論頂管工程的施工技術(shù)

王 紅 云

(太原市市政工程總公司，山西 太原 030002)

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論頂管工程的施工技術(shù)

王 紅 云

(太原市市政工程總公司，山西 太原 030002)

介紹了頂管工程的工作原理及其分類，分析了工作井和接收井的設(shè)計(jì)與施工，并闡述了其主要的施工設(shè)備，從減阻技術(shù)、頂力估算、頂管進(jìn)出洞施工技術(shù)、測(cè)量四方面，分析了頂管工程施工技術(shù)要點(diǎn)，為同類工程提供參考。

頂管工程，工作井，接收井，千斤頂

0 引言

隨著現(xiàn)代施工地質(zhì)及自然環(huán)境的條件惡化，現(xiàn)代化城市對(duì)城市環(huán)境的要求逐年增加，不開槽施工方法在城市管道施工中越來越受到人們的重視。本文就頂管施工的類型及適用條件以及施工中應(yīng)注意的要點(diǎn)進(jìn)行了闡述。

1 頂管工程工作原理

頂管施工是繼盾構(gòu)施工之后而發(fā)展起來的一種地下管道施工方法，它不需要開挖面層，并且能夠穿越公路、鐵道、河川、地面建筑物、地下構(gòu)筑物以及各種地下管線等。頂管施工借助于主頂油缸及管道間中繼間等的推力，把工具管或掘進(jìn)機(jī)從工作井內(nèi)穿過土層一直推到接收井內(nèi)吊起。與此同時(shí)，也就把緊隨工具管或掘進(jìn)機(jī)后的管道埋設(shè)在兩井之間，以期實(shí)現(xiàn)非開挖敷設(shè)地下管道的施工方法。

2 頂管施工的分類

1)按頂管直徑大小可分為：大直徑頂管、中直徑頂管、小直徑頂管。

2)按頂進(jìn)距離可分為：短距離頂管、長(zhǎng)距離頂管和超長(zhǎng)距離頂管。

3)按管材可分為：鋼管頂管、混凝土管頂管、玻璃鋼管頂管和其他管材頂管。

4)按有無地下水可分為：干法頂管和水下頂管。

5)按管軸線可分為：直線頂管和曲線頂管。曲線又分為水平曲線和垂直曲線，不同材質(zhì)的管材和管節(jié)長(zhǎng)度有不同的曲率半徑的要求。

3 工作井和接收井的設(shè)計(jì)與施工

3.1 形狀的選擇

工作井平面形狀一般分為矩形、圓形及多邊形幾種。由于矩形工作井內(nèi)部空間能較好的被充分利用，且井壁可直接作為頂管后背墻使用，故矩形工作井為最常用的工作井形式。

3.2 工作場(chǎng)地選擇

工作井選址應(yīng)遠(yuǎn)離房屋、地下管線、架空線路等不利于施工的場(chǎng)所，同時(shí)應(yīng)滿足堆放管道、注漿材料和泥漿沉淀池、渣土運(yùn)輸設(shè)備及運(yùn)輸線路的要求。

3.3 工作井的尺寸確定

工作井的尺寸應(yīng)滿足管道下放所需長(zhǎng)度、機(jī)頭進(jìn)出洞所需安全距離、人員上下及施工操作所需空間，以及排放泥漿或棄土設(shè)施的位置等。

工作井按深度可劃分為淺工作井和深工作井，當(dāng)井底至地面高度大于10 m時(shí)稱為深工作井，反之稱為淺工作井。其深度涉及吊裝的工作量及工作井的大小尺寸要求。

1)工作井長(zhǎng)度。

a.按設(shè)備長(zhǎng)度計(jì)算:

L≥L1+L2+k。

b.按管段長(zhǎng)度計(jì)算：

L≥L2+L3+L4+k。

其中，L為工作井最小長(zhǎng)度；L1為頂進(jìn)設(shè)備長(zhǎng)度；L2為管段長(zhǎng)度；L3為千斤頂長(zhǎng)度；L4為境內(nèi)保留管段最小長(zhǎng)度；k為后座、鋼頂鐵、環(huán)形頂鐵厚度之和。

2)工作井寬度。

B=D+(2.0～2.4)。

其中，B為工作井寬度；D為管道外徑。

3)工作井深度。

H=H1+D+h。

其中，H1為管頂覆土厚度；D為管道外徑；h為管道連接操作空間高度。

4 頂管設(shè)備的選擇

1)氣壓平衡頂管機(jī)：其原理是使挖掘面與一定壓力的壓縮空氣相接觸，以疏干挖掘面土體內(nèi)的水分，同時(shí)達(dá)到穩(wěn)定挖掘面的要求。該工法缺點(diǎn)是:勞動(dòng)條件較差，施工速度較為緩慢，同時(shí)施工安全性較差。

2)泥水平衡頂管機(jī):其原理是通過帶壓力的泥漿與開挖面接觸，通過泥漿與接觸面的壓力平衡達(dá)到施工頂進(jìn)目的。該工法缺點(diǎn)是:a.泥漿的存放和運(yùn)輸較困難。b.由于為泥水施工，對(duì)環(huán)境影響較大，故在市區(qū)內(nèi)不宜采用。c.不適用于有大塊石或障礙物的土層。d.對(duì)滲透性較大的土質(zhì)需加入一定數(shù)量的穩(wěn)定劑，否則，易出現(xiàn)塌方。

3)土壓平衡頂管機(jī)：其原理是通過土倉內(nèi)壓力和排土來平衡地下土壓力和水壓力。該工法缺點(diǎn)為：a.在粒徑較大或砂礫石土質(zhì)中必須添加粘土或土體改良劑。b.遇較大障礙物則無法施工，開工前需對(duì)地質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查。

5 頂管工程施工主要施工設(shè)備

1)工作井軌道。

主要起到對(duì)管道的導(dǎo)向及控制平面及高程位置的作用，同時(shí)對(duì)鋼管還起到托架作用，主要由軌道支撐、導(dǎo)軌、整平螺栓組成。

2)后靠板。

也稱為“后靠背”，主要起到傳遞油缸反力，同時(shí)使其均勻分散至后背墻，不讓后背墻因?yàn)閼?yīng)力集中而遭受破壞。

安裝時(shí)要注意與油缸軸線保持垂直，同時(shí)后背板與后座墻之間要緊貼，若有空隙則需用素混凝土或細(xì)砂填實(shí)。

3)油缸及千斤頂。

小直徑頂管油缸規(guī)格推力以150 t～200 t為宜，油缸行程以1 500 mm～1 800 mm為宜。大中直徑頂管油缸推力以200 t～300 t為宜，油缸行程以3 000 mm～3 500 mm為宜。

選擇油缸推力太小則油缸布置數(shù)量過多，油缸推力過大，推力過于集中，則管材易破碎。

4)頂鐵。

頂鐵的目的是保護(hù)頂進(jìn)管材管口不受破壞，同時(shí)可彌補(bǔ)油缸行程不足，因此，頂鐵必須有足夠的強(qiáng)度和剛度。

泥水平衡頂管時(shí)頂鐵大多是倒扣在導(dǎo)軌上，土壓平衡頂管時(shí)頂鐵開口都是朝上的。

5)輸土和輸泥設(shè)備。

土壓平衡頂管時(shí)是用螺旋輸送機(jī)排土的，當(dāng)距離短時(shí)可用人工手推車進(jìn)行棄土工作，距離較長(zhǎng)時(shí)采用電瓶車牽引運(yùn)土車將土運(yùn)至坑外。當(dāng)土質(zhì)塑流性滿足要求時(shí)，可用土砂泵直接將棄土通過輸送管道排至地面上。

泥水輸送設(shè)備主要由排泥泵、進(jìn)水泵、中間泵、管道、閥門等組成。切除土體通過泥土倉不斷粉碎、加水、揉和，其中被粉碎的進(jìn)入泥水倉，通過輸泥管道排至地面。

6)注漿潤(rùn)滑設(shè)備。

注漿設(shè)備包括盛漿設(shè)備、拌漿設(shè)備、注漿設(shè)備三類。一般注漿泵工作壓力僅在1 MPa以下，即使長(zhǎng)距離頂管注漿泵壓力亦不會(huì)超過2 MPa～3 MPa。如果注漿壓力過高將會(huì)增大管道頂力。

7)長(zhǎng)距離頂管的通風(fēng)與換氣設(shè)備。

一般可選壓入式或抽吸式通風(fēng)、換氣裝置。常用通風(fēng)設(shè)備有軸流式抽出式風(fēng)機(jī)和羅茨鼓風(fēng)機(jī)等。

8)長(zhǎng)距離頂管的供、配電設(shè)備。

長(zhǎng)距離頂管的供、配電設(shè)備可分為兩種方式：一種是用全自動(dòng)補(bǔ)償式電力穩(wěn)壓器來穩(wěn)定電壓，另一種是用1 000 V高壓向管內(nèi)供電，再用干式變壓器降為380 V。

6 頂管工程施工要點(diǎn)

1)減阻技術(shù)。

最常用為膨潤(rùn)土觸變泥漿減阻。其作用機(jī)理是根據(jù)管徑不同，后續(xù)管節(jié)直徑一般比頂管機(jī)直徑小20 mm～50 mm，管道與周圍土體之間存在間隙；糾偏對(duì)土體一側(cè)產(chǎn)生擠壓作用，而另一側(cè)由于應(yīng)力釋放也會(huì)形成空隙，因此在頂管過程中會(huì)產(chǎn)生許多空隙。注漿時(shí)，從注漿孔注入的泥漿首先填補(bǔ)管節(jié)與周圍土體之間的空隙，抑制地層損失造成的地面變形。泥漿與土體接觸后在壓力作用下向地層內(nèi)滲透和擴(kuò)散，短時(shí)間泥漿會(huì)變成凝膠體，充滿空隙，在注漿壓力的擠壓下，會(huì)形成相對(duì)密實(shí)、穩(wěn)定的泥漿套從而減少頂進(jìn)過程中的摩擦阻力，減少地面變形，增加施工安全性。

2)頂力估算。

施工過程中的阻力由兩部分組成：a.頂管機(jī)迎面阻力;b.管體外壁與土體之間的摩阻力。頂管距離越長(zhǎng)管壁所受的摩阻力越大。

頂進(jìn)鋼筋混凝土管時(shí)，頂力按下式計(jì)算：P=nwL。

其中，P為頂力；L為計(jì)算頂進(jìn)長(zhǎng)度；w為管道長(zhǎng)度單位自重；n為土質(zhì)系數(shù)。

3)頂管進(jìn)出洞施工技術(shù)。

a.出洞施工要點(diǎn)。

對(duì)埋深小于10 m的沉井，可在沉井外側(cè)設(shè)置鋼板樁，同時(shí)在洞口進(jìn)行磚封堵，頂管機(jī)出洞時(shí)先拆除臨時(shí)磚封堵，待頂管機(jī)進(jìn)洞后再拆除鋼板樁。

為保證出洞口施工順利進(jìn)行，可對(duì)土體進(jìn)行加固措施，控制土體的均勻性和強(qiáng)度，必要時(shí)在出洞口兩側(cè)采用將水法疏干地下水，以穩(wěn)定土體。

機(jī)頭出洞時(shí)，要將機(jī)頭和前幾節(jié)管道上端用拉桿連接好，并調(diào)好油缸編組，以防機(jī)頭出洞后磕頭。

b.進(jìn)洞施工要點(diǎn)。

覆土深度較深或土質(zhì)較軟時(shí)，應(yīng)防止頂管機(jī)和前幾節(jié)關(guān)節(jié)后退的情況發(fā)生。一旦發(fā)生后退現(xiàn)象，管道前方土體會(huì)發(fā)生塌陷。

通?？稍诙纯诎仓秒妱?dòng)葫蘆，在油缸回縮時(shí)用葫蘆拉近頂管機(jī)不讓其產(chǎn)生后退現(xiàn)象。對(duì)于含水量較大的土質(zhì)，在機(jī)頭進(jìn)洞前必須做好必要的加固和降水工作，確保土體穩(wěn)定，在有含承壓水的土質(zhì)中，還應(yīng)做好深井降水措施。

4)測(cè)量。

頂進(jìn)前需檢查基礎(chǔ)導(dǎo)軌的高程、平面布置尺寸，確定后背位置，需不斷對(duì)管節(jié)的軸線、高程進(jìn)行測(cè)量。同時(shí)需對(duì)管線經(jīng)過區(qū)域地表變化進(jìn)行及時(shí)測(cè)量，提供精確數(shù)據(jù)，對(duì)地面沉降及時(shí)分析，才能對(duì)可能發(fā)生的不確定情況做出精準(zhǔn)判斷，及時(shí)控制。

7 結(jié)語

頂管工程作為地下管道非開挖施工的一種，對(duì)交通繁忙、人口密集、地面結(jié)構(gòu)較多及管線較為復(fù)雜的市區(qū)施工有很重要的實(shí)際施工價(jià)值。在施工中需嚴(yán)格施工工藝、控制風(fēng)險(xiǎn)源、加強(qiáng)施工單位技術(shù)力量、創(chuàng)造安全文明的施工環(huán)境。

[1] 陳忠漢,程麗萍.深基坑工程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[2] 高大釗,趙春風(fēng),徐 斌.樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法與施工技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[3] 江正榮.地基與基礎(chǔ)工程施工禁忌系列手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[4] 葛春輝.頂管工程設(shè)計(jì)與施工[M].北京：建筑工業(yè)出版社，2012.

Discussion on construction technologies of pipe-jacking project

Wang Hongyun

(TaiyuanMunicipalEngineeringCorporation,Taiyuan030002,China)

The thesis introduces working principles and categories of pipe-jacking project, analyzes the design and construction of working well and receiving well, describes its major construction equipment, and analyzes pipe-jacking project construction technology points from four aspects of drag-reducing technology, prestress estimation, pipe-jacking exit and entrance construction technology and measurement, which has provided some guidance for similar engineering.

pipe-jacking project, working well, receiving well, jack

1009-6825(2017)17-0087-02

2017-03-13

王紅云(1978- )，男，工程師

TU745

A