頂管施工技術在八鋼污水提標改造工程中的應用研究

袁志偉

(新疆頭屯河流域管理局水利管理中心，新疆 昌吉 831100)

1 工程概況

八鋼生活污水處理廠位于烏魯木齊市頭屯河區(qū)頭屯河東岸，設計處理能力為日處理污水2.5萬m3，服務范圍為八鋼生活居住及配套區(qū)域。該廠于2010年11月正式投入運行，處理后的污水水質可達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》GB 18918—2002中的一級B標準，主要用于八鋼區(qū)域內的農田灌溉和綠化用水，緩解了頭屯河區(qū)水資源短缺矛盾。近年來隨著城市快速發(fā)展和人口迅速增長，城市污水排放量逐年增加，同時環(huán)保要求也日益提高，八鋼污水處理廠現有的處理水平已經無法滿足當前環(huán)境下的排放標準，急需對該廠進行提標改造。頂管施工技術作為一種非開挖施工技術手段在管道工程中具有明顯的優(yōu)勢[1]，因此被應用于該污水處理廠提標改造工程中。

該頂管工程共有三道，分別為：1#位于廠區(qū)外回用水管道工程終點，接廠區(qū)內設計回用水管道，與廠區(qū)圍墻夾角為90°，與接管夾角為149°，頂管總長為22 m。頂管原地面高程為869.344 m，設計管中高程為865.512 m，頂管覆土為3.832 m，覆土大于3 m。2#位于濱河公園內，穿越東干區(qū)，與東干渠頂進夾角為101°，頂管全長40 m。頂管原地面高程為820.909 m，設計管中高程為816.290 m，頂管距原地面4.619 m，東干渠渠深1.500 m。管頂覆土為3.119 m，大于1.5倍管徑。3#穿越元川路，該公路為三級公路，平面線形為直線，縱坡為1%，雙向兩車道，穿越路段路幅寬22 m，頂管穿越總長38 m。頂管原地面高程為789.547 m，設計管中高程為785.785 m，管頂距離路面3.762 m。三道頂管總長共100 m，頂管都采用DN1000鋼筋混凝土套管，壁厚10 mm。

2 工程地質條件

根據本次勘察成果，擬建場地土層主要為雜填土和角礫，其特征分別為：①雜填土：厚度0.7～3.8 m，松散—稍密。②角礫(卵石)(Q4al+pl)：灰褐色，中密狀，呈層狀分布于擬建管線場地，僅于沿線控制性勘探孔及兩處穿越段揭穿，已揭層厚0.7～9.0 m。以硬質巖碎屑為骨架，粒徑為2～45 mm，磨圓差，呈棱角-次棱角狀；充填物以砂礫為主，含少量粉細粒及黏粒，級配良好。土石等級為Ⅲ級。

勘探深度范圍內未發(fā)現地下水，可不考慮地下水的影響。查閱資料顯示，場地區(qū)域內標準凍土深度為0.58 m，管道埋深遠遠大于最大標準凍土深度。

3 頂管施工

3.1 工作坑設計

根據場地實際情況和地質條件，工作坑地基設計分兩階，第一階豎向高度為2 m，平面凈尺寸為8 m×8 m×2 m，按1∶0.5放坡。開挖完成后做1.5 m寬緩沖平臺，然后開挖第二階，開挖深度2.9 m，其放坡比也設置為1∶0.5，二層工作井平面凈尺寸為4.6 m×3.6 m×2.9 m。開挖全部完成后進行鋼筋混凝土護壁，現澆C30混凝土，鋼筋采用直徑12 mm螺紋鋼，間距150 mm，雙層雙向鋼筋網片。工作井周圍設置30 cm排水溝引至集水坑。

由于混凝土管自重較大，摩擦力也相應較大，導軌基礎采用底板基礎上預埋鋼板，與鋼軌焊為一體。后背采用組合鋼結構，安裝方便，鋼制后背緊貼工作井后座墻壁，用混凝土灌縫。

3.2 施工方法

(1)測量放線。工作坑開挖完成后，將之前在地面上放出的中線控制樁引至工作井內，此中線為頂管的測量基線；控制樁樁點位于頂管的中心點處，其當作測量頂管高程的水準點。

(2)管道吊裝。吊裝之前對管道進行仔細檢查。第一節(jié)管道被安裝到導軌上時，需要對管道中心和前后端底部進行高程測量，檢驗導軌是否安裝準確無誤。為防止管口損壞需安裝弧形頂鐵來保護。

(3)千斤頂安裝。千斤頂呈并列式被固定在工作井內由型鋼制作的支架上，其頂力合力作用點位于管圓心處，為避免頂進施工時可能產生力偶進而造成頂進偏差，需要使管壁反作用力的合力作用點與千斤頂軸心處于同一條線上。當管壁上部與土體之間出現空隙時，千斤頂的著力點最好作用于管端面垂直徑的1/4處。

(4)頂鐵安裝。頂鐵必須直順安裝，不能出現歪斜扭曲現象。進行頂鐵加放時，盡可能地加入最長的頂鐵，以便連接的頂鐵數量最少。頂進過程中，確保頂鐵上方和側面都沒有工作人員，同時隨時注意頂鐵是否出現異?，F象，以防頂鐵崩裂。

3.3 頂進施工

根據“先挖后頂，隨挖隨頂”原則，頂進施工一旦開始工作，直至結束前中途都不應停止。頂進工作在初始時應緩慢進行，當工具管與土體充分接觸緊閉后，再以正常速度進行頂進施工。

頂進施工大致流程如下：首先將導軌和千斤頂固定在工作井內，然后把工具頭安放在導軌上，再安裝頂鐵，將各部分連接好后對其標高和水平誤差等參數進行測量校核，檢查無誤后開始進行工具頭頂進，之后安放混凝土管并進行標高測量，合格后即可開始試頂，根據試頂情況對設備各項參數進行相應地調整，完成后便開始正常頂進施工。頂進施工原理主要是通過千斤頂在后出鎬推進管道，工具頭風鎬在前挖掘土體。其具體操作過程為：(1)將頂鐵安裝固定，使工具管前端破取一定長度。啟動油泵，千斤頂進油，活塞伸出將管道向土層內推進，直到該頂鐵長度被完全頂進。(2)停止油泵，打開控制閥，千斤頂回油，活塞回縮。(3)繼續(xù)加入頂鐵，重復前面步驟，直到該節(jié)管道被完全頂進。(4)卸下頂鐵，吊裝下節(jié)管道，用橡膠環(huán)連接兩節(jié)管道，兩管接口處安裝鋼內脹圈或鋼卡固定，保證管與管之間控制在同一圓心上。

3.4 監(jiān)測措施

地下頂管施工會使上覆土體發(fā)生擾動，導致地面產生一定的變形，為防止變形過大造成地面破壞，需要對頂管施工進行沉降監(jiān)測[2]。根據環(huán)境特征和工程要求，監(jiān)測分為三個階段：(1)施工前監(jiān)測。布設道路沉降控制點，測量施工之前道路現有的沉降變形。采用水準儀對監(jiān)測點進行測量，將獲取的數據與初始值對比分析，有效地掌握沉降量，要求沉降控制在±10 mm之內。(2)施工中監(jiān)測。在頂管施工過程中，由第三方監(jiān)測單位進行每天實時監(jiān)測，當沉降量接近控制閾值時需馬上停止工作，并采取相應的治理措施。常規(guī)監(jiān)測工作由專人負責實施，根據頂進位置進行1 h不間斷的測量，監(jiān)測人員對監(jiān)測數據進行統(tǒng)計分析，及時提供沉降、位移曲線圖以指導施工。(3)施工后監(jiān)測。頂管施工完成后還需對區(qū)域再監(jiān)測一段時間，確保沉降值在控制范圍內，最后提交監(jiān)測報告[3]。

4 頂管安全計算

4.1 混凝土管允許最大頂力計算

根據《給排水工程頂管技術規(guī)程》CECS 246—2008[4]計算鋼筋混凝土管道傳力面允許的最大頂力，計算如式(1)所示：

(1)

式中：Fdc為混凝土管允許最大頂力值，kN；φ1為混凝土材料受壓強度折減系數，取0.9；φ2為偏心受壓強度提高系數，取1.05；φ3為材料脆性系數，取0.85；γQ d為頂力分項系數，取1.3；φ5為混凝土強度標準調整系數，取0.79；fc為混凝土受壓強度設計值，23.1 N/mm2；Ap為管道最小有效傳力面積，mm2。經計算DN1000頂管最大允許頂力Fdc=3121.5 kN。

4.2 最大頂進阻力計算

根據《給排水管道工程施工及驗收規(guī)范》GB 50268—2008[5]，混凝土管道最大頂進阻力由式(2)、式(3)計算。

Fp=πD0Lfk+NF

(2)

(3)

式中：Fp為頂進阻力,kN；D0為管道外徑，取值1200 mm；L為管道設計頂進長度，取40 m；fk為管道外壁與土的單位面積平均摩阻力，取值11.0 kN/m2；NF為頂管機的迎面阻力,kN;Dg為頂管機外徑，取值1200 mm；p為控制土壓力，p=γ·h(按被動土壓力計算)，γ為墻后土體容重，取值19.8 kN/m3；h為基坑深度，取值4.6 m。經計算理論頂力Fp=1760.9 kN，取1.3倍理論頂力為總頂力，即總頂力為2289.2 kN小于DN頂管最大允許頂力3121.5 kN，滿足施工要求。

4.3 后座墻反力計算

要保證后墻土體穩(wěn)定性，則背墻后的最大土壓力P≥1.3Fp，計算如式(4)所示：

(4)

式中：P為背墻后的總被動土壓力，kN；B為背墻寬度，取值3.0 m；α為系數，取1.5；Kp為被動土壓力系數，Kp=tan2(45°+ψ/2)；h1為背墻橫向中心線距離地面高度，取值4.9 m；c為土體黏聚力，取值27 kN/m2；ψ為土體內摩擦角，取值14°。經計算最大土壓力P=2346.65 kN大于總頂力2289.2 kN，后背墻滿足強度要求。

4.4 車輛對套管的荷載計算

由于道路上車輛眾多并經常有大型車輛經過，因此對汽車的動荷載進行驗算，如式(5)所示：

(5)

式中：qc為汽車對套管產生側重直荷載，kN/m2;PC為汽車后輪輪壓，取值274.4 kN;KC為動力系數，取1.0；a為輪胎行進方向著地長度，取0.2 m；b為輪胎寬度，取0.6 m；hc為管頂至路面埋深，取3.16 m；β為壓力在土壤中的傳播角，一般取30°。經計算活荷載qc=16.78 kN/m2，根據規(guī)范土壤垂直荷載qv=25.05 kN/m2。則套管總垂直荷載q=qc+qv=41.83 kN/m2。本項目采用的型號為DRCPII DN1000×2000鋼筋混凝土套管，裂紋荷載為107 kN/m2，破壞荷載為161 kN/m2。套管總垂直荷載小于鋼筋混凝土套管裂紋荷載和破壞荷載，套管滿足強度要求。

5 結 語

本文以八鋼污水處理廠提標改造工程中的頂管施工過程為例，結合工程實例，具體分析了頂管施工技術在城市污水管道工程中的應用。該技術應用性好，能夠很好地解決管道在施工過程中可能造成的交通堵塞和建筑物破壞等問題，降低了施工難度，提高了施工效率，加快了施工進度、減少了施工成本?？偟膩碚f，頂管施工技術在市政管道工程中具有明顯的優(yōu)勢，發(fā)展前景非常大。