頂管施工技術(shù)在城市給排水工程中的應(yīng)用

鄭傳廠

（中交四航局第二工程有限公司 廣州510230）

0 前言

東莞市水生態(tài)建設(shè)項(xiàng)目位于鬧市區(qū)，地下管線錯(cuò)綜復(fù)雜。頂管施工作業(yè)范圍小，具有對(duì)交通出行影響小、管線遷改工作量少、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)高等優(yōu)點(diǎn)，故頂管施工比傳統(tǒng)明挖施工更具有良好的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益，在市政管網(wǎng)工程中應(yīng)用廣泛。

1 工程概況

東莞市水生態(tài)建設(shè)項(xiàng)目某截污管網(wǎng)工程中頂管設(shè)計(jì)長(zhǎng)21.5 km，某道路頂管施工總長(zhǎng)1 122 m，采用DN800 的 混 凝 土Ⅲ管，管 底 埋 深4.5～5.4 m，坡 度0.2%～0.5%，工作井內(nèi)徑7.0 m，井壁厚55 cm，接收井內(nèi)徑4.0 m，井壁厚45 cm，均采用抗?jié)BP6 且C30 的現(xiàn)澆混凝土。工作井及接收井四周均布置2 排φ600@500止水帷幕樁。

2 頂管施工方法

2.1 機(jī)械設(shè)備選型

2.1.1 頂管機(jī)選型

根據(jù)地勘報(bào)告及現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)實(shí)地調(diào)研綜合分析，采用泥水平衡掘進(jìn)機(jī)。該頂管機(jī)主要包括刀盤(pán)切削裝置、動(dòng)力裝置、液壓裝置、糾偏裝置、泥水裝置、電氣操作系統(tǒng)、顯示裝置等。設(shè)備樣式如圖1所示。

圖1 頂進(jìn)設(shè)備示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Jacking Equipment

2.1.2 主頂裝置

主頂裝置采用2 只200 t 液壓千斤頂，并排布置。頂進(jìn)過(guò)程中調(diào)整軸線，主要依靠主頂裝置上的活動(dòng)底架，該底架一般采用［8槽鋼焊接。

2.1.3 頂進(jìn)設(shè)備安裝

頂進(jìn)設(shè)備主要包括液壓裝置和傳力裝置兩部分。設(shè)備布置得是否合理，直接關(guān)系到施工頂進(jìn)的效果，因此，安裝前應(yīng)對(duì)液壓裝置進(jìn)行單體實(shí)驗(yàn)，檢查液壓裝置各零部件是否工作正常。安裝好全部液壓裝置后，必須進(jìn)行檢查調(diào)試，確保能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.1.4 壓漿設(shè)備安裝

壓漿設(shè)備應(yīng)優(yōu)先考慮在工作井附近處組合安裝，主要是便于施工作業(yè)方便。該設(shè)備主要包括過(guò)濾池、沉淀池、2臺(tái)泥漿泵、1臺(tái)螺桿泵組成，再配置2寸白鐵管將沉淀池的螺桿泵與頂進(jìn)中管節(jié)的壓漿管連接。

2.1.5 基坑導(dǎo)軌安裝

本工程頂管頂進(jìn)導(dǎo)軌采用25B 雙拼槽鋼焊接而成，焊接坑位置導(dǎo)軌斷開(kāi)，內(nèi)襯墻處設(shè)置延伸導(dǎo)軌。

2.2 管道頂進(jìn)施工

頂管工作井內(nèi)各項(xiàng)準(zhǔn)備工作就緒后且設(shè)備試運(yùn)轉(zhuǎn)正常，即可開(kāi)始頂管施工。施工順序：沉井施工?測(cè)量放樣?頂機(jī)設(shè)備安裝?鑿洞門(mén)?安裝密封圈?開(kāi)泵頂進(jìn)?出泥漿?管道貫通?拆機(jī)?安裝檢查井?回填夯實(shí)［1，2］。

2.2.1 鑿洞門(mén)

通過(guò)測(cè)量放樣，確定洞口具體位置后，采用風(fēng)鎬對(duì)洞口進(jìn)行鑿除。鑿除洞門(mén)的混凝土渣塊需及時(shí)從底部清理干凈，確保施工作業(yè)面的操作空間。

2.2.2 后座墻

后座墻施工一般采用C25 素混凝土澆筑，尺寸為高3.5 m，寬3.2 m，厚0.5 m，并進(jìn)行力學(xué)參數(shù)驗(yàn)算。為把頂鎬的反力均勻傳遞至后座墻，頂管施工前，在后座墻外側(cè)面加焊1塊鋼板，鋼板強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性須滿足施工需求。

2.2.3 安裝止水橡膠圈

在洞口側(cè)壁先安裝帶法蘭的鋼套管，用于固定止水橡膠圈及止水封板，其作用是防止出洞口及頂進(jìn)過(guò)程中泥漿涌入工作井內(nèi)，同時(shí)也可防止地下水進(jìn)入井內(nèi)。

2.2.4 下管

現(xiàn)場(chǎng)采用16 t 輪胎汽車(chē)吊或小型龍門(mén)吊下管。當(dāng)首節(jié)混凝土管吊裝至導(dǎo)軌上時(shí)，通過(guò)測(cè)量管的中線、前后端管底標(biāo)高，來(lái)校核導(dǎo)軌位置的準(zhǔn)確性。

2.2.5 頂進(jìn)、出土流程

泥水平衡掘進(jìn)采用全自動(dòng)的泥水輸送方式，在機(jī)艙內(nèi)將挖掘的泥土和泥水不停地?cái)嚢栊纬赡酀{，然后通過(guò)泥漿泵、泥漿管抽排至沉淀池及過(guò)濾池循環(huán)利用。工作井周邊配套設(shè)置沉淀池，積攢的沉淀余土通過(guò)挖掘機(jī)裝運(yùn)，外運(yùn)至棄土點(diǎn)。掘進(jìn)過(guò)程中相關(guān)參數(shù)控制，主要通過(guò)PLC 全自動(dòng)操控臺(tái)控制泥水倉(cāng)壓力及流量值，從而達(dá)到泥水平衡效果。若機(jī)頭土倉(cāng)內(nèi)泥水壓力遠(yuǎn)大于壓力控制值時(shí)，地面會(huì)隆起；若泥水壓力遠(yuǎn)小于壓力控制值，地面會(huì)下沉或沉陷。鑒于頂進(jìn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)上述現(xiàn)象，所以控制掘進(jìn)速度與出泥的速度相當(dāng)關(guān)鍵［3-5］。

2.2.6 測(cè)量與糾偏

⑴中心線測(cè)量：在地面上先用萊卡全站儀TSO6放樣出頂管方向樁，然后通過(guò)棉繩掛吊錘將工作井邊的兩方向投引到井底部。在工作井中用DSJ3-Z 激光水準(zhǔn)儀照準(zhǔn)兩吊錘，讀取前端的中心尺刻度，當(dāng)被頂?shù)墓艿谰従弿?fù)位時(shí)，中心尺刻度相重疊，則說(shuō)明頂進(jìn)按設(shè)計(jì)方向進(jìn)行，若尺的刻度未重疊，則其差值為偏里設(shè)計(jì)方向差值。

高程測(cè)量：將附件的水準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)引設(shè)至工作井內(nèi)，在頂鐵上面架設(shè)激光水準(zhǔn)儀，測(cè)量管的前端底部高程。

⑵頂管糾偏：頂進(jìn)過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)敷設(shè)管道位置與設(shè)計(jì)偏差＞10 mm，應(yīng)通過(guò)操作機(jī)頭的糾偏千斤頂進(jìn)行糾偏。主要通過(guò)DSJ3-Z 激光水準(zhǔn)儀的激光束照射在掘進(jìn)靶上的位置，糾偏的角度一般控制為2.5°，能通過(guò)上下左右4個(gè)方位分別進(jìn)行糾偏。一般情況下每次糾偏角度不大于0.5°，從而實(shí)現(xiàn)管道鋪設(shè)方向的調(diào)節(jié)（見(jiàn)圖2）。

圖2 糾偏示意圖Fig.2 Deviation Correction Diagram

2.3 頂管力學(xué)參數(shù)確定［6，7］

2.3.1 頂力計(jì)算

考慮到頂管經(jīng)過(guò)不同地質(zhì)，以最不利的情況計(jì)算分析，管道埋深5.4 m，頂進(jìn)最長(zhǎng)距離120 m，頂管頂力計(jì)算如下：

式中：F為總推力；Fl為迎面阻力；F2為掘進(jìn)阻力；D為管外徑，取0.96 m；P為土壓力控制值；f為管材外表面綜合摩阻力的平均值，當(dāng)頂管穿越淤泥層，f=0.3 t∕m2；當(dāng)頂管穿越素填土層，f=0.4 t∕m2；當(dāng)頂管穿越粉質(zhì)粘土層，f=0.5 t∕m2；當(dāng)頂管穿越砂層，f=0.8 t∕m2；L為最長(zhǎng)頂距，取值120 m（取相對(duì)不利條件，穿越砂層考慮）。

式中：K0為靜止土壓力系數(shù)，取0.65；H0為地面至頂管機(jī)中軸線的高度，取最大值5.0 m；γ為管道埋設(shè)該土層土的重力密度，根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告分析，粉質(zhì)黏土γ=19 kN∕m3，即γ=1.9 t∕m3。

取泥水平衡頂管施工段最大的頂進(jìn)阻力進(jìn)行驗(yàn)算，得知總推力：F=18.94+289.38＝308.32 t，則F=3 083.2 kN。

2.3.2 后座土抗力計(jì)算

本工程后座墻采用整體式組合鋼板結(jié)構(gòu)，主要采用現(xiàn)澆混凝土加鋼襯板。后座墻是頂力的反作用力支撐結(jié)構(gòu)，應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度且壓縮變形小。因此后座墻的承受力必須滿足傳遞最大頂力的需要，故應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算。

根據(jù)《頂管施工技術(shù)及驗(yàn)收規(guī)范》［8］要求，假設(shè)千斤頂?shù)捻斄κ怯珊笞鶋鶆虻貍鬟f在工作井的后方土體上，需對(duì)后座土抗力R進(jìn)行驗(yàn)算，確保頂進(jìn)過(guò)程中后座墻能安全可靠。

式中：R為后座土抗力（kN）；α為系數(shù)，取1.5～2.5，本次計(jì)算取2.0；B為后背墻的寬度，取3.2 m；γ為土的重度，取19.0 kN∕m3；H為后座墻的高度，取3.5 m；Kp為被動(dòng)土壓系數(shù)，取3；c為土的內(nèi)聚力，根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告及現(xiàn)場(chǎng)踏勘綜合分析，該土質(zhì)為中砂，c=0；h為原地面至后座墻頂部土體的深度，計(jì)算得出h=3.25 m。

故后座土抗力R=2.0×3.2×（19×3.5×3.5×3÷2+0+19×3.25×3.5×3）=6 384 kN＞計(jì)算總推力P=3 083.2 kN，滿足頂管施工要求。

2.3.3 管材允許頂力計(jì)算：

式中：N為管材允許頂力（kN）；η為不同管材的折減系數(shù)，按規(guī)范取值為0.8；f為管材的縱向抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度（MPa），f=25.3 MPa；A0為管材環(huán)向最小截面面積（m2），A0=0.180 9 m2。

N=1 000η fA0=1 000×0.8×25.3×0.180 9=3 661.42 kN＞計(jì)算總推力P=3 083.2 kN，可滿足要求。

3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

井坑開(kāi)挖過(guò)程中，為確保井坑周邊土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，需對(duì)井坑周邊土體沉降、水平位移等項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)測(cè)。頂管施工過(guò)程中，為確保現(xiàn)有建筑物及頂管上方路基土體、過(guò)路管線的安全，需對(duì)施工過(guò)程建筑物進(jìn)行監(jiān)測(cè)及施工區(qū)域巡查，監(jiān)測(cè)項(xiàng)主要有原地面沉降和水平位移監(jiān)測(cè)等。該道路由為交通要道，須重點(diǎn)監(jiān)測(cè)頂進(jìn)路徑L∕5 范圍內(nèi)的機(jī)動(dòng)車(chē)道路面沉降，該沉降觀測(cè)點(diǎn)一般按每2 m 布置1 個(gè)，中間每3 m 布置1個(gè)。監(jiān)測(cè)平面布置如圖3所示［8-10］。

圖3 井坑及路面監(jiān)測(cè)平面示意圖Fig.3 Monitoring Plan of Well Pit and Pavement

4 總結(jié)

本文以東莞市水生態(tài)建設(shè)項(xiàng)目頂管施工為例，主要從施工工藝、測(cè)量控制、糾偏控制、頂力及后座墻的相關(guān)力學(xué)參數(shù)計(jì)算等方面闡述了頂管施工的過(guò)程控制，從而保證頂管施工質(zhì)量。在城市的繁華街區(qū)或交通要道，頂管施工優(yōu)勢(shì)更突出，減少了城市管道亂挖的現(xiàn)象，確保市容市貌干凈整潔。