土，內(nèi)置φ20mm@150mm×150mm鋼筋籠，并加墊20mm厚鋼板組成裝配式后背墻，滿足頂管的最大頂力要求。假設(shè)頂進(jìn)過程中主千斤頂?shù)捻斶M(jìn)力均勻作用在后背墻上，其后背墻的反力R只有等于1.2～1.6倍的總頂進(jìn)力Fp才能確保頂進(jìn)過程中后背墻的安全可靠。

反力R可采用式(3)計(jì)算：

(3)

式中R——總推力之反力，kN；

α——系數(shù)，α=1.5～2.5，取2.5；

B——后座墻的寬度，取5m；

γ——土的容重，取19kN/m3；

H——后座墻的高度，取2m；

Kp——被動(dòng)土壓系數(shù)，取3.69；

c——土的內(nèi)聚力，取10kPa；

h——地面到后座墻頂部土體的高度，取2.8m。

代入數(shù)據(jù)得總推力之反力R=7620kN，超過了最大頂力Fp(3944kN)的1.9倍[1]，滿足要求。后背墻組裝示意圖如圖3所示。

圖3 后背墻組裝示意圖

3.4 導(dǎo)軌安裝

導(dǎo)軌要求采用P38(每米38kg，長3m，高100mm)兩根，安裝高程嚴(yán)格控制在低于管外底高程1～2.5cm，兩導(dǎo)軌內(nèi)距通過式(3)求得：

(4)

式中A——兩導(dǎo)軌上部內(nèi)側(cè)間距，mm；

D——管外徑，1400mm；

h——導(dǎo)軌高度，100mm；

e——管外底距導(dǎo)軌距離，20mm。

帶入公式得，兩導(dǎo)軌內(nèi)距A=596mm，取60cm。復(fù)測(cè)導(dǎo)軌高程、內(nèi)距、平行度無問題，縱坡與管道設(shè)計(jì)坡度一致后，將導(dǎo)軌與基坑混凝土墊層內(nèi)的預(yù)埋件焊接牢固。導(dǎo)軌示意圖如圖4所示。

圖4 導(dǎo)軌示意圖

3.5 千斤頂安裝

千斤頂在工作坑內(nèi)與管道中心垂直對(duì)稱固定在支架上，為避免管道在頂進(jìn)過程中出現(xiàn)偏差，確保千斤頂?shù)捻斶M(jìn)合力與管壁的反作用力在同一軸線，考慮在機(jī)械開挖過程中不可避免地造成管上壁與土層之間出現(xiàn)空隙，因此將千斤頂?shù)暮狭c(diǎn)確定在1/4～1/5的管道垂直直徑處。

3.6 頂管挖土

挖土前，用全站儀放設(shè)好管道中心軸線。在開挖時(shí)，采取“先挖后頂，隨挖隨頂”的原則，并在首節(jié)管段前端放置一個(gè)20mm厚，長度為千斤頂行程2～3倍，弧度為120°的弧形仞腳，切割土體和保護(hù)掌子面穩(wěn)定，以確保頂進(jìn)施工過程中人員安全。在頂進(jìn)前，先在管道前端挖出一個(gè)深度40cm左右，與頂進(jìn)管道斷面形狀相似的坑道，然后用千斤頂將管道頂入坑道。手工掘進(jìn)頂管法施工前10m非常關(guān)鍵，嚴(yán)格控制軸線和高程偏差，在挖土?xí)r，采用先中間、后周邊、不超挖、勤收邊的辦法進(jìn)行挖掘，在施工過程中如果遇見較大的漂石，應(yīng)采用破碎處理后才進(jìn)行挖掘頂進(jìn)導(dǎo)管。

3.7 管道頂進(jìn)

將管件利用汽車吊吊入工作坑的導(dǎo)軌上，檢查管件完好，各設(shè)備工作正常，高程等參數(shù)復(fù)測(cè)無誤后，先進(jìn)行試頂，經(jīng)試頂合格后，開始正常的頂管作業(yè)。其操作過程如下：安裝好頂鐵擠牢，工具管前端破取一定長度后，啟動(dòng)油泵，千斤頂進(jìn)油，活塞伸出一個(gè)工作行程，將管件頂進(jìn)一定距離。然后停止油泵，打開控制閥，千斤頂回油，回縮活塞，再次添加頂鐵，重復(fù)上述操作，直至頂進(jìn)完成一段管節(jié)后卸下頂鐵，然后將下一段管節(jié)吊放在導(dǎo)軌上進(jìn)行管道連接，連接嚴(yán)密后，再次進(jìn)行管道的頂進(jìn)作業(yè)。在頂進(jìn)過程中要勤挖、勤頂、勤測(cè)，加強(qiáng)監(jiān)控，首段管件每頂進(jìn)25cm左右，其余管件每頂進(jìn)0.5m就需要用全站儀和水準(zhǔn)儀復(fù)測(cè)一次頂進(jìn)方向和高程是否正確，確定無偏移后再進(jìn)行頂進(jìn)。頂管過程應(yīng)連續(xù)不中斷，以免中途停止引起摩阻力增大，造成進(jìn)行頂進(jìn)困難。

3.8 管道糾偏

頂管過程中如果發(fā)現(xiàn)方向發(fā)生偏差，要及時(shí)進(jìn)行糾偏。當(dāng)偏差在20mm以內(nèi)時(shí)，保持偏向側(cè)土層不動(dòng)或留坎，在偏向的反側(cè)進(jìn)行適當(dāng)超挖后，緩慢頂進(jìn)，將管節(jié)回歸到正確頂進(jìn)方向上來；當(dāng)偏差超過20mm時(shí)，用千金頂頂在管端偏向反側(cè)的管壁上，另一端斜撐在有墊板的管前土壁上，支頂牢固后，施加頂力，同時(shí)在偏向反側(cè)進(jìn)行適當(dāng)?shù)某谂浜蟻磉M(jìn)行糾偏。

3.9 管道接口處理

當(dāng)首節(jié)管道頂進(jìn)完成后，回縮千斤頂，將下一節(jié)管道吊裝就位后，在下節(jié)管道口凹槽處粘貼橡膠止水帶，同時(shí)將軟木襯墊夾于前后管節(jié)鋼套環(huán)間，啟動(dòng)千斤頂，使下節(jié)管道與鋼套環(huán)緩慢對(duì)接嚴(yán)密后再進(jìn)行管道的繼續(xù)頂進(jìn)。當(dāng)管道全部頂通后，將相鄰管節(jié)間的軟木襯墊鑿出不超過3cm的槽，用膨脹水泥、砂和水配合比為1∶1∶0.3的膨脹水泥砂漿進(jìn)行壓實(shí)抹平[2]。

3.10 井內(nèi)出土

管內(nèi)土方開挖通過人工用推車將土推至井底，然后利用電動(dòng)提升架將土方提升至地面。頂管施工井內(nèi)出土示意圖如圖5所示。

圖5 頂管施工井內(nèi)出土示意圖

3.11 注漿填隙

頂管段內(nèi)由于施工工藝的局限性，在管段頂部存在一定空隙，為了確保地面布置下沉，施工時(shí)必須采取注漿措施填實(shí)管段上空隙，稱為壓漿處理。即頂管頂進(jìn)完成后，將42.5MPa普通硅酸鹽水泥和水調(diào)制成水灰比1∶1的水泥漿，用注漿泵將配好的水泥漿分2～3次，壓入管道與土層之間的空隙，注漿壓力從0.5MPa慢速調(diào)到2.0MPa，使壓入的水泥漿包裹混凝土管外壁，達(dá)到無空隙，起到防沉防裂作用。

4 結(jié) 語

經(jīng)工程實(shí)踐證明：采用人工挖土頂管穿越砂夾石路基的公路，施工難度低，質(zhì)量可靠，最大程度保護(hù)了穿越公路的通行安全，達(dá)到了預(yù)期的施工目的。

[1] 鄭宇. 哈爾濱市開發(fā)區(qū)松花路供水管線的施工方法[J]. 黑龍江水利科技, 2011(4): 139-140.

[2] 成雷. 輸水管道水壓試驗(yàn)的技術(shù)總結(jié)[J]. 水利建設(shè)與管理, 2016, 36(7): 27-30.

Discussiononconstructionmethodofjackingpipecrossingsandgravelhighway

SUN Zhaopeng1, SUN Hui2, SHI Tongxiu1

(1.ShandongLinyiWaterConservancyandHydropowerConstructionInstallationCo.,Ltd.,Linyi276000,China; 2.ShandongLinyiLanshanWaterBureau,Lanshan276003,China)

Urban and rural regional water supply pipe network project is constructed rapidly with the growing shortage of water resources. However, the pipe network should penetrate through highway, railway and buildings frequently during construction. In the paper, water supply pipeline crossing provincial highway in Linyi is adopted as an example for introducing the construction methods of jacking pipe crossing highways with sand gravel roadbed in detail, thereby providing reference for similar projects.

water supply network; jacking pipe crossing; highway

10.16616 /j.cnki.11-4446 /TV. 2017.010.001

TV554

B

1005-4774(2017)010-0001-04