大口徑鋼管曲線頂管技術(shù)在給水工程穿越運河施工中的應(yīng)用

摘要：本文主要是結(jié)合筆者在工作的實際工程項目，對給水管道工程中的大口徑鋼管曲線頂管頂進技術(shù)進行了論述，以供參考。

關(guān)鍵詞：曲線頂管；工程簡介；頂進技術(shù)

隨著城市經(jīng)濟發(fā)展和改造，為了解決了大口徑給水管道埋設(shè)施工中對城市建筑物的破壞和道路交通的堵塞等難題，以及從穩(wěn)定土層和環(huán)境保護等方面的考慮，頂管工程技術(shù)的應(yīng)用是未來城市大口徑給水管道埋設(shè)的發(fā)展趨勢，曲線頂管技術(shù)也有很大的發(fā)展。

一、工程簡介

某給水管道工程穿越京杭大運河，采用頂管施工，擬頂進的管道直徑分別為DN1600及DN1000鋼管，原設(shè)計采用直線頂管，兩管線平行敷設(shè)，單管長度約250米左右。在工作井和接收井已經(jīng)完成的情況下，收到港務(wù)公司運河西側(cè)碼頭岸邊的鋼管樁布置圖，并對頂管軸線進行現(xiàn)場測量放樣，放樣結(jié)果為頂管軸線正好位于鋼管樁中心，且鋼管樁的底標(biāo)高低于頂管管道中心標(biāo)高，頂管無法從鋼管樁地下穿過。如果按照設(shè)計軸線頂進，需要拔除鋼管樁或者廢除已經(jīng)完成的工作井，將造成上百萬的經(jīng)濟損失。

經(jīng)認(rèn)真研究決定采用曲線頂管施工避讓障礙物，DN1000頂管半徑為6841.2米向南偏離原管位，DN1600頂管半徑為5972.4米向南偏離原管位。為保證曲線頂管時鋼管的柔性，鋼管材質(zhì)改用Q235B，DN1000鋼管壁厚改為14mm，每條頂管均需設(shè)6只中繼間。

二、施工工藝

頂管法施工是在地下工作坑內(nèi)，借助頂進設(shè)備的頂力將管子逐漸頂入土中，并將阻擋管道向前頂進的土壤，從管內(nèi)用人工或機械挖出。這種方法比開槽挖土減少大量土方，并節(jié)約施工用地，特別是要穿越建筑物時，采用此法更為有利。

頂管施工主要包括：施工準(zhǔn)備→測量高程及軸線→挖頂管工作坑→鋪頂管導(dǎo)軌→設(shè)置頂進后背→安裝頂進設(shè)備及吊放管節(jié)→挖土頂進→測量及糾偏→再次挖土（管中土）頂進→測量循環(huán)作業(yè)直致完成。

三、曲線頂管頂力計算

頂管計算的根本問題是要估計頂管的推力。頂管的推力就是頂管過程管道受的阻力，包括工具頭正面泥水壓力、管壁摩擦阻力。泥水平衡壓力：在封閉的工作倉內(nèi)加泥水壓力平衡地下水壓力，是防止泥砂涌入的重要方法。泥水壓力一定要合理。壓力較小，大量的泥砂涌入，會造成路面破壞，地表設(shè)施受損；壓力過大，會增大主千斤頂負(fù)荷，嚴(yán)重的可能產(chǎn)生冒頂現(xiàn)象。曲線頂管的頂力可分成軸向力和側(cè)向力兩部分。（見圖1）。

1、管道軸向力

參考《給水排水管道工程施工及驗收技術(shù)規(guī)范》（GB50268-2008）計算頂管井中頂管設(shè)備所需最大頂力

P軸=？D0Lfk+NF

其中：P軸—軸向頂進阻力（kN）；

D0--頂管外徑（m）；

L—管道設(shè)計頂進長度（m）；

fk—管道外壁與土的單位面積平均摩阻力（kN/㎡）；

NF --頂管機的迎面阻力（kN）；

式中 H0——地面至掘進機中心的厚度；

γ——土的濕密度，取18kN/m3

2、管道側(cè)向力

由圖1可知，折線轉(zhuǎn)向角δ是∠ABC的補角。

因為∠ABC=2β所示

δ=180-2β

α=180-2β

δ=α

假設(shè)忽略管壁摩阻力，并假設(shè)AB管段的軸向頂力是P1，則BC管段的軸向頂力和側(cè)向分力是

P2=p1ctgα

P′2=p1tgα

式中P2—下一管段的軸向頂力；

P′2—下一管段的側(cè)向分力。

由此可見，曲線頂管存在側(cè)向分力，因此要驗算土體的承載力。如果承載力不夠，管軸線會因此失穩(wěn)，側(cè)向分力使管道靠向曲線外側(cè)，并作用在土體上，還會使管道的頂進阻力增加。因此曲線頂管在頂力配置時要考慮管道摩阻力增加的因素。已知彎曲半徑R和管段長度l，就可以求得α。根據(jù)軸向頂力的大小，就可求得側(cè)向分力。再根據(jù)μ值，即可求得管段的附加摩阻力。本工程頂管半徑均非常大，DN1600頂管半徑5972.4米，DN1000頂管半徑6841.2米，折線轉(zhuǎn)向角δ僅0.4°，因此側(cè)向分力可以忽略不計。見表1。

3、頂力的較正

曲線頂進時，管段的允許頂力要折減。折減系數(shù)與管段轉(zhuǎn)角有關(guān)，混凝土管還與木墊片的彈性模量、木墊片的厚薄有關(guān)。曲線頂管不但會使混凝土管的允許頂力下降，而且還會使管道總頂力增加。如果中繼環(huán)設(shè)計頂力不變，則曲線頂管中繼環(huán)的數(shù)量要比直線頂管多。

管道進入曲線段，管段間的頂力傳遞面靠向曲線內(nèi)側(cè)（見圖2），因此中繼環(huán)進入曲線段后頂力要調(diào)正，使中繼環(huán)的頂力合力中心與其他管段傳力一致。調(diào)正的辦法是曲線外側(cè)的中繼油缸要封住，即部份油缸不使用。停用油缸數(shù)量可通過計算。最簡單的辦法是，觀測中繼環(huán)轉(zhuǎn)角有無變化。轉(zhuǎn)角增加，表示要增加停用的油缸，合力中心還要靠向曲線內(nèi)側(cè)；轉(zhuǎn)角減小，表示停用的油缸太多了，需要減少；只有當(dāng)轉(zhuǎn)角不增不減，或者變化不大時，認(rèn)為調(diào)正是正確的。

中繼環(huán)的頂力調(diào)整降低了中繼環(huán)的實際使用頂力，因此中繼環(huán)的允許使用頂力還要比設(shè)計頂力低，頂力配置時要考慮這一因素。

四、曲線頂管的測量控制

測量對曲線頂管的軌跡控制是至關(guān)重要的。由于在曲線頂管的管內(nèi)，測量儀器不能與機頭通視，而且在頂進過程中，整體管道都是處在無規(guī)則動態(tài)，還會發(fā)生旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象。所以如采用人工地下導(dǎo)線測量方法，不僅測量時頂管必須停止，而且工作量大，影響頂管進度。在二次測量之間，只能盲目頂進，頂管質(zhì)量難以得到可靠保證。為此，我們采用頂管自動引導(dǎo)測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)由頂管工作井下一臺固定于儀器墩上的自動全站儀[T1）及固定于井壁上的二個后視點（PI和PR）組成頂管貫通測量地下導(dǎo)線的起始基準(zhǔn)點，按連續(xù)導(dǎo)線形式隨頂管頂進的長度和線形，在管道內(nèi)固定安置若干臺自動全站儀（T2、T3？）及棱鏡。見圖3。

由離機頭最近的全站儀最后測量固定安置于機頭內(nèi)的棱鏡P1、P2的坐標(biāo)，然后歸算求得當(dāng)前機頭位置中心P0的坐標(biāo)（X、Y、Z）。所有全站儀均與安裝于機頭內(nèi)的工業(yè)計算機（1PC）通過專用雙向通訊電纜連接。每一臺全站儀的測量均按照由IPC機，然后由IPC機進行數(shù)據(jù)處理，并與設(shè)計圖的管道中心軸線比較，在計算機屏幕上顯示機頭中心當(dāng)前的位置，左右偏差、上下偏差、機頭旋轉(zhuǎn)角、10m內(nèi)的機頭中心軌跡線，當(dāng)前機頭位置的里程及測量的時間。每測得一次機頭的坐標(biāo)圖形就刷新一次，“機頭當(dāng)前位置圖”字體顏色改變一次，顯示新值。以三臺全站儀，每刷新一次測量約4分鐘。系統(tǒng)周而復(fù)始進行測量，實現(xiàn)了機頭的跟蹤測量，做到“隨測隨糾”，有效地保證了頂管的質(zhì)量并大大提高整體施工進度，效果特別明顯。

五、結(jié)束語

本工程在穿越運河頂管工程中成功使用曲線頂管施工技術(shù)，通過中繼間的糾偏使機頭產(chǎn)生偏心，有控制的改變大口徑鋼管頂進方向，使頂管軸線成功避讓運河中的障礙物，既避免了經(jīng)濟損失又節(jié)約了工程工期。工程實踐證明，曲線頂管施工技術(shù)在大口徑鋼管頂管工程的應(yīng)用是正確而有效的。