穿越道路頂管施工技術(shù)淺析

□喻金鐘（河南省水利第二工程局）

穿越道路頂管施工技術(shù)淺析

□喻金鐘（河南省水利第二工程局）

頂管施工是一種暗挖施工方法，是在頂管工作井內(nèi)安裝千斤頂，采用高壓油泵供油，提供水平推力，將待頂管節(jié)一節(jié)一節(jié)由工作井（起點(diǎn)端）頂推至接收井（終點(diǎn)端），從而達(dá)到非開挖暗敷管道的目的，在隧道或地下管道穿越鐵路、道路、河流或建筑物等各種障礙物時應(yīng)用較多。隨著南水北調(diào)配套工程的開展，近兩年水利工程中頂管施工也較多，借此與廣大讀者一起探討、學(xué)習(xí)。

頂管;施工;技術(shù)

1 工程概況

某施工標(biāo)段為給水管道安裝工程，其中給水管道需要穿越市郊幾條非主要交通道路，穿越道路段設(shè)計(jì)為過路頂管施工，頂管采用DN2200鋼筋混凝土Ⅲ級管，壁厚220mm，單根長度為2.50m，許用頂力按照相關(guān)規(guī)范的規(guī)定不超過9800kN?；炷撂坠軆?nèi)穿DN1600給水鋼管，單處頂管的最大穿越長度為60m。

2 地質(zhì)及地下水位情況

管道沿線場區(qū)屬沖積傾斜平原，地勢較為平坦。工程場區(qū)揭露地層主要為第四系全新統(tǒng)沖積成因的重粉質(zhì)壤土（alQ14）和上更新統(tǒng)沖積成因的重粉質(zhì)壤土（alQ3）。其中，上更新統(tǒng)中的粉細(xì)砂分布較廣泛，見于整個標(biāo)段下部，最大揭露深度約13.20m。

工程區(qū)地下水主要為第四系松散土類孔隙潛水，水位埋深6m左右。

3 頂管施工

由于被穿越道路的路面高程為48.00m，頂管混凝土管中心設(shè)計(jì)高程為42.45m，可計(jì)算得出混凝土套管上部至路面的覆土厚度在4.20m左右。地下水位位于混凝土管底以上0.80m左右，施工前打降水井對穿越范圍段進(jìn)行降水，以滿足無水作業(yè)要求。

根據(jù)頂進(jìn)長度、混凝土管道內(nèi)徑、地質(zhì)條件及地下水位等因素進(jìn)行綜合考慮，該工程采用人工挖掘式施工方法進(jìn)行施工。

3.1 施工工藝流程

頂管施工工藝流程如下：測量放線→開挖工作坑→工作坑支護(hù)→后座墻制做→導(dǎo)軌安裝→工作平臺搭設(shè)→頂進(jìn)設(shè)備安裝→下管→挖土→頂進(jìn)→測量校對→接口→壓漿

3.2 測量放線

按照施工設(shè)計(jì)圖紙的要求及測量坐標(biāo)控制點(diǎn)，用全站儀測設(shè)出混凝土管道中心線的位置，確定混凝土管道穿越的中心樁、施工帶邊線樁、工作坑、出土坑的位置及尺寸并撒上白灰線。

3.3 工作坑設(shè)置

3.3.1 工作坑設(shè)置

工作坑設(shè)計(jì)為矩形，工作坑短邊與長邊之比通常為2：3，矩形工作坑底部尺寸應(yīng)滿足下列公式要求：

式中：B—矩形工作坑的底部寬度（m）；D1—管道外徑（m），本工程2.64m；S—操作寬度，可取2.40～3.20m，本工程取2.80m；L—矩形工作坑的底部長度（m）；L1—頂管掘進(jìn)機(jī)長度，當(dāng)采用管道第一節(jié)管作為頂管掘進(jìn)機(jī)時，對于鋼筋混凝土管，不宜小于0.30m，鋼管則不宜小于 0.60m，取 0.40m；L2—管節(jié)長度（m），取2.50m；L3—輸土工作間長度（m），取2.50m；L4—千斤頂長度（m），取1.50m；L5—后座墻的厚度（m），取1.00m。

經(jīng)計(jì)算，矩形工作坑的長度按8m，寬度按5.50m進(jìn)行施工，深度根據(jù)后座墻的高度另進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)施工現(xiàn)場土質(zhì)情況，為防止工作坑其他三面坡面坍塌，在坑壁四周用澆筑混凝土墻的方式進(jìn)行加固處理，并與后座墻利用網(wǎng)面鋼筋連成整體，對后座墻也起到了加固的作用。工作坑底板鋪筑一層30cm厚混凝土，同時在坑角位置設(shè)置一個0.50m×0.50m的矩形集水坑。

為了防止雨水進(jìn)入工作坑，在工作坑四周用土填筑成2.00m寬、1.50m高擋水土埂，并在適當(dāng)位置設(shè)置集水坑，用水泵及時排除明水。

3.3.2 頂管后座墻設(shè)置

根據(jù)現(xiàn)場土質(zhì)情況，另設(shè)整體式后座墻，后座墻的整體強(qiáng)度需保證在設(shè)計(jì)頂進(jìn)力作用下不被破壞，后座墻尺寸需經(jīng)過計(jì)算確定，材料采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土，內(nèi)置雙層鋼筋網(wǎng)片。后座墻完成后加墊30mm的厚鋼板組成裝配式后座墻，滿足頂管的最大頂力，后座墻應(yīng)與管道軸線垂直，允許偏差為5mm/m。

3.3.3 頂力計(jì)算與后座設(shè)計(jì)

3.3.3.1 管道的總頂力計(jì)算

計(jì)算管道的總頂力時，綜合考慮管節(jié)材質(zhì)、頂進(jìn)工作井后座墻結(jié)構(gòu)的允許最大荷載、頂進(jìn)設(shè)備能力、施工技術(shù)措施等因素。當(dāng)計(jì)算的總頂力大于管節(jié)允許頂力設(shè)計(jì)值或工作井允許頂力設(shè)計(jì)值時，應(yīng)設(shè)置中繼間。

式中：Fp—頂進(jìn)阻力(kN)；D0—管道的外徑(m)，取 2.64m；L—管道設(shè)計(jì)頂進(jìn)長度(m)，按60m計(jì)算；fk—管道外壁與土的單位面積平均摩阻力(kN/m2)，采用觸變泥漿減阻技術(shù)，查有關(guān)表格，本項(xiàng)取值9kN/m2；NF—頂管機(jī)的迎面阻力(kN)；本工程采用人工挖掘式，根椐頂管機(jī)迎面阻力計(jì)算式：NF=π（Dg-t）tR；式中：Dg—頂管機(jī)外徑取2.70m；t—刃口厚度，取0.25m；R—擠壓阻力，本項(xiàng)取值400kN/m2。經(jīng)計(jì)算NF=770（kN）；

可得，頂進(jìn)阻力 Fp＝πD0Lfk十 NF=4479+770=5249（kN）

小于混凝土管道的許用頂力9800kN，滿足要求，不需要設(shè)置中繼間。

3.3.3.2 后 座墻尺寸設(shè)計(jì)

整體式后座墻應(yīng)根據(jù)頂力的大小、合力中心的位置、坑外被動土壓力的大小來決定整體式后座墻的寬度、高度和厚度。假設(shè)整體式后座的被動土壓力的合力中心與頂力反力的合力中心在同一條線上。在此，用反推計(jì)算的方法：先確定后座墻的寬度及高度，并計(jì)算該尺寸下所能承受的頂力，并與最大頂進(jìn)阻力相比較進(jìn)行選擇的方式確定。

根據(jù)后座墻能承受的頂力計(jì)算公式：

式中：B—整體式后座墻的寬度（m），取5.50m；K—安全系數(shù)，取1.50；γ—土的重度，取18kN/m3；H—整體式后座墻的高度，取5.00m；KP—被動土壓力系數(shù)，查表得2.66；C—土的內(nèi)聚力，取7.00kPa；h—整體式后座頂?shù)母餐梁穸?，?jīng)計(jì)算為3.50m。

代入上式可得出寬度5.50m，高度5.00m的后座墻能承受的頂力=5685kN，大于頂進(jìn)阻力5249kN，滿足要求。整體式后座墻的厚度可根據(jù)主油缸的布置，通過結(jié)構(gòu)計(jì)算來決定，一般在0.50～1.60m范圍內(nèi)。

3.4 頂管設(shè)備選擇

3.4.1 井內(nèi)頂管設(shè)備及安裝

選用兩臺頂力為3000kN的液壓千斤頂，千斤頂固定在支架上，并且與管道中心線的垂線對稱，其合力作用應(yīng)該在管道中心的垂直線上，位置位于管道總高下約1/4處。其它設(shè)備包括：導(dǎo)軌、千斤頂架、替頂分壓環(huán)、后承壓板、操作平臺、爬梯等。并用吊車將上述設(shè)備吊入工作井中。

3.4.2 工作井地面設(shè)備

工作井的地面需布置一系列與頂管施工有關(guān)的設(shè)備：空壓設(shè)備、液壓設(shè)備、泥漿站、起重設(shè)備等。

3.5 管前挖土與頂進(jìn)

3.5.1 管前挖土

管前挖土是控制管節(jié)頂進(jìn)方向和高程、減少偏差的重要作業(yè)，是保證頂管質(zhì)量及管上構(gòu)筑物安全的關(guān)鍵。

3.5.2 下管

將第一節(jié)管放到已經(jīng)安裝好的導(dǎo)軌上，測量管子中心及前端和后端的管底高程，確認(rèn)安裝合格后方可頂進(jìn)。第一節(jié)管作為工具管，其頂進(jìn)方向與高程的準(zhǔn)確，是保證整段頂管施工質(zhì)量的關(guān)鍵。因此，必須認(rèn)真對待此項(xiàng)工作。

3.6 頂進(jìn)

頂進(jìn)開始時，應(yīng)緩慢進(jìn)行，待各接觸部位密合后，再按正常速度頂進(jìn)?；乜s時，油路壓力不得過大，速度不得過快，挖出的土方要及時外運(yùn)。

啟動千斤頂，將管頂進(jìn)，每節(jié)管分4次頂入，原則上每次頂入0.60m，千斤頂行程終了，復(fù)位千斤頂，加塞墊塊后復(fù)頂。第一節(jié)套管頂入工作面后，使其預(yù)留約0.30～0.50m的管子在導(dǎo)軌上，在下一節(jié)套管頂進(jìn)前起穩(wěn)定作用，下一節(jié)套管在導(dǎo)軌上與第一節(jié)套管接口處內(nèi)外部均用鋼制套環(huán)作接口連接，這樣可以保證混凝土管道頂入后接口處平整，沉降均勻。套管切入土層后，應(yīng)自上而下分層開挖。

3.7 測量與糾偏

管道頂進(jìn)過程中，應(yīng)遵循“勤測量、勤糾偏、微糾偏”的原則，控制頂管前進(jìn)方向和姿態(tài)，并根據(jù)測量結(jié)果分析偏差產(chǎn)生的原因和發(fā)展趨勢，確定糾偏措施。

在頂?shù)谝还?jié)管時，以及在校正偏差過程中，每頂進(jìn)300mm，測量不應(yīng)少于一次；管道進(jìn)入土層后正常頂進(jìn)時，每頂進(jìn)1000mm，測量不應(yīng)少于一次。進(jìn)入接收工作井前30m應(yīng)增加測量，每頂進(jìn)300mm，測量不應(yīng)少于一次。糾偏時增加測量次數(shù)。

3.8 頂管施工通風(fēng)措施

為了確保混凝土頂管內(nèi)操作人員供氧充足，防止土層中的有害氣體及挖掘作業(yè)過程中產(chǎn)生的粉塵等危害作業(yè)人員健康，應(yīng)對混凝土管內(nèi)進(jìn)行通風(fēng)作業(yè)，根據(jù)頂管頂進(jìn)長度，擬采用鼓風(fēng)機(jī)通風(fēng)措施。

3.9 頂管施工記錄與管理

在一個施工段的管子頂進(jìn)過程中，管道一直處于動態(tài)，加強(qiáng)頂進(jìn)施工中的動態(tài)管理，是提高頂進(jìn)質(zhì)量的保證；頂管施工記錄則是反映管道在頂進(jìn)過程中動態(tài)情況的依據(jù)，施工過程中要認(rèn)真填寫頂管施工記錄并存檔。

4 質(zhì)量與安全控制措施

嚴(yán)格控制頂管軸線偏差，執(zhí)行“勤測量、勤糾偏、微糾偏”的施工方法。嚴(yán)格控制管道接口的密封質(zhì)量，防止?jié)B漏。

吊裝區(qū)域非操作人員嚴(yán)禁入內(nèi)，吊裝機(jī)械必須完好，把桿垂直下方不準(zhǔn)站人。各種電動機(jī)械設(shè)備必須有可靠有效的安全接地裝置，方能開動使用。由于管道內(nèi)的空氣濕度較大，因此，采用24～36V低壓照明電，低壓電須通過變壓器降壓。燈具采用防水防爆燈具，并設(shè)置漏電保護(hù)系統(tǒng)，確保用電安全。連接千斤頂?shù)母邏河凸芙宇^應(yīng)加防護(hù)套，以防噴油傷人。

5 結(jié)語

在穿越道路頂管施工中，后座墻的設(shè)計(jì)、頂進(jìn)過程中的注漿減阻措施和軸線、高程的測量控制對確保頂管施工的質(zhì)量起到關(guān)鍵性的作用，在施工過程中應(yīng)加以重視。

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2014-02-17

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