淺談人工掘進(jìn)式頂管施工技術(shù)

丘遠(yuǎn)彬

摘要：本文依托施國(guó)道 G324 線云浮市腰古至逕口段路面改造工程施工為背景，對(duì)涵管施工的反開挖法、機(jī)械泥水平衡法、人工掘進(jìn)式法進(jìn)行闡述與探討。通過涵管施工方法的總結(jié)，體現(xiàn)人工掘進(jìn)式法施工簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)，節(jié)省投資，高效、安全、保護(hù)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，淺析了人工掘進(jìn)式法施工涵管的工作井準(zhǔn)備、管前挖土、頂進(jìn)等施工工藝過程以及施工過程的注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：城市施工涵洞 ??人工掘進(jìn)式法 ??頂管

1 工程概況

國(guó)道 G324 線云浮市腰古至逕口段路面改造工程，是云浮市與外地東西向的重要通道，也是保障云浮市支柱產(chǎn)業(yè)（石材產(chǎn)業(yè)）發(fā)展的生命通道，起于腰古鎮(zhèn)（K1157+175），途徑腰古、思勞、夏洞、河口、高峰、城區(qū)、逕口等鎮(zhèn)街，終于逕口（K1196+660），路線長(zhǎng)約 39.5 公里，采用設(shè)計(jì)速度60km/h，公路等級(jí)為一級(jí)公路的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，沿線兩側(cè)較多石材加工廠及商鋪，兩側(cè)為現(xiàn)澆蓋板邊溝，無法清理已堵塞，沿線存在較多較嚴(yán)重的水浸黑點(diǎn)，危機(jī)居民及商鋪的切身利益，設(shè)3處D1.0m管涵決解跨路排水問題，施工期間車流量較大、石材業(yè)的重載車較多，跨路施工存在的較大的施工風(fēng)險(xiǎn)和行車風(fēng)險(xiǎn)。

2 施工方案比選

涵洞在道路工程中起到過人、排水等作用，涵洞是施工方案較為成熟及普通，下面簡(jiǎn)單闡述幾種常見的施工方案，目的為了根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工特點(diǎn)選擇最優(yōu)施工方案。

1.1 一是反開挖法

在做好道路結(jié)構(gòu)層保護(hù)、交通疏導(dǎo)保障的前提下，在既有道路上進(jìn)行路面破除開挖，清運(yùn)土方開挖至涵洞設(shè)計(jì)標(biāo)高后，再進(jìn)行涵洞結(jié)構(gòu)物施工，最后完成路面恢復(fù)。

1.2 機(jī)械泥水平衡法

泥水平衡式頂管是一種以全斷面切削土體，以泥水壓力來平衡土壓力和地下水壓力，又以泥水作為輸送棄土介質(zhì)的機(jī)械自動(dòng)化頂管施工法。

基本原理是泥水護(hù)壁，隨著工具管的推進(jìn)，刀盤在不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)泥管不斷供泥水，排泥管不斷將混有棄土的泥水排出泥水艙。泥水艙要保持一定的壓力。使刀盤在有泥水壓力的情況下向前鉆進(jìn)。排泥系統(tǒng)將棄土排除，吊車下管，由千斤頂將管道分段頂進(jìn)。

1.3 人工掘進(jìn)式法

其力學(xué)原理：就是在工作坑內(nèi)借助于頂進(jìn)設(shè)備產(chǎn)生的頂力，克服管道與周圍土壤的摩擦力和前段土體阻力，將管道按設(shè)計(jì)的坡度頂入土中，并將土方運(yùn)走，最終完成涵管施工。

頂管施工借助于液壓千斤頂?shù)耐屏?，利用頂鐵、管間傳力，將管涵逐節(jié)頂入，在頂進(jìn)的同時(shí)進(jìn)行掏土外運(yùn)，以實(shí)現(xiàn)非開挖敷設(shè)地下管道的施工方法。

方案比選：根據(jù)國(guó)道G324線云浮市段的工程特點(diǎn)，交通車流量較大、石材業(yè)的重載車較多，采用反開挖法不適用。而機(jī)械泥水平衡法原理利用泥漿護(hù)壁，工藝繁雜，機(jī)械設(shè)備要求高，成本大。通過比選，該項(xiàng)目頂管工作井及接受井均在石材商鋪門廳處，人工掘進(jìn)式法相對(duì)其他方法具有施工簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)，節(jié)省投資，高效、安全、保護(hù)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。由于其他施工方法的優(yōu)點(diǎn)人工掘進(jìn)式法都有，而其他施工方法的缺點(diǎn)人工掘進(jìn)式法幾乎都能夠避免。因此，本項(xiàng)目通過方案比選，選擇人工掘進(jìn)式法進(jìn)行施工。

3 頂力計(jì)算與后背設(shè)計(jì)

人工掘進(jìn)式法的關(guān)鍵是利用千斤頂坐靠在后背墻上，保證足夠頂力及后背墻的穩(wěn)定性來克服管涵與周圍土壤的摩擦力和前段土體迎面阻力。因此方案是否可靠，必須通過理論的檢算。

后背作為千斤頂?shù)闹谓Y(jié)構(gòu)，要有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，且壓縮變形要均勻。所以，應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算。本工程采用鋼筋混凝土后背，這種后背施工方便。

地質(zhì)資料如下表所示：

由于工作井周邊存在國(guó)防光纜，多年的變化已無法通過路面探明其具體深度及位置，工作井開挖不能采取人工開挖護(hù)壁的方法進(jìn)行，最終選用在工作井范圍內(nèi)人工放坡挖探溝的方式進(jìn)行開挖，在挖出管線之前不動(dòng)用機(jī)械設(shè)備開挖。工作井采用長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)物，四周采用C30鋼筋混凝土墻防護(hù)，防護(hù)墻厚度50cm，其中后背墻為4.5×1×3.5m（寬×厚×高）;

第一管節(jié)前方按型鋼制作的工具管刃腳，寬12cm，角度45°;選取2臺(tái)200t的液壓千斤頂，

f：頂進(jìn)時(shí)，管道表面與其周圍土層之間的摩擦系數(shù)，其取值查《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB50268-2008）中表6.4.8-1所列數(shù)據(jù)選用，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告顯示，頂管標(biāo)高位置為粘土，取值0.5;

γ：管道所處土層的重力密度（kN/m3），查資料濕粘土取值16.66kN/m3;

D1：管道的外徑（mm），取值1.24m;

H：管道頂部以上覆蓋土層的厚度（m），取2.0m;

ф：管道所處土層的內(nèi)摩擦角（°），查《頂管施工技術(shù)及驗(yàn)收規(guī)范》可知：取值20°;

ω：管道單位長(zhǎng)度的自重（kN/m），根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)為8.4525kN/m;

L：管道的計(jì)算頂進(jìn)長(zhǎng)度（m），取最大值46m;

F2=0.5×16.66×1.24×[2×2+（2×2+1.24）×tan2（45°-20÷2°）+8.4525÷16.66×1.24]×46=3420.20kN

因此，總推力F=211+3420.20=3631.2kN

=3631.2*0.102t=370.38t。

根據(jù)總推力計(jì)算，主頂油缸選用2臺(tái)200t級(jí)油缸，頂進(jìn)系統(tǒng)即可滿足要求。

（2）后背墻穩(wěn)定性計(jì)算

考慮鋼筋砼后座的影響，假定主頂千斤頂施加的頂進(jìn)力是通過后座墻均勻地作用在工作坑后的土體上，為確保后座在頂進(jìn)過程中的安全，后座的反力或土抗力R 應(yīng)為的總頂力F的1.2～1.6倍，反力R 可采用公式計(jì)算：

R：總推力之反力，kN;

α：系數(shù)，查資料取值為2.5;

B：后座墻的寬度（m），取值4.5m;

γ：管道所處土層的重力密度（kN/m3），查資料濕粘土取值16.66kN/m3;

H1：后座墻的高度（m），取值3.5m;

KP：被動(dòng)土壓系數(shù)，查《頂管施工技術(shù)及驗(yàn)收規(guī)范》可知：取值2.04;

C：土的內(nèi)聚力（kPa），取值53kPa;

h：地面到后座墻頂部土體的高度，取值1m。

t：后座墻的厚度（m），取值1m;

Wp：鋼筋混凝土自重，取值23.52kN/m3

R=2.5×4.5×（16.66×3.52×2.04÷2+2×53×0.5×2.040.5+16.66×1×3.5×2.04）+4.5×3.5×1×23.52=4902.14kN

后背墻結(jié)構(gòu)驗(yàn)算：R=4902.14kN>3631.2×1.2=4357.44kN，后背墻滿足要求。

4 施工工藝

頂管施工采用人工掘進(jìn)頂管，即先開挖工作坑，再按照設(shè)計(jì)管線的位置和坡度，在工作坑底修筑基礎(chǔ)、設(shè)置導(dǎo)軌，把管子安放在導(dǎo)軌上頂進(jìn)。頂進(jìn)前，先在管前端人工開挖掏槽，然后用千斤頂將管頂入。一節(jié)管頂完，再連接一節(jié)管繼續(xù)頂進(jìn)。千斤頂支撐于后背墻，后背支撐于地面以下開挖的原狀土中。

施工工藝流程：

4.1 施工準(zhǔn)備

頂管施工需要準(zhǔn)備頂進(jìn)設(shè)備有：千斤頂、高壓油泵、頂鐵、工具管及運(yùn)出土設(shè)備、龍門吊;將設(shè)計(jì)及施工要求跟施工班組進(jìn)行技術(shù)交底，同時(shí)跟各方管線單位進(jìn)行方案交底，做好搶修工作的準(zhǔn)備。

4.2 測(cè)量放樣

施工前準(zhǔn)確地放出管涵的走向軸線，測(cè)量工作井和接受井處的路面標(biāo)高以便控制挖深和管涵底標(biāo)高。

4.3 工作井及后背墻施工

由于工作井位置附近存在國(guó)防光纜同時(shí)也在商鋪門廳處，通過物理勘測(cè)未能準(zhǔn)確定位光纜的埋深及位置，需要采用人工挖探溝以探明管線走向方可采用機(jī)械開挖。

在工作井范圍內(nèi)采用放坡開挖探溝，探明后搭設(shè)鋼板樁進(jìn)行施工防護(hù)，整個(gè)工作井和接收井采用C30鋼筋混凝土墻長(zhǎng)方形布置，凈空尺寸為4.0×3.5×3.5m（長(zhǎng)×寬×高），四周防護(hù)墻厚度50cm，其中后背墻為4.5×1×3.5m（寬×厚×高）;后背墻面線必須和管涵軸線垂直，方能確保頂進(jìn)順利不偏位;

4.4 修筑基礎(chǔ)及安裝導(dǎo)軌

基礎(chǔ)進(jìn)行硬化處理，防止地下水滲入浸泡，同時(shí)定位導(dǎo)軌，導(dǎo)軌中線與管涵軸線需要重合，確保頂進(jìn)順暢準(zhǔn)確。

4.5 安裝管節(jié)、掏槽開挖、頂進(jìn)

第一節(jié)管前端安裝工具管刃腳，頂進(jìn)方向與高程的準(zhǔn)確，是保證整段頂管質(zhì)量的關(guān)鍵。

管前挖土是控制管節(jié)頂方向和高程、減少偏差和重要作業(yè)，由于覆土厚度較薄且載重車行車，為了確保施工安全，管前挖土僅挖除軸線50cm范圍的核心土，施工人員不得超出管節(jié)范圍外開挖。

頂進(jìn)時(shí)2臺(tái)千斤頂配合頂鐵同時(shí)加壓同步頂進(jìn)，頂進(jìn)開始時(shí)，就緩慢進(jìn)行，待各接觸部位密合后，再按正常速度頂進(jìn)，頂進(jìn)時(shí)人員不得在管中和井中，待首節(jié)管節(jié)頂人后，液壓油缸退回到起始位置，將第2管節(jié)與首節(jié)相連，人工繼續(xù)掘土，如此循序漸進(jìn)，直至頂人到設(shè)計(jì)位置，完成頂管作業(yè)。

4.6 管內(nèi)運(yùn)土、提升、外運(yùn)

挖出的土方要及時(shí)外運(yùn)，采用小斗車運(yùn)出管內(nèi)，利用龍門吊將土方提升，堆放在指定的位置，利用挖機(jī)配合農(nóng)用車將挖土外運(yùn)為棄方。

4.7 接順?biāo)?、回填工作?/p>

完成所有頂管作業(yè)后，將既有排水系統(tǒng)連接工作井中，形成完整的排水體系，并在接收井和工作井中進(jìn)行分層夯實(shí)回填石粉，確保回填密實(shí)不下沉。

4.8 路面恢復(fù)

待井回填觀測(cè)合格后，恢復(fù)遠(yuǎn)路面結(jié)構(gòu)層并養(yǎng)護(hù)達(dá)到強(qiáng)度后方可通行。

5 注意事項(xiàng)

施工關(guān)鍵在于頂力傳遞，主要受力結(jié)構(gòu)物有后背墻及管節(jié)本身，要求后背墻必須能承受所有管節(jié)頂進(jìn)的最大頂力，同時(shí)也要求管節(jié)的強(qiáng)度和剛度滿足傳遞力的需求，若在條件受限情況下，可以采用刷蠟、注泥漿等減少摩阻力，從而降低頂力。

管內(nèi)的輔助管道設(shè)置于管道內(nèi)壁，主要有通風(fēng)設(shè)施和照明設(shè)施。通風(fēng)設(shè)施用一臺(tái)柴油空壓機(jī)，將壓縮空氣傳輸至管道最前端，通過壓入法以此進(jìn)行空氣循環(huán)。

6 結(jié)語

在城市、跨結(jié)構(gòu)物及跨既有線的區(qū)域采用人工掘進(jìn)式頂管的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：

①減少挖方和對(duì)周邊建筑物的影響。

②施工機(jī)械設(shè)備簡(jiǎn)單，施工作業(yè)范圍小，無任何環(huán)境污染。

但也存在不足之處：頂管過程中由于在管內(nèi)無法通過測(cè)量數(shù)據(jù)分析偏位情況，發(fā)生偏位將很難糾正，可能最終無法和接收井對(duì)接。

綜上，在城市、跨結(jié)構(gòu)物及跨既有線的區(qū)域采用人工掘進(jìn)式頂管，施工簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)，不開挖、不拆遷、不破環(huán)環(huán)境、省時(shí)、高效、安全、造價(jià)低。

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