大口徑鋼管曲線頂管技術在給水工程穿越運河施工中的應用

摘要：本文主要是結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進行了論述，以供參考。

關鍵詞：曲線頂管；工程簡介；頂進技術

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

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，原設計采用直線頂管，兩管線平行敷設，單管長度約250米左右。在工作井和接收井已經完成的情況下，收到港務公司運河西側碼頭岸邊的鋼管樁布置圖，并對頂管軸線進行現場測量放樣，放樣結果為頂管軸線正好位于鋼管樁中心，且鋼管樁的底標高低于頂管管道中心標高，頂管無法從鋼管樁地下穿過。如果按照設計軸線頂進，需要拔除鋼管樁或者廢除已經完成的工作井，將造成上百萬的經濟損失。

經認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，鋼管材質改用Q235B，DN1000鋼管壁厚改為14mm，每條頂管均需設6只中繼間。

二、施工工藝

頂管法施工是在地下工作坑內，借助頂進設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：施工準備→測量高程及軸線→挖頂管工作坑→鋪頂管導軌→設置頂進后背→安裝頂進設備及吊放管節→挖土頂進→測量及糾偏→再次挖土（管中土）頂進→測量循環作業直致完成。

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，地表設施受損；壓力過大，會增大主千斤頂負荷，嚴重的可能產生冒頂現象。曲線頂管的頂力可分成軸向力和側向力兩部分。（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規范》（GB50268-2008）計算頂管井中頂管設備所需最大頂力

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、管道側向力

由圖1可知，折線轉向角δ是∠ABC的補角。

因為∠ABC=2β所示

δ=180-2β

α=180-2β

δ=α

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

P2=p1ctgα

P′2=p1tgα

式中P2—下一管段的軸向頂力；

P′2—下一管段的側向分力。

由此可見，曲線頂管存在側向分力，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，側向分力使管道靠向曲線外側，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。根據軸向頂力的大小，就可求得側向分力。再根據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，折線轉向角δ僅0.4°，因此側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。折減系數與管段轉角有關，混凝土管還與木墊片的彈性模量、木墊片的厚薄有關。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。如果中繼環設計頂力不變，則曲線頂管中繼環的數量要比直線頂管多。

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

中繼環的頂力調整降低了中繼環的實際使用頂力，因此中繼環的允許使用頂力還要比設計頂力低，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重要的。由于在曲線頂管的管內，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則動態，還會發生旋轉現象。所以如采用人工地下導線測量方法，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，頂管質量難以得到可靠保證。為此，我們采用頂管自動引導測量系統。該系統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線的起始基準點，按連續導線形式隨頂管頂進的長度和線形，在管道內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的棱鏡P1、P2的坐標，然后歸算求得當前機頭位置中心P0的坐標（X、Y、Z）。所有全站儀均與安裝于機頭內的工業計算機（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機進行數據處理，并與設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前的位置，左右偏差、上下偏差、機頭旋轉角、10m內的機頭中心軌跡線，當前機頭位置的里程及測量的時間。每測得一次機頭的坐標圖形就刷新一次，“機頭當前位置圖”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。系統周而復始進行測量，實現了機頭的跟蹤測量，做到“隨測隨糾”，有效地保證了頂管的質量并大大提高整體施工進度，效果特別明顯。

五、結束語

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，通過中繼間的糾偏使機頭產生偏心，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，既避免了經濟損失又節約了工程工期。工程實踐證明，曲線頂管施工技術在大口徑鋼管頂管工程的應用是正確而有效的。