手掘式頂鋼筋混凝土套管的設(shè)計(jì)與施工研究

蔣艷紅，龐保華，李麗鵬，張 韜，王 堅(jiān)

1中國(guó)石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊

2中國(guó)石油管道局工程有限公司設(shè)計(jì)分公司，河北 廊坊

1.引言

在油氣管道長(zhǎng)輸建設(shè)中，公路穿越是油氣管道穿越中最常見的。公路穿越通常采用開挖和非開挖的穿越方式。開挖法僅允許在三級(jí)以下的公路、鄉(xiāng)間碎石路以及其他不適宜非開挖施工的公路中采用。非開挖方法主要有頂管、夯管、鉆孔等，其中手掘式頂管施工的經(jīng)濟(jì)性、適應(yīng)性較好，是最常見的施工方法[1][2]。筆者從手掘式頂管的設(shè)計(jì)、施工等方面進(jìn)行了詳細(xì)分析，旨在為今后管道建設(shè)中的手掘式頂管穿越提供一定的理論基礎(chǔ)和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

2.頂管原理

手掘式頂管法就是借助主頂油缸的頂進(jìn)力，把工具管從操作坑穿過土層一直頂進(jìn)接收坑內(nèi)，然后取出工具管的過程，最終將套管嵌入到操作坑和接收坑之間。

一個(gè)完整的頂管法施工主要包括：操作坑和接收坑、頂進(jìn)用管、千斤頂、頂鐵、導(dǎo)軌、后座墻等，如圖1中所示。

1) 頂進(jìn)用套管。由于目前國(guó)內(nèi)油氣輸送管道的公稱直徑在DN1400以內(nèi)，將該規(guī)格的鋼管敷設(shè)在套管內(nèi)，2種管道之間要留不得小于0.2 m的靜空間。在國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)、施工中，一般采用鋼承口鋼筋混凝土套管，并執(zhí)行《混凝土和鋼筋混凝土排水管》的相關(guān)要求[3]。

Figure 1.The schematic diagram of road crossing by jacking圖1.頂管穿越公路示意圖

2) 操作坑和接收坑。操作坑是安放所有頂進(jìn)設(shè)備的場(chǎng)所，還是承受主頂油缸頂進(jìn)力的反作用力的構(gòu)筑物。操作坑的寬度主要與頂進(jìn)套管的外徑、套管兩側(cè)的操作空間、撐板的厚度等因素有關(guān)，一般情況下操作坑的寬度為3～4.5 m。操作坑的長(zhǎng)度主要與套管管節(jié)的長(zhǎng)度、千斤頂?shù)拈L(zhǎng)度、后背墻的厚度、套管前端預(yù)留長(zhǎng)度、套管尾端預(yù)留長(zhǎng)度等因素有關(guān)，一般情況下操作坑的長(zhǎng)度為6～9 m。操作坑的深度與套管管底高程、軌道及其基礎(chǔ)厚度有關(guān)，主要隨套管管底高程的變化而變化。接收坑是接收工具管的場(chǎng)所，其結(jié)構(gòu)尺寸滿足取出工具管的目的即可。

3) 頂鐵。手掘式頂管的頂鐵有環(huán)形和弧形兩種。環(huán)形頂鐵的主要作用是把主頂油缸的頂進(jìn)力均勻地分布在所頂管子的端面上?；⌒雾旇F是為了彌補(bǔ)主頂油缸行程與管節(jié)長(zhǎng)度之間的不足。

4) 導(dǎo)軌。導(dǎo)軌由兩根平行的鋼軌及軌枕組成，它的作用主要有2點(diǎn)：一是使頂進(jìn)用套管在操作坑中有一個(gè)穩(wěn)定的導(dǎo)向；二是讓頂鐵在工作中有一個(gè)可靠的托架。導(dǎo)軌的2根鋼軌要平行于穿越軸線并且對(duì)稱布置。對(duì)于公稱直徑1650 mm以下規(guī)格的鋼筋混凝土套管，采用38 kg/m以下地輕型鋼軌；對(duì)于公稱直徑1800 mm以上規(guī)格的鋼筋混凝土套管，可采用38 kg/m以上的鋼軌。

5) 后座墻。后座墻是把主頂油缸推力的反作用力傳遞到操作坑后部土體中去的墻體。后背墻在頂進(jìn)過程中承受全部的阻力。在施工前必須對(duì)后背墻的受力進(jìn)行驗(yàn)算。由于該力是最大頂進(jìn)力的反作用力，在施工中不允許有超過最大頂進(jìn)力的情況發(fā)生，不然，如果套管被頂壞或后座墻被頂翻，都會(huì)造成嚴(yán)重的后果。

3.主要設(shè)計(jì)要點(diǎn)

當(dāng)采用手掘式頂管法穿越公路時(shí)，為保證公路的安全、穩(wěn)定，主要考慮鋼筋混凝土管縱截面的承載能力(強(qiáng)度)校核和正常使用極限狀態(tài)下裂縫寬度的驗(yàn)算。

根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行的《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[4]，公路按使用任務(wù)、功能和適應(yīng)的交通量分為高速公路、一級(jí)公路、二級(jí)公路、三級(jí)公路、四級(jí)公路5個(gè)等級(jí)。而極限狀態(tài)可按雙向四車道考慮，荷載等級(jí)采用公路-I級(jí)考慮，地面車輛2個(gè)以上單排輪壓綜合影響的傳遞分布見圖2。

作用在套管上的載荷是套管自重、車輛載荷和填土產(chǎn)生的等效荷載的組合，而套管管壁環(huán)向壓力和徑向剪力是可以不考慮。其中，套管自重和填土垂直壓力為恒載荷(Mc)，而車輛載荷為活載荷(Ma)，承載能力極限狀態(tài)組合(Ml)為：

Figure 2.The transfer distribution diagram of comprehensive effect of two or more single-row wheel pressures on ground vehicles圖2.地面車輛兩個(gè)以上單排輪壓綜合影響的傳遞分布圖

在該狀態(tài)下，要使穿入土層的鋼筋混凝土套管安全穩(wěn)定，就必須保證鋼筋混凝土套管所受彎矩小于其正截面抗彎承載力。

再有，由于短期效應(yīng)組合作用會(huì)引起鋼筋混凝土的開裂，因此鋼筋混凝土套管對(duì)于截面縱向受的拉應(yīng)力所產(chǎn)生的鋼筋混凝土最大裂縫寬度要小于《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的裂縫限值，即“按鋼筋混凝土構(gòu)件二類環(huán)境取0.20 mm”[5]。

綜合上述情況，在手掘式頂管的設(shè)計(jì)過程中，要對(duì)選用的鋼筋混凝土套管進(jìn)行校核、驗(yàn)算，在滿足極限狀態(tài)的情況下，才能使穿越方案更加安全可靠。

4.主要施工要點(diǎn)

手掘式頂管施工的主要工序?yàn)椋簻y(cè)量放線、場(chǎng)地平整→操作坑、接收坑開挖→操作坑內(nèi)軌道安裝及頂管設(shè)備就位→頂進(jìn)作業(yè)→設(shè)備吊拆。其中測(cè)量、糾偏校正和路面沉降監(jiān)測(cè)是施工中的要點(diǎn)。

4.1.施工測(cè)量

測(cè)量工作在頂管施工過程中非常重要，測(cè)量準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到頂管的質(zhì)量，從操作坑的定位到頂進(jìn)過程中的測(cè)量工作均安排至少2名專職測(cè)量人員日夜監(jiān)測(cè)，并通過測(cè)量成果來指導(dǎo)工人的施工。在測(cè)量工作時(shí)，還要做好以下幾點(diǎn)：

1) 施工前先準(zhǔn)確測(cè)放操作坑位，并將控制高程引測(cè)至施工現(xiàn)場(chǎng)各管段的施工范圍內(nèi)，建立施工測(cè)量體系，并請(qǐng)第三方進(jìn)行復(fù)核。

2) 操作坑的定位要準(zhǔn)確，井底標(biāo)高應(yīng)符合圖紙的要求。

3) 頂管過程中每50 cm測(cè)量一次標(biāo)高及軸線。

4) 在頂?shù)谝还?jié)(工具管)時(shí)，以及在校正偏差時(shí)，測(cè)量間隔不超過 30 cm，保證套管入土位置正確。套管進(jìn)入土層后的正常頂進(jìn)，測(cè)量間隔不宜超過1 m。

5) 中心測(cè)量。頂進(jìn)長(zhǎng)度在60 cm范圍內(nèi)，采用垂球拉線的方法進(jìn)行測(cè)量，要求兩垂球的間距盡可能拉大，用水平尺測(cè)量頭一節(jié)管前端的中心偏差。一次頂進(jìn)超過60 cm，要采用經(jīng)緯儀或激光導(dǎo)向儀測(cè)量。

6) 高程測(cè)量。用水準(zhǔn)儀及特制高程尺，根據(jù)操作坑內(nèi)設(shè)置的水準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)高(設(shè)2個(gè))，測(cè)第一管節(jié)走向趨勢(shì)。測(cè)量后應(yīng)與操作坑內(nèi)另一水準(zhǔn)點(diǎn)閉合。

7) 激光測(cè)量。將激光經(jīng)緯儀(激光束導(dǎo)向)安裝在操作坑內(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(接受靶)，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)示中心，說明頂進(jìn)質(zhì)量無偏差，否則應(yīng)根據(jù)偏差量進(jìn)行較正。

8) 全段頂完后，應(yīng)在每個(gè)管節(jié)接口處測(cè)量其中心位置和高程，有錯(cuò)口時(shí)，應(yīng)測(cè)出錯(cuò)口的高差。

9) 測(cè)量記錄要完整、清晰。

4.2.糾偏校正

糾偏是指工具管偏離設(shè)計(jì)軸線后，利用工具管糾偏或其他措施改變管端的方向，減少軸線偏差的方法。

當(dāng)測(cè)量結(jié)果超出允許范圍外，就要進(jìn)行糾偏。頂管糾偏是逐步進(jìn)行的，形成誤差后不可立即將已頂好的管子校正到位，應(yīng)緩慢慢進(jìn)行，使管子復(fù)位，不能猛、硬糾調(diào)，以防產(chǎn)生相反的結(jié)果。糾偏采用人工與工具管聯(lián)合應(yīng)用的方法進(jìn)行。由于第一節(jié)管要承受工具管糾偏較大的不均勻反復(fù)應(yīng)力，故第一段管質(zhì)量一定要好，同時(shí)為保證糾偏較大的靈敏度，第一段管長(zhǎng)度不宜過長(zhǎng)。

當(dāng)偏差較小(1～2 cm)時(shí)，采用超挖糾偏法，即在管子偏向的反側(cè)適當(dāng)超挖，而在偏向一側(cè)不超挖甚至留坎，形成阻力，使管子在頂進(jìn)中向阻力小的超挖側(cè)偏向，逐漸回到設(shè)計(jì)位置。當(dāng)偏差較大時(shí)，采用工具管活動(dòng)頭糾偏，糾偏時(shí)應(yīng)注意幾點(diǎn)：① 糾偏應(yīng)在頂進(jìn)過程中糾偏，邊頂進(jìn)邊糾偏；② 糾偏應(yīng)小角度逐漸進(jìn)行，不能急拐或突升突降；③ 用工具管糾偏時(shí)應(yīng)注意工具管的復(fù)位；④ 每次糾偏均要仔細(xì)記錄過程和糾偏值。

4.3.路面沉降監(jiān)測(cè)

頂管施工過程中，要嚴(yán)密監(jiān)測(cè)穿越公路路面沉降變形情況，避免路面沉降的產(chǎn)生和控制沉降量。頂管施工管道多是單方向受拉(或受壓)，沿管道軸線方向的縱向位移很小，可以忽略不計(jì)，套管變形主要考慮垂直于管道軸線方向位移，即水平方向的側(cè)向位移和垂直方向的下沉或隆起。

1) 測(cè)點(diǎn)布置。縱斷面觀測(cè)點(diǎn)，沿頂管軸線每隔5 m布置一個(gè)；橫斷面觀測(cè)點(diǎn)，每斷面為軸線左右3 m。對(duì)于高速公路或帶有中央隔離帶的公路穿越，還要在公路路緣石及中央分隔帶處分別設(shè)置沉降觀測(cè)點(diǎn)，頂進(jìn)過程中隨時(shí)進(jìn)行沉降觀測(cè)。

2) 監(jiān)測(cè)方法。采用水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀進(jìn)行靜態(tài)連續(xù)路面位移及沉降觀測(cè)。① 頂進(jìn)前測(cè)定初始值，應(yīng)在連續(xù)3次測(cè)得的數(shù)值基本一致后才能定為初始值；② 頂進(jìn)到達(dá)時(shí)測(cè)定地面隆陷情況；③ 頂進(jìn)過程中每天測(cè)量1次；④ 工具管通過后的沉降值；⑤ 1～3 d后的沉降值及沉降速率；⑥ 7～10 d后的沉降值；⑦ 在有特殊要求時(shí)還需測(cè)最終沉降值。當(dāng)監(jiān)測(cè)值達(dá)到報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)、變化量較大或速率加快、有危險(xiǎn)事故征兆、路面突然出現(xiàn)大量沉降或開裂、長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)降雨等情況出現(xiàn)時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，縮短監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔，加密監(jiān)測(cè)次數(shù)。

5.結(jié)語(yǔ)

隨著《石油規(guī)劃》和《天然氣規(guī)劃》的實(shí)施，在公路穿越工程中，手掘式頂管仍然是最經(jīng)濟(jì)、最方便的施工方法。為保證采用該方法穿越公路施工時(shí)更加安全、可靠，在設(shè)計(jì)過程中要做到加強(qiáng)校核、驗(yàn)算，在施工過程中要做到合理安排工作項(xiàng)、牢牢掌握關(guān)鍵點(diǎn)，才能使項(xiàng)目的方案更優(yōu)、工程的質(zhì)量更好。