縮小工作井尺寸頂管施工技術(shù)研究

王曉璞

（北京住總集團有限責(zé)任公司，北京100000）

頂管法作為一種暗挖施工技術(shù)，可在不開挖土層情況下進行管道鋪設(shè)施工，在各類地下管線施工中應(yīng)用越來越廣泛[1-2]。工作井是頂管施工所有設(shè)備安置的場所，具體包括機頭長度加千斤頂長度以及后背墻的長度，工作井空間大小直接影響或限制頂管施工[3-4]。城市污水管道頂管施工中，往往在管線密集、臨近建筑物區(qū)域[5]。工作井的開拓，除去施工直接成本之外，還可能會涉及臨近建筑的拆遷問題，增大了頂管施工的經(jīng)濟成本和施工周期[6-7]。因此，縮小尺寸工作井頂管施工技術(shù)的研究具有重要的工程價值[8]。

文中以北京新城二期小區(qū)污水接入市政管網(wǎng)工程頂管施工為研究對象，在頂管工作井受臨近建筑和高壓線限制條件下，通過增加頂管輔助設(shè)備來改進傳統(tǒng)頂管方式，從而實現(xiàn)大幅縮減工作井尺寸的目的，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

聚焦攻堅水環(huán)境治理工程朝陽區(qū)六標(biāo)- 新城二期小區(qū)污水接入市政管網(wǎng)工程位于朝陽區(qū)東壩鄉(xiāng)境內(nèi)，起點為小區(qū)現(xiàn)狀污水出戶井，終點為東壩南二街現(xiàn)狀污水干線。管線總長度1557.2m。干線設(shè)計管徑D400～D800mm，總長度770.4m；支線管徑D400～D500mm，總長度約786.8m。

2018 年1 月20 日放樣后發(fā)現(xiàn)主線W16 號豎井（井段長度74m）位于駒子房路東側(cè)，設(shè)計結(jié)構(gòu)尺寸為東西方向5m，南北方向7m。但由于現(xiàn)場豎井南側(cè)有現(xiàn)狀房屋，北側(cè)有高壓線桿，兩者之間的凈距5.5m，無法滿足結(jié)構(gòu)尺寸5×7m 的要求。同時，現(xiàn)狀房屋和高壓線桿沒有拆遷的可能。此管線整體工期180d，從現(xiàn)場條件來看，該位置將成為本條管線的關(guān)鍵工序。如何解決場地受限條件下頂管順利進行成為這條管線須解決的首要任務(wù)。

2 頂管施工面臨的問題分析

現(xiàn)行《北京市給水排水管道工程施工技術(shù)規(guī)程》（DBJ 01-47-2000）規(guī)定，頂管工作豎井頂鎬通過頂鐵直接作用在管材尾部，工作井順管向尺寸如式（1）所示：

式中：L1——工具管外露長度0.5m；

L2——管長2.5～3m

L3——頂鐵長度0.5m；

L4——頂鎬長2～2.5m；

L5——后背厚度0.5m。

總長度L 約6～7m，設(shè)計圖紙中給出的工作井尺寸大小為7m。但由于現(xiàn)場豎井南側(cè)有現(xiàn)狀房屋，北側(cè)有高壓線桿，兩者之間的水平凈距僅為5.5m，無法滿足結(jié)構(gòu)尺寸5×7m 的要求。

本條管線涉及到東壩鄉(xiāng)朝新嘉園5 期小區(qū)的污水排放問題以及駒子房溝上游污水截流，業(yè)主要求盡快完工交付使用。高壓線桿涉及到沿線居民及企事業(yè)單位的用電，無法在近期拆除；現(xiàn)狀房屋拆除工作費用大，可能超出管線施工概算，房屋亦無法拆除。業(yè)主單位和設(shè)計院溝通后，本管線路由沿規(guī)劃駒子房路進行布置，旁邊規(guī)劃有電力、通信、燃氣、熱力等其他管線路由，故無法調(diào)整污水路由。因此，按照常規(guī)的方法進行施工現(xiàn)場實際條件肯定滿足不了要求，要想按時完成此工程，解決此問題，必須采取一種方式減小工作井的尺寸。為此項目部特成立聚焦攻堅QC 小組研制一種縮小工作井尺寸的頂管設(shè)備。

3 頂管方案的確定

3.1 縮小井頂管思路的提出

借鑒日常生活中常用的注射器原理，其主要由針頭、空筒、活塞軸三部分組成。空筒的主要作用為盛放液體，活塞軸的主要作用為抽取和注射液體。注射時通過活塞軸的頂進將液體緩緩的注入人體內(nèi)，該結(jié)構(gòu)的主要特點是空筒大，活塞軸小，兩者的長度通過可以重合。因此，可將活塞軸看成混凝土管，在混凝土管外面在套一個稍大一點的套管（類似空筒），套管兩側(cè)做一個類似手柄的反力裝置——反力架，千斤頂將力作用在反力架上，再通過套管將力傳遞至混凝土上，使得千斤頂力的作用點變到了混凝土管的兩側(cè)。達到將千斤頂和混凝土管重合的目的，從而實現(xiàn)減小工作井尺寸的目的。根據(jù)查新借鑒結(jié)果，計劃通過此次QC 活動，在保證頂管施工安全、質(zhì)量及進度的前提下，研制一種縮小工作井尺寸的頂管設(shè)備，將工作井的順管向尺寸減小到5m，費用控制在2 萬以內(nèi)。

3.2 縮小井頂管方案的確定

根據(jù)《北京市給水排水管道工程施工技術(shù)規(guī)程》DBJ 01-47-2000 要求，工作井順管向尺寸中工具管外露長度0.5m、管長2.5～3m、頂鐵長度0.5m、頂鎬長2～2.5m、后背厚度0.5m。其中由于工具管外露長度以及后背厚度均為定值無法改變，只能通過改變剩余3 項的長度來縮小工作井的尺寸。提出解決方案如下：

施工設(shè)備方面：a.減小千斤頂長度：目前由于頂管施工方便性的需要千斤頂?shù)男谐桃话銥?～2.7m，對應(yīng)的千斤頂長度為2.2～3m。通過方案確定會的討論，成員發(fā)現(xiàn)橋梁張拉用的千斤頂長度僅為0.6m（行程0.25m），通過更換千斤頂可以將千斤頂長度減小1.6m。b.根據(jù)查新結(jié)果，可以采用反向頂管機減小工作井結(jié)構(gòu)尺寸2m。c.根據(jù)注射器的結(jié)構(gòu)原理，可以研制一個類似注射器的頂管輔助設(shè)施，使得千斤頂作用在混凝土管材側(cè)面，縮小千斤頂和混凝土管材的總長度。施工材料方面：現(xiàn)在市面上的預(yù)制混凝土管長度2.5～3m，可以通過減小預(yù)制管的長度來達到減小工作井尺寸的目的。施工方法方面：將頂管施工改為暗挖施工，工作井的尺寸可以減小到5m。

3.3 縮小井頂管方案的比選優(yōu)化

根據(jù)方案討論會提出的5 種可行性方案，從適用性、經(jīng)濟性、安全性、環(huán)保性進行方案比選，確定最佳方案。方案比選表1所示。

經(jīng)過以上五種待選方案，確定方案三研制一種頂管輔助設(shè)施在能滿足減小工作井尺寸2m 的目的，只需增加投入2 萬在業(yè)主單位的接受范圍內(nèi)，安全性通過計算設(shè)計、加工過程中的質(zhì)量控制以及安全技術(shù)交底可以控制，無額外產(chǎn)生影響環(huán)境的因素確定為最佳實施方案。

4 縮小井頂管技術(shù)

4.1 實施對策及流程

根據(jù)最佳施工方案，為保證方案的順利實施，制定如表2 所示對策實施表：

表2 輔助設(shè)施研制措施

頂管輔助設(shè)施加工完成后，需在鋼筋加工場進行測試——現(xiàn)場將頂管導(dǎo)軌、混凝土管材等安裝完成，吊裝好頂管輔助設(shè)施進行調(diào)試，以保證輔助設(shè)施順利應(yīng)用，流程如圖1 所示。

圖1 頂管流程

4.2 輔助設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.2.1 設(shè)計思路

輔助設(shè)施的設(shè)計靈感來自于生活中常見的“注射器”結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)減小工作井尺寸的目的。頂管輔助設(shè)施實際上是一個帶反力牛腿的套管，將千斤頂頂力作用在牛腿上，再通過套管將力傳遞至混凝土上，使得千斤頂力的作用點變到了混凝土管的兩側(cè)，使得千斤頂和混凝土管兩者長度重合。由于頂管施工時混凝土管下面有導(dǎo)軌，因此套管的底部需要和混凝土管一樣高。

4.2.2 輔助設(shè)施加工圖

經(jīng)過QC 小組成員的集體討論決定采用現(xiàn)有的材料制成頂管輔助設(shè)施，其中環(huán)形頂鐵采用現(xiàn)有的800mm 環(huán)形頂鐵;拉帶采用20mm 厚鋼板，鋼板寬度59cm，長度222cm; 反力環(huán)采用1200mm 環(huán)形頂鐵進行切割加工；牛腿及牛腿下的支撐板亦均采用20mm 厚鋼板；最終形成頂管輔助設(shè)施的設(shè)計圖紙如圖2所示：

圖2 輔助設(shè)施示意圖

4.2.3 強度計算及復(fù)核

根據(jù)《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》（GB50268-2008）：

機械頂管頂進阻力

式中：Fp——頂進阻力，kN；

D0——管道的外徑，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/m2，

NF——頂管機的迎面阻力(kN)

經(jīng)計算Fp=1452kN，拉帶采用2cm 厚鋼板，寬度59cm。

拉帶與環(huán)形頂鐵及反力環(huán)共有四條焊縫，由于環(huán)形頂鐵的焊縫較短10cm, 因此計算時偏安全的采用10cm 焊縫長度進行計算，焊縫厚度為2cm，每條焊縫需要承受的拉力為1452/4=363KN。焊接母體為A3 鋼，焊條采用502 焊條，人工施焊，焊縫強度值為490MPa。

則每條焊縫能承受的拉力

4.3 輔助設(shè)施的加工

加工工藝流程：原材料準(zhǔn)備、拉帶下料及反力環(huán)切割、場地內(nèi)試拼、點焊固定加固焊成品。加工實物如圖3 所示，具體加工要點如下：

4.3.1 原材料準(zhǔn)備：設(shè)計時為了施工方便及節(jié)約成本，所需材料用的全是現(xiàn)有材料，主要包括20mm 厚鋼板以及環(huán)形頂鐵。

4.3.2 料加工：根據(jù)設(shè)計圖紙進行下料加工，由于反力環(huán)采用的是1200mm 的環(huán)形頂鐵，試拼前需要先切割成形，再調(diào)整為如圖所示的弧度。

4.3.3 場地內(nèi)拼裝：安裝好頂管軌道，將800mm 管吊裝至鋼筋加工場內(nèi)后，將環(huán)形頂鐵、反力環(huán)、拉帶在800mm 管上進行拼裝。

4.3.4 點焊固定：點焊固定的主要作用為將拼裝好的各組件臨時連接成一個整體，為移除800mm 管整體施焊創(chuàng)造作業(yè)條件。點焊長度5mm，點焊位置在三大組件之間的交叉點上。

4.3.5 加固焊：為了防止出現(xiàn)焊接變形，保證整體的加工精度不超過10mm，焊接人員先進行試焊，合格后方可進行焊接操作，拉帶和反力環(huán)以及拉帶和環(huán)向頂鐵之間的空隙嚴禁夾渣焊，采用兩個焊接工人同時對稱進行焊接。

圖3 輔助設(shè)備

5 縮小井頂管施工過程及效果

頂管施工如圖4 和圖5 所示，和常規(guī)機械頂管相比，由于增加輔助設(shè)施，管道頂進過程需要增加安裝及拆除輔助設(shè)施的步驟，其他的施工工序和常規(guī)頂管一致。由于反力作用點位于管道兩側(cè)，千斤頂位置需要較常規(guī)頂管往兩側(cè)偏移40cm?；炷凉馨惭b完成后，采用吊車直接整體吊裝頂管輔助設(shè)施，并保證輔助設(shè)施兩側(cè)不能有障礙物。頂管輔助設(shè)施使用過程中需要由專人查看焊縫的焊接情況，遇見焊縫開裂時立即停止施工，重新加固后方可繼續(xù)頂進。待輔助設(shè)施接近前方錨噴側(cè)墻時（此時已經(jīng)頂進一根完整的混凝土管），開始拆除頂管輔助設(shè)施。采用吊車直接整體吊裝頂管輔助設(shè)施，拆除頂管輔助設(shè)施時需要特別注意解除頂管輔助設(shè)施和其他頂管設(shè)備之間的連接。

圖4 常規(guī)頂管

圖5 縮小井頂管

通過增加了輔助設(shè)施，使得千斤頂頂力作用點調(diào)整至污水管道兩側(cè)，達到了減小工作井尺寸2m 的目的。頂管輔助設(shè)施采用的環(huán)形頂鐵、反力環(huán)及20mm 厚鋼板總重量0.46 噸，材料及加工費合計7500 元/噸，整個輔助設(shè)施的材料及加工總費用為0.33 萬元，另由于需要增加安裝及拆除頂管輔助設(shè)施的工序，延長了1 天的頂管工期，增加人工投入6 個（1200 元），吊車臺班1個（1500 元）以及其他小型機械的投入1000 元，累計增加的投入為0.7 萬元。

由于增加了頂管輔助設(shè)施相當(dāng)于增加了一個頂管安全風(fēng)險源，需要控制頂管輔助設(shè)施的安裝及使用的安全：安裝及拆除頂管輔助設(shè)施采用電車通過吊環(huán)進行吊裝；拆除頂管輔助設(shè)施時需要特別注意解除頂管輔助設(shè)施和其他頂管設(shè)備之間的連接；頂管輔助設(shè)施使用過程中需要由專人查看焊縫的焊接情況，遇見焊縫開裂時立即停止施工，重新加固后方可繼續(xù)頂進。

進度方面只是增加了一道安裝及拆除頂管輔助設(shè)施的工序，該工作井內(nèi)一共有30 根混凝土管，累計使用時間258.5 分鐘，平均一次安裝及拆除的時間為8.6 分鐘，達到使用方便的目的。

6 結(jié)論與建議

由于增加了頂管輔助設(shè)施，雖然達到了減小順管向工作井2m 的目的，但垂直管線方向大小要求較常規(guī)頂管需要增加0.8m，縮小了頂管施工操作空間。操作空間由原來的每側(cè)1.5m壓縮到每側(cè)1.1m。通過本次一種縮小工作井尺寸的頂管輔助設(shè)備的研制，積累了一些施工輔助設(shè)施的研制經(jīng)驗，研制出了一種能夠減小工作井結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)施，對頂管施工有了重新的認識與理解，研制的成果也得到了各方的認可。通過本次一種縮小工作井尺寸的頂管輔助設(shè)備的研制，解決了WD16 號豎井尺寸受限的現(xiàn)實情況，在不拆除房屋及電桿的情況下完成了該段管線的頂管施工。