頂管施工技術(shù)在城市水系建設(shè)中的應(yīng)用

梁紅偉

（開封市引黃管理處）

1 應(yīng)用現(xiàn)狀及前景

頂管施工技術(shù)適用于穿越城市交通干道、廣場(chǎng)、重要建筑物、構(gòu)筑物等不便明挖條件下進(jìn)行各種管道的鋪設(shè)施工，因頂管施工技術(shù)具有綜合造價(jià)低、施工效率高、環(huán)境污染小、施工揚(yáng)塵污染小、不影響交通、施工安全性高等優(yōu)點(diǎn)，在市政給排水、城市水系工程、城市供熱、燃?xì)夤艿馈㈦娏芫W(wǎng)等地下管線鋪設(shè)中廣泛應(yīng)用。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，對(duì)環(huán)境保護(hù)、施工揚(yáng)塵防治的要求越來越高，為頂管施工技術(shù)的快速發(fā)展創(chuàng)造了有利條件，近年來中國(guó)頂管施工技術(shù)得以快速發(fā)展，頂管施工技術(shù)也日趨成熟，應(yīng)用前景更為廣闊。

2 頂管基本原理

頂管施工是在頂管兩端布置工作井和接收井，在工作井內(nèi)設(shè)置頂力裝置、安放頂管管材，通過主頂千斤頂和中繼間的頂力，推動(dòng)管節(jié)從工作井預(yù)留洞口頂出，利用頂力持續(xù)頂進(jìn)，管材穿過土層從接收井洞口穿出，形成封閉的管道。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

開封市澗水河綜合治理工程是一渠六河連通水系工程的重要組成部分，位于市區(qū)東京大道北側(cè)規(guī)劃100 m綠化帶內(nèi)，西起開封西湖，東至東護(hù)城河，河道全長(zhǎng)約7.60 km，渠道設(shè)計(jì)引水流量為2.50 m3/s，是連接開封市老城和新城，向老城區(qū)水系和城市周邊東護(hù)城河、黃汴河供水的重要水系工程。河道沿線共穿越10條道路，其中穿越環(huán)堤路、金明大道、東陳莊路、黃河路、西環(huán)城路、萬興苑路、開柳路等7條城市主要交通道路交通任務(wù)大，車流量非常大，如采用大開挖澆筑箱涵的施工方式，會(huì)造成交通擁堵、揚(yáng)塵污染、環(huán)保壓力大，開挖及后期恢復(fù)路面的費(fèi)用高，且恢復(fù)后路面外觀效果差，經(jīng)論證均采用頂管穿越的方式。

3.2 工程地質(zhì)情況

根據(jù)地質(zhì)資料，地層自上而下分別為：第①層粉砂（Q2al 4），第②層輕粉質(zhì)壤土（Q2al 4），底部有重粉質(zhì)壤土透鏡體，第③層粉砂（Q2al 4），第④層重粉質(zhì)壤土（Q1al 4）上部褐色為主，一般軟弱狀，下部灰黑色，一般可塑狀，第⑤層粉細(xì)砂（Q1al 4）。

4 沉井布置

4.1 沉井的作用

沉井包括工作井和接收井，工作井是滿足頂進(jìn)施工時(shí)布設(shè)千斤頂、導(dǎo)軌等頂進(jìn)機(jī)械設(shè)備，供應(yīng)頂管管材的工作平臺(tái)，接收井是為接收頂管機(jī)布設(shè)的豎井。

4.2 沉井布置應(yīng)考慮的主要因素

①應(yīng)考慮地下管線埋深及分布情況，電力、熱力、通信、等管線密集，要摸清地下管線埋深，根據(jù)埋深確定管道頂進(jìn)高程，根據(jù)管頂高確定工作井深度。②應(yīng)考慮施工場(chǎng)地要求，利于排水、出土和運(yùn)輸。③應(yīng)探明施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況，根據(jù)地質(zhì)情況合理布置沉井平面位置。④應(yīng)考慮頂進(jìn)時(shí)頂進(jìn)設(shè)備頂進(jìn)的后坐力，兼具頂進(jìn)后靠背墻的作用。

根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)條件和施工工藝，工作井和接收井平面布置均選擇矩形，經(jīng)計(jì)算工作井平面凈尺寸為6.60 m×5 m，接收井尺寸為4.60 m×4 m。

5 頂管管材選用

目前常用的頂管管材有預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）、鋼管（SP）、球墨鑄鐵管（DIP）、鋼筋混凝土管。

工程鋼筒混凝土管及鋼筋混凝土管比較適合，但鋼筋混凝土管價(jià)格比較低，綜合考慮，本工程采用鋼筋混凝土管，根據(jù)工程荷載，本工程選擇鋼筋混凝土三級(jí)管。

6 頂進(jìn)方式比選

6.1 氣壓平衡頂管施特點(diǎn)及適用條件

氣壓平衡頂管的基本原理是使挖掘面與保持一定壓力的壓縮空氣相接觸，用來阻止挖掘面上土體中的地下水，形成無水干燥的作業(yè)環(huán)境。頂進(jìn)時(shí)對(duì)土層擾動(dòng)較小，挖出的土含水量小，利于外運(yùn)。適用土層較廣，最佳適用土層是有障礙物的復(fù)雜土層；管頂覆土要求，大于2倍管徑，管頂覆土須不發(fā)生氣體泄露；投資大，適用于長(zhǎng)距離頂管中，才具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

6.2 土壓平衡頂管特點(diǎn)及適用條件

土壓平衡頂管的基本原理是通過機(jī)頭前方的刀盤削切并攪拌土體，同時(shí)利用螺旋輸土機(jī)輸送挖土的頂管施工方式。土壓平衡頂管施工的主要特點(diǎn)是在頂進(jìn)施工過程中，通過調(diào)節(jié)土艙內(nèi)渣土的壓力維持挖掘面穩(wěn)定。適用土質(zhì)為黏土、粉土、砂土等土層。能維持挖掘面的穩(wěn)定，從而減小了地面沉降，可用于地面沉降較小的場(chǎng)合。

6.3 泥水平衡頂管特點(diǎn)及適用條件

泥水平衡式頂管基本原理是利用泥水平衡頂管機(jī)械削切泥土，利用泥漿泵系統(tǒng)將泥水輸送至頂進(jìn)面，泥水與削切泥土混合形成泥漿，再經(jīng)泥漿泵系統(tǒng)將混合泥漿輸送至工作井外，頂進(jìn)過程利用注入的泥水壓力來平衡土壓力和地下水壓力。泥水平衡頂管的特點(diǎn)是平衡的精度比較高、施工的速度快，適用的土質(zhì)比較廣。可用于粘性土、粉質(zhì)土、粉土、砂土，不適用透水系數(shù)大的砂卵石。管頂覆土深度＞1.50倍管外徑，且＞3 m。

經(jīng)綜合比較分析，本工程采用泥水平衡式頂管工藝，泥水平衡頂管能有效平衡地下水、對(duì)管體周圍土體的擾動(dòng)較小，地面沉降較小，挖掘面穩(wěn)定；可連續(xù)頂進(jìn)作業(yè)，施工效率高；無需工人進(jìn)入管道內(nèi)作業(yè)，人員的安全保障好。

7 力學(xué)計(jì)算

7.1 頂力估算

頂管參數(shù)：管道外徑2.40 m，管道內(nèi)徑2 m，壁厚0.20 m，管道設(shè)計(jì)頂進(jìn)長(zhǎng)度92 m（開柳路），管道每節(jié)長(zhǎng)2 m，平均埋深9 m，管材為鋼筋混凝土柔性剛承口管（三級(jí)管DRCPⅢ2 000×2 000×200）強(qiáng)度C50。

管道的總頂力計(jì)算公式：按照《給水排水工程頂管計(jì)算規(guī)程》CECS 246：2008（12.4.1）

式（1）中F0—總頂力標(biāo)準(zhǔn)值（KN）；D1—管道的外徑（m）取2.40 m；L—管道設(shè)計(jì)頂進(jìn)長(zhǎng)度（m）設(shè)計(jì)92 m；fk—管道外壁與土的平均摩阻力（kN/m2），按本規(guī)程表12.6.14 采用（依據(jù)地質(zhì)條件取9 kN/m2）。

經(jīng)計(jì)算的總頂力F0=6 927 kN

7.2 管道允許最大頂力

鋼筋混凝土管允許頂力計(jì)算公式：

式中：Fdc，為混凝土管道允許頂力，單位N；Φ1，混凝土材料受壓強(qiáng)度折減系數(shù)，取0.90；Φ2，偏心受壓強(qiáng)度提高系數(shù)，取1.05；Φ3，材料脆性系數(shù)，取0.85；Φ5，混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整系數(shù)，取0.79；fc，混凝土受壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，單位pa；C50管抗壓強(qiáng)度取23.1N/mm2。

Ap，管道的最小有效傳力面積，單位mm2；本工程為直線頂進(jìn)未考慮偏心受力

式中γQd，頂力分享系數(shù)；取1.30。

經(jīng)過計(jì)算管道允許頂力Fdc=12 480 863 N=12 481 kN。

7.3 中繼間設(shè)置

總頂力（6 927 kN）＜管節(jié)允許頂力值（12 481 kN），不用設(shè)置中繼間。

8 測(cè)量、糾偏、泥漿減阻等重要技術(shù)控制

8.1 測(cè)量

頂進(jìn)測(cè)量是為管道向設(shè)計(jì)方向頂進(jìn)提供正確導(dǎo)向，測(cè)量的精度直接影響頂進(jìn)方位偏差，甚至影響到頂管的順利貫通，要注重做好測(cè)量工作，因此需精心實(shí)施，并有專人復(fù)核，確保無誤。頂進(jìn)測(cè)量主要包括垂直偏差測(cè)量和水平偏差測(cè)量。將地面永久水準(zhǔn)點(diǎn)引測(cè)至基坑內(nèi)，設(shè)臨時(shí)基準(zhǔn)點(diǎn)，在井內(nèi)架設(shè)激光經(jīng)緯儀，將激光投射到機(jī)頭測(cè)量靶上，由機(jī)頭內(nèi)的影像采集系統(tǒng)將信號(hào)傳達(dá)到地面操作臺(tái)，機(jī)頭高程和水平偏差就一目了然。初頂和糾偏時(shí)應(yīng)加密測(cè)量，每進(jìn)尺0.50 m 測(cè)量記錄1 次，正常頂進(jìn)時(shí)，每進(jìn)尺1 m，測(cè)量記錄不少于1次。

8.2 糾偏

頂進(jìn)過程中工具管迎面阻力不均勻、管壁周圍摩擦力不均勻等原因會(huì)造成頂進(jìn)方向未按預(yù)定軌跡前進(jìn)，就需要改變工具管走向減少偏差。糾偏常用糾偏千斤頂法，頂進(jìn)走向發(fā)生偏差時(shí)，通過調(diào)節(jié)四組千斤頂?shù)纳炜s量糾正偏差值，使工具管回到預(yù)定頂進(jìn)方向。

8.3 泥漿減阻

頂進(jìn)時(shí)管壁與土體摩擦產(chǎn)生摩阻力，為減少摩阻力，頂進(jìn)時(shí)須使用泥漿減阻。為確保注入的漿液能夠形成完整的環(huán)狀，每節(jié)管距插口端底部預(yù)留注漿孔，每節(jié)管設(shè)置注漿孔3 個(gè)，沿圓周120°分布。每個(gè)預(yù)留孔安裝1 個(gè)單向閥，使注漿只進(jìn)不出。頂管注漿與掘進(jìn)機(jī)頂進(jìn)同步，頂進(jìn)中不斷進(jìn)行補(bǔ)漿，使頂管機(jī)在頂進(jìn)中形成完整的漿套。

9 常見注意問題

施工進(jìn)場(chǎng)前要進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)復(fù)勘，詳細(xì)勘察沉井和管道位置的地質(zhì)構(gòu)造情況和地下埋藏物分布情況，形成詳細(xì)勘察報(bào)告，以利于提前制定可行的施工方案和應(yīng)急預(yù)案。設(shè)計(jì)總平布置要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，場(chǎng)地布置要便于管材、機(jī)械運(yùn)輸，泥漿沉沙池設(shè)置。

防止頂進(jìn)和出洞時(shí)機(jī)頭下沉現(xiàn)象。機(jī)頭進(jìn)洞后做好止水，避免洞口處土體流失、管體沉降等現(xiàn)象；機(jī)頭出洞后，及時(shí)將機(jī)頭取下，將機(jī)頭及時(shí)吊出井外，并抓緊處理井內(nèi)泥漿，進(jìn)行洞口封堵；為防止機(jī)頭下沉常用套筒將機(jī)頭端前2～3節(jié)管材連接形成整體，可有效減少管道的不均勻沉降，防止出洞前機(jī)頭下沉現(xiàn)象。

穿越道路段頂進(jìn)時(shí)，在道路上應(yīng)設(shè)置3～5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，隨時(shí)觀測(cè)，如發(fā)現(xiàn)地面有裂縫、沉降等現(xiàn)象須暫停施工，并會(huì)同參建各方及有關(guān)專家共同制定適當(dāng)?shù)膿尵确桨福桨复_定后方可繼續(xù)施工。

10 結(jié)語

頂管施工技術(shù)在澗水河工程的應(yīng)用是較為成功的，河道全程7.60 km共穿越7處主要交通道路，均采用了頂管技術(shù)，即減少交通擁堵，又減少了揚(yáng)塵污染，在城市的水系穿越交通道路等類似工程中，可以優(yōu)先采用非開挖頂管技術(shù)。