頂管工程施工技術(shù)

任恒學(xué)

摘要：本文通過對合肥市包河大道高架工程一標(biāo)段污水頂管施工技術(shù)進(jìn)行討論，對施工時頂進(jìn)方案選擇、頂力計算、后背計算、設(shè)備安裝等幾部分技術(shù)要點(diǎn)做了詳細(xì)的解析。

關(guān)鍵詞：包河大道高架；頂管技術(shù)；施工；技術(shù)措施

1.工程概況

合肥市包河大道高架工程第一標(biāo)段位于合肥市包河區(qū)內(nèi)，主線起點(diǎn)位于繁華大道以北約160米處，終點(diǎn)在花園大道以北約50米處順接現(xiàn)有包河大道地面系統(tǒng)，全長2.549km，紅線寬80米，頂管總長906米，管道最深埋深10米，都為污水管道。該區(qū)間污水管道全部采用頂管進(jìn)行施工。

管道施工采用頂管施工，頂管工作坑采用磚砌倒掛井法施工。頂管施工管材采用Ⅲ級鋼承插口鋼筋混凝土排水管（即“F”型），管道接口承插接口。

2.工程地質(zhì)及水系特征

2.1工程地質(zhì)

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，及設(shè)計院高架橋勘察資料，本標(biāo)段土分布自上而下分為：

①1層路面結(jié)構(gòu)層：灰色、雜色、灰黃色等色，表層0.18～0.25m為堅(jiān)硬砼或?yàn)r青，0.25～0.8m為中密狀態(tài)碎石、粉煤灰墊層主要分布在道路沿線表層。

①2層填筑土：灰黃、灰色，松散～稍密狀態(tài)，主要由軟塑～可塑狀態(tài)的粘土、粉質(zhì)粘土組成，僅在局部地段分布。

①3層填筑土：黃褐、灰褐、灰黃等色，主要為硬塑狀態(tài)的粘土、粉質(zhì)粘土，含石灰，磚塊、碎石等。

②層耕植土：灰、灰褐、褐灰等色，分布于田地表層，干旱天氣呈干松狀態(tài)，雨天呈松軟稀糊狀態(tài)，厚度0.5m左右，局部樹林分布區(qū)段該層厚度一般0.8m左右。

③層高液限粘土：黃、灰黃色，可塑～硬塑狀態(tài)，局部夾低液限粘土薄層，含鐵錳結(jié)核、灰白色高嶺土條帶，網(wǎng)狀裂隙發(fā)育，裂隙面光滑如鏡，具油脂光澤，無搖振反映，屬合肥地區(qū)典型的膨脹土，分布于整個場地。屬弱-中等膨脹土。

2.2水系特征

勘察期間未見穩(wěn)定的地下水水位，地下水類型主要為上層滯水，主要為大氣降水補(bǔ)給，地下水位隨季節(jié)而變化。

3.分部分項(xiàng)施工方案

3.1工作井施工方案

1、施工方法

管網(wǎng)施工采用“圈井”法施工頂管工作井，圈井一般為圓形，工作井井內(nèi)徑4500mm，砌筑井身施工順序?yàn)椋夯娱_挖——砌筑上部井身——對稱向下掏挖、砌筑(圈梁澆注)——澆注后靠背及底板——安裝導(dǎo)軌——頂管施工。

2、施工工況分析

圈井施工：基坑開挖定位后，根據(jù)土質(zhì)情況及施工條件，開挖2～3m，找平。基坑找平后，用M7.5砂、MU10號磚37墻筑上部井身。工作井井口高出地面15-20cm。井口周圍使用混凝土硬化，防止雨水進(jìn)入或者滾入工作井。上面并且用鋼管圍擋，圍上安全網(wǎng)。上部井身強(qiáng)度達(dá)到70％設(shè)計強(qiáng)度后，人工往下開挖。挖土?xí)r，先挖井中心土，每次向下挖0.5m左右，然后對稱掏挖井壁下的土，每次掏挖寬度不大于0.6m，深度不大于0.5m。掏挖后，立即用M7.5砂漿砌MU10號磚砌筑掏挖部分的井身。依上述順序循環(huán)向下掏挖，砌筑，直至設(shè)計標(biāo)高。掏挖到設(shè)計標(biāo)高后，井底用C15素混凝土封底。在工作井深4m處設(shè)置一道350*370鋼筋砼圈梁，超過4m后，井深每2m設(shè)置圈梁一道。混凝土圈梁應(yīng)設(shè)置在后背墻上方，其他根據(jù)頂管的埋深不同來確定圈梁的具體位置，施工圈井時，注意砌體應(yīng)邊角整齊、圓面平順，灰漿飽滿，不得留有通縫。根據(jù)本次施工情況，對圈井施工過程及施工完成后進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢算，檢算時，不考慮工作井設(shè)置的圈梁的安全儲備。根據(jù)本工程的情況，工作井深度取最大深度10m進(jìn)行檢算。

圖1 平面施工順序示意圖

3、計算分析

根據(jù)地質(zhì)資料的顯示取γ=18KN/m3,內(nèi)摩擦角φ=18°，地面以下4.5米有水。

最深段的總壓力為：

P=γhtan2（45°-φ/2）+（γ-γ水）（H-h）tan2（45°-φ/2）+（H1-h）γ水

P=18×4.5×0.527+（18-10）×（12.5-4.5）×0.527+（10-4.5）×10

=131.415KN/m2

P取1.3倍的安全系數(shù)，故p取172KN/m2=0.172N/mm2

磚砌倒掛井的外徑5.24m，墻壁采用M10水泥砂漿，MU10燒結(jié)普通磚砌筑，厚度暫定370mm，用30mm厚的M10水泥砂漿填實(shí)磚于土壁間空隙。

磚砌護(hù)壁承受的環(huán)向應(yīng)力

σn=PD/2t=0.172×5.24/2×370=1.22N/mm2＜f=1.89N/mm2

磚砌護(hù)壁承受的徑向應(yīng)力

σa=P/2=0.172/2=0.086 N/mm2＜fv=0.17N/mm2

由驗(yàn)算可知σn、σa分別小于f和fv，故磚砌護(hù)壁滿足要求。

考慮到目前磚的質(zhì)量，與砌筑時的質(zhì)量，會有所下降，故磚砌倒掛井上面4m采用370mm墻，以下采用370mm墻，2米設(shè)置一道C30混凝土圈梁，圈梁厚度300mm，內(nèi)部設(shè)置4根和6根直徑12的鋼筋，及直徑8mm的200mm間距的箍筋。具體見圖示。

圖2 結(jié)構(gòu)示意圖

計算結(jié)果顯示，在綜合考慮水、土壓力作用下，工作井采用M10砂漿砌MU10號磚37墻，強(qiáng)度和剛度均能夠滿足強(qiáng)度要求，砌體墻身最大壓應(yīng)力并且該計算結(jié)果未考慮井底鋼筋砼圈梁加強(qiáng)作用，全部作為安全儲備，可確保施工安全。考慮地下水位較高，在施工時根據(jù)地下水量設(shè)置泄水管。

出土采用卷揚(yáng)機(jī)架設(shè)在井口上方，但不得直接放在工作井壁上，固定好不得移動，用鋼絲繩捆綁架子車然后出土，出土?xí)r人員暫停施工，不得站在小推車的正下方。

3.2頂管施工方案及技術(shù)措施

1、管道頂進(jìn)方案的選擇及頂進(jìn)單元長度的確定

頂管方案選定：根據(jù)施工圖設(shè)計，本標(biāo)段管道直徑為D1000及D800，管道穿越土質(zhì)多為粘土土層，地下水為地表徑流水，根據(jù)以上特點(diǎn)設(shè)計采取手掘敞開式頂進(jìn)方案。

頂進(jìn)單元長度的確定：根據(jù)施工現(xiàn)場實(shí)際情況及施工平面圖設(shè)計，每一個設(shè)計單元井室距離設(shè)定為一個管道單元頂進(jìn)長度。管道最大單元頂進(jìn)長度為75m。

2、頂力計算

手掘敞開式頂進(jìn)施工方案的頂力按下面方式計算：

根據(jù)施工方案的選擇，管道采取手掘敞開式頂進(jìn)施工方案，管道最大頂距為75米，管道的最大頂力可按下式計算：

F=F1+F2

F為最大總頂力kN，F(xiàn)1為迎面阻力，F(xiàn)2為頂進(jìn)阻力；

F1=1/4×D2×P（D為管外徑，P為控制土壓力）由于采用手掘敞開式頂進(jìn)，故F1=0；

F2=D×f×L（式中f為管外表面平均綜合摩阻力，按最不利取值0.8/m2）；

D為管外徑1.2m，L為頂距取最大距離75m；

F2=3.14×1.2×0.8×75=226.08t

考慮非正連續(xù)頂進(jìn)，226.08×1.5=339.12t；采用一臺頂力為400t千斤頂滿足要求。

3、后背計算

后背不允許出現(xiàn)上下或左右的不均勻壓縮。否則，千斤頂在余面后背上，造成頂進(jìn)偏差。為了保證頂進(jìn)質(zhì)量和施工安全，施工時應(yīng)注意后背的強(qiáng)度和剛度計算。

圖3 靠背受力分析圖

后靠背受力計算公式：

式中：

R-總推力之反力（一般大于推力的1.2－1.6）；

a-系數(shù)（取1.5－2.5之間），此處取2；

B-后座墻的寬度（m），此處取2米；

γ-土的容重（KN/ m3)，18KN/ m3；

H-后座墻的高度(m)，此處取2米；

Kp-被動土壓系數(shù) ，此處取1.48；

c-土的內(nèi)聚力（kPa) 一般情況下取10；

h-地面到后座墻頂部土體的高度（M），此處取8米。

按上式計算，圓形工作井后靠背能承受頂力：

R=2×2×(1.8×2.0×1.48/2+2×10×8×1.480.5+1.8×8×2×1.48)=959 T＞1.6倍實(shí)際頂力226.08T 。完全能滿足要求。

千斤頂支撐在厚為5cm的鋼板上，鋼板后緊貼截面尺寸為2 *2*0.4m的C30砼。鋼板、砼自身所能承受的壓力均遠(yuǎn)大于頂力。故后背滿足要求。

4、頂管的工藝流程及進(jìn)出洞措施

（1）頂管施工工藝流程為:

安裝導(dǎo)軌→設(shè)置后背→安裝設(shè)備(千斤頂組合)→工作井出洞→掘進(jìn)挖土→接管→頂進(jìn)→出土→運(yùn)土→測量→糾偏→接受井進(jìn)洞→竣工測量→收尾。

（2）工作井管道出洞

出洞前的準(zhǔn)備：（1）在甲方指定的臨時工作區(qū)域內(nèi)，合理布置施工場地，安排好出土運(yùn)輸、起重機(jī)、水泵等位置。管節(jié)堆放處應(yīng)事先清理平整，管節(jié)堆碼應(yīng)排列整齊，在堆放管節(jié)時須用專用吊具，吊放動作應(yīng)平穩(wěn)，就位后立即用三角木墊穩(wěn)。（2）每批管節(jié)到工地后，應(yīng)會同工程師或其代表逐節(jié)檢查管節(jié)質(zhì)量。對質(zhì)量有問題的管節(jié)做好標(biāo)記，通知工程師及廠方，及時采取修補(bǔ)、更換措施。（3）在出洞前應(yīng)通電試車正常，復(fù)核導(dǎo)軌位置尺寸。（4）為防止工作井出洞口處的既有管道損壞，必須對工作井出洞口進(jìn)行加固，洞口土體縫隙填滿，保持不坍塌的情況下順利推進(jìn)。

頂進(jìn)：（1）測量：水平、高程的偏差均通過激光經(jīng)緯儀測定，儀器應(yīng)固定在工作井的底板上，坐標(biāo)中心在軸線上。頂進(jìn)時激光經(jīng)緯儀常開啟，操作人員通過測量數(shù)據(jù)及頂進(jìn)的長度分析念頭發(fā)展趨勢，確定應(yīng)采取的糾偏方法。激光經(jīng)緯儀必須按規(guī)定的頂進(jìn)長度或測量時間進(jìn)行水平、高程的方向校正。（2）糾偏：可采用“校正”、“恢復(fù)”兩種方式 。“校正”方式是根據(jù)管道與設(shè)計中心線之間夾角大小，確定需要采取的糾偏措施。恢復(fù)是管道前端趨勢恢復(fù)后要保持恢復(fù)狀態(tài)。

4總結(jié)

經(jīng)過多年的發(fā)展，頂管技術(shù)在我國已得到大量地實(shí)際工程應(yīng)用，且保持著高速的增長勢頭，無論在技術(shù)上、頂管設(shè)備還是施工工藝上取得了很大的進(jìn)步，在某些方面甚至達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。本文通過對包河大道高架工程頂管施工技術(shù)的討論，為頂管施工方法提供了一定的實(shí)踐參考。

參考文獻(xiàn)

[1]龐小平，翟金明.頂管施工工藝及質(zhì)量控制創(chuàng)新研究[J].經(jīng)濟(jì)技術(shù)協(xié)作信息，2010.

[2]楊志貴. 頂管工程施工技術(shù)要點(diǎn)解析[J].甘肅科技，2011.27（95-97）.

[3]李茂丹.頂管施工在穿越城市公路干道的運(yùn)用[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2011.03.

[4]楊傳國.頂管施工過程中存在問題及應(yīng)對措施[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2010.10.