頂管施工技術在市政排水工程中的應用及計算

李 旭 東

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都　610081)

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頂管施工技術在市政排水工程中的應用及計算

李 旭 東

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都610081)

摘要：市政工程管道施工所處的工程條件、環境條件復雜，特別是既有周邊建筑物，地下既有管線、街道、文物古跡、河道等而無法采取常規的明挖施工方法。做為頂管法，在其施工過程中能夠做到不開挖地面而穿越公路、河道、既有管線等，對周邊環境影響小。通過現場實際施工實例，總結了頂管施工的應用及計算過程，可為類似工程提供參考。

關鍵詞：頂管；施工技術；應用；計算；市政排水工程

1概述

隨著我國經濟的飛速發展，城市化進程快速推進，城市市政設施的施工及改造越來越受到國家和市、區政府的重視。在城市地下管道施工中，頂管施工采取非開槽手段，具有對周圍的環境影響小、安全風險低、工期短、費用較低等顯著優點，已成為市政管道工程施工的重要施工方法。

頂管施工操作的基本原理：在所修建的排水管道需要穿越部位的一端開挖工作井，另一端開挖接受井，在開挖的工作井內，根據管道的設計高程、走向、位置，在需穿越側的地層內挖洞，邊挖土，邊用千斤頂等設備將管道逐段頂入洞內，借助于頂進設備產生的頂力，克服管道與周圍土壤的摩擦力，將管道按設計的坡度頂入土中并將土方運走。待一節管道完成頂入土層之后，再安裝就位第二節管道繼續頂進。反復操作，直到將管道頂至接受井內(圖1)。

圖1　頂管施工平面示意圖

2頂管工程施工及計算過程

2.1施工工藝流程(圖2)

施工準備→測量放線→工作坑開挖基坑支護→頂管設備安裝→洞口人工開挖→進洞→管道頂進→混凝土管道拼裝→下一節管道吊裝就位→管道循環頂進→管道貫通→壓漿→檢查井砌筑→閉水試驗→回填。

2.2工作井的布置

頂管工作井是輔助設施，頂管工程的大部分工作是圍繞工作井開展的。工作井是頂管的出發點及工作點，其所有的任何缺陷都將對頂管施工造成影響，因此，對工作井的設計及施工必須給予高度重視。工作井的尺寸必須滿足頂管操作空間的要求，其內襯和支護結構能抵抗動力裝置的反作用力，將其均勻傳遞到土層上。管道的導軌能準確地校正管道的位置，確保新安裝的管道能順利地插入剛頂入的管道。

(1)工作井的尺寸計算。

圖2　頂管施工工藝流程圖

工作井是放置所有頂進設備的場所，也是頂管施工的起始端。工作井的布置根據地形、管線設計和地面障礙物情況等因素確定，通常的做法是將排水工程的檢查井作為工作井。工作井的尺寸應根據管節的長度、頂管機械的尺寸及工作空間確定。 矩形工作坑的底部尺寸應滿足：

①寬度B=D1+S(單位m)。式中D1為管道外徑；S為操作寬度，一般取2.4～3.2 m；

②長度L=L1+L2+L3+L4+L5。式中L1為頂管掘進機長度。對于鋼筋混凝土管，不宜小于0.3 m；鋼管則不宜小于0.6 m；L2為管節長度；L3為輸土工作間長度；L4為千斤頂長度；L5為后座墻的厚度。

為了確保施工安全，在進行工作井開挖時，應對工作井進行必要的安全支護(例如采用鋼板樁、護壁樁、噴錨支護等)，工作井頂部應設置防墜措施等。此外，應設置積水坑以利于排水。在地下水豐富的地區還需要做好降水措施(圖3)。

(2)后背墻尺寸(圖3)計算。

后背墻受力面積計算公式:

式中S為后背所需的承壓面積(m2)；P為計算的總頂力(kN);[σ]為土壤的允許承載力,其根據地質報告取值。

圖3　頂管工作井布置示意圖

后背墻一般采用混凝土澆筑，以保證其整體穩定性。

(3)安裝導軌。

基坑夯實后可采取澆筑20cm厚C20混凝土并在混凝土上安裝導軌。導軌安裝好后，采用水平儀復核導軌頂面的高程，待其符合設計坡度要求后，方能進行下一道工序的施工。

導軌是在基礎上安裝的軌道，一般采用裝配式。管節在頂進前先安放在導軌上。在頂進管道入土前，導軌承擔導向功能，以保證管節按設計高程和方向前進(圖4)。

圖4　導軌形式圖

導軌應選用鋼質材料制作，其安裝應符合下列規定：

* 兩導軌應順直、平行、等高，其坡度應與管道設計坡度一致。當管道坡度>1%時，導軌可按平坡鋪設。

* 導軌安裝的允許偏差應為：軸線位置為3mm；頂面高程為0～+3mm；兩軌內距為±2mm。

* 安裝后的導軌必須穩固，在頂進中承受各種負載時不產生位移、不沉降、不變形。

* 導軌安放前，應先復核管道中心的位置，并應在施工中經常檢查校核。

兩導軌內距計算公式：

式中l為兩導軌上部內側間距(單位mm)；D為管外徑(單位：mm)；h為導軌高度(單位：mm)；e為管外底距枕木距離(單位：mm)。

2.3頂進阻力的計算

根據非開挖技術協會行業標準《頂管施工技術及驗收規范》公式計算：

式中γ為管道所處土層的重力密度，單位kN/m3，根據地質報告取值； H為管道頂部以上覆蓋土層的厚度，單位m；φ為管道所處土層的內摩擦角，根據地質報告取值；ω為管道單位長度的自重，單位：kN/m；L為管道的計算頂進長度，單位m；f為頂進時管道表面與其周圍土層之間的摩擦系數，取值可按表1所列的數據選用。P3為頂進時頂管掘進機的迎面阻力，其取值見表2。

表1　頂進管道與其周圍土層之間的摩擦系數表

采取敞開式頂管法施工，Ps=π×Ds×ts×ρs

式中Ps為切削阻力，kN；Ds為頂管機外徑，單位m；ts為切削工具管的壁厚，單位m；ρs為單位面積土的端部阻力(表2)。

表2　不同地層單位面積土的端部阻力表

2.4頂管機及頂鐵的選擇

(1)千斤頂的選擇。

根據上述公式計算出頂進阻力，再根據頂進阻力選擇合適的頂進設備(千斤頂參數選擇)。

千斤頂的安裝應符合下列規定：

千斤頂宜固定在支架上并與管道中心的垂線對稱，其合力的作用點應在管道中心的垂直線上；當千斤頂多于一臺時，應取偶數且應規格相同、行程同步，每臺千斤頂的使用壓力不應大于其額定工作壓力，千斤頂伸出的最大行程應小于油缸行程10 cm左右。當千斤頂規格不同時，其行程應同步，并應將同規格的千斤頂對稱布置；千斤頂的油路必須并聯，每臺千斤頂應有進油與退油的控制系統。

千斤頂油泵的安裝和運轉應符合下列規定：

圖5　千斤頂布置示意圖

油泵宜設置在千斤頂附近，油管應順直、轉角少；油泵應與千斤頂相匹配并應備有備用油泵；油泵安裝完畢應進行試運轉；頂進開始時應緩慢進行，待各接觸部位密合后，再按正常頂進速度頂進；頂進中若發現油壓突然增高，應立即停止頂進，檢查原因并經處理后方可繼續頂進；千斤頂活塞退回時，油壓不得過大，速度不得過快。主頂千斤頂可固定在組合千斤頂架上做整體吊裝，根據其頂進力對稱布置的要求，通常選用2、4、6只(按偶數組合)，見圖5。。 (2)頂鐵。

頂鐵又稱為承壓環或均壓環，其作用主要是把主頂千斤頂的推力比較均勻地分散到頂進管道的管端面上，同時還起到保護管端面的作用，同時還可以延長短行程千斤頂的行程。頂鐵可分為矩形頂鐵、環形頂鐵、弧形頂鐵、馬蹄形頂鐵和“U”形頂鐵幾種。

2.5后背墻的穩定計算

根據中國非開挖技術協會行業標準《頂管施工技術及驗收規范》中后背墻計算公式：

式中R為總推力之反力，kN；α為系數，取α=1.5～2.5；B為后墻的寬度，m；γ1為土的容重，kN/m3；H為后墻的高度；Kp為被動土壓系數(見表3)；c為土的內聚力，kPa；h為地面到后墻頂部土體的高度，m。

表3　土的主動和被動土壓系數值表

注：此表為中國非開挖技術協會行業標準《頂管施工技術及驗收規范》中表7.1.8。

2.6頂管出洞

頂管出洞是頂管作業中一個比較重要的環節。頂管出洞，即第一節管道從接受井中破土而出，即將達到設計位置。開始正常頂管前的過程是頂管技術中的關鍵工序，也是最容易發生事故的工序。為防止管線出現偏斜，在井壁上加設支撐，若發現下跌應立即用主頂油缸進行糾偏；刃角出洞前采取預先設定一個初始角以彌補下跌等措施。

3頂管測量控制

頂管施工發生方向偏移是時常發生的，因此，頂管測量控制工作應是頂管施工中的一項重要工作。施工時應進行三維動態測量，其精度要求很高，通常是在井周布設一個高精度的控制網，用以測量、檢查和修正工作井井周和井下的測量點，如軸線點、井下的測量起始點和后視點等；同時，在進行頂進施工過程中，也需要對周邊建筑物、基坑四周、頂管軸線地面進行沉降及變形觀測，以防止在頂進過程中出現破壞事故。

4頂管施工應注意的幾個問題

(1)工程地質和水文地質條件。施工前，必須了解土層的變化情況;對于要經過回填土的地帶需提前進行加固處理，避免施工后地表有過大幅度的下沉。

(2)有毒有害氣體的檢測和預防。頂管施工通過的地層一般都會有淤泥層，腐爛的動植物會在地下生成有毒有害的氣體，頂管施工過程中，需要定時監測管內有毒有害氣體的含量，及時通風

換氣，確保安全。

(3)地下管線的提前探察。頂管施工時應提前查明其它地下管線的埋設深度、走向、位置等，不僅有利于頂管施工工程的順利進行，而且有利于保證其它地下管線的安全。

5結語

城市隨著時代的發展在不斷變遷，有些工程項目中實施的開槽技術已經逐漸被頂管技術所取代。頂管技術在城市排水管道施工工程中具有舉足輕重的作用，特別是對于一些深覆土、大管徑管道工程的施工，在一些比較惡劣的施工環境中，頂管技術具有較多的優越性。隨著城市的發展，頂管技術也要不斷地完善和進步，加長管道、加粗管徑、管道中粗直交替勢必成為頂管技術的下一個發展目標。

參考文獻：

[1]GB50268-2008，給水排水管道工程施工及驗收規范[S].

李旭東(1983-)，男，四川平昌人，工程師，從事水利水電、市政、高速公路、高鐵項目施工技術及管理工作.

(責任編輯：李燕輝)

收稿日期:2015-10-20

文章編號:1001-2184(2015)06-0007-04

文獻標識碼:B

中圖分類號:TV52;TV544

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