縮小工作井尺寸頂管施工技術(shù)研究

王曉璞

（北京住總集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京100000）

頂管法作為一種暗挖施工技術(shù)，可在不開挖土層情況下進(jìn)行管道鋪設(shè)施工，在各類地下管線施工中應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1-2]。工作井是頂管施工所有設(shè)備安置的場(chǎng)所，具體包括機(jī)頭長(zhǎng)度加千斤頂長(zhǎng)度以及后背墻的長(zhǎng)度，工作井空間大小直接影響或限制頂管施工[3-4]。城市污水管道頂管施工中，往往在管線密集、臨近建筑物區(qū)域[5]。工作井的開拓，除去施工直接成本之外，還可能會(huì)涉及臨近建筑的拆遷問(wèn)題，增大了頂管施工的經(jīng)濟(jì)成本和施工周期[6-7]。因此，縮小尺寸工作井頂管施工技術(shù)的研究具有重要的工程價(jià)值[8]。

文中以北京新城二期小區(qū)污水接入市政管網(wǎng)工程頂管施工為研究對(duì)象，在頂管工作井受臨近建筑和高壓線限制條件下，通過(guò)增加頂管輔助設(shè)備來(lái)改進(jìn)傳統(tǒng)頂管方式，從而實(shí)現(xiàn)大幅縮減工作井尺寸的目的，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

聚焦攻堅(jiān)水環(huán)境治理工程朝陽(yáng)區(qū)六標(biāo)- 新城二期小區(qū)污水接入市政管網(wǎng)工程位于朝陽(yáng)區(qū)東壩鄉(xiāng)境內(nèi)，起點(diǎn)為小區(qū)現(xiàn)狀污水出戶井，終點(diǎn)為東壩南二街現(xiàn)狀污水干線。管線總長(zhǎng)度1557.2m。干線設(shè)計(jì)管徑D400～D800mm，總長(zhǎng)度770.4m；支線管徑D400～D500mm，總長(zhǎng)度約786.8m。

2018 年1 月20 日放樣后發(fā)現(xiàn)主線W16 號(hào)豎井（井段長(zhǎng)度74m）位于駒子房路東側(cè)，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸為東西方向5m，南北方向7m。但由于現(xiàn)場(chǎng)豎井南側(cè)有現(xiàn)狀房屋，北側(cè)有高壓線桿，兩者之間的凈距5.5m，無(wú)法滿足結(jié)構(gòu)尺寸5×7m 的要求。同時(shí)，現(xiàn)狀房屋和高壓線桿沒(méi)有拆遷的可能。此管線整體工期180d，從現(xiàn)場(chǎng)條件來(lái)看，該位置將成為本條管線的關(guān)鍵工序。如何解決場(chǎng)地受限條件下頂管順利進(jìn)行成為這條管線須解決的首要任務(wù)。

2 頂管施工面臨的問(wèn)題分析

現(xiàn)行《北京市給水排水管道工程施工技術(shù)規(guī)程》（DBJ 01-47-2000）規(guī)定，頂管工作豎井頂鎬通過(guò)頂鐵直接作用在管材尾部，工作井順管向尺寸如式（1）所示：

式中：L1——工具管外露長(zhǎng)度0.5m；

L2——管長(zhǎng)2.5～3m

L3——頂鐵長(zhǎng)度0.5m；

L4——頂鎬長(zhǎng)2～2.5m；

L5——后背厚度0.5m。

總長(zhǎng)度L 約6～7m，設(shè)計(jì)圖紙中給出的工作井尺寸大小為7m。但由于現(xiàn)場(chǎng)豎井南側(cè)有現(xiàn)狀房屋，北側(cè)有高壓線桿，兩者之間的水平凈距僅為5.5m，無(wú)法滿足結(jié)構(gòu)尺寸5×7m 的要求。

本條管線涉及到東壩鄉(xiāng)朝新嘉園5 期小區(qū)的污水排放問(wèn)題以及駒子房溝上游污水截流，業(yè)主要求盡快完工交付使用。高壓線桿涉及到沿線居民及企事業(yè)單位的用電，無(wú)法在近期拆除；現(xiàn)狀房屋拆除工作費(fèi)用大，可能超出管線施工概算，房屋亦無(wú)法拆除。業(yè)主單位和設(shè)計(jì)院溝通后，本管線路由沿規(guī)劃駒子房路進(jìn)行布置，旁邊規(guī)劃有電力、通信、燃?xì)狻崃Φ绕渌芫€路由，故無(wú)法調(diào)整污水路由。因此，按照常規(guī)的方法進(jìn)行施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件肯定滿足不了要求，要想按時(shí)完成此工程，解決此問(wèn)題，必須采取一種方式減小工作井的尺寸。為此項(xiàng)目部特成立聚焦攻堅(jiān)QC 小組研制一種縮小工作井尺寸的頂管設(shè)備。

3 頂管方案的確定

3.1 縮小井頂管思路的提出

借鑒日常生活中常用的注射器原理，其主要由針頭、空筒、活塞軸三部分組成?？胀驳闹饕饔脼槭⒎乓后w，活塞軸的主要作用為抽取和注射液體。注射時(shí)通過(guò)活塞軸的頂進(jìn)將液體緩緩的注入人體內(nèi)，該結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是空筒大，活塞軸小，兩者的長(zhǎng)度通過(guò)可以重合。因此，可將活塞軸看成混凝土管，在混凝土管外面在套一個(gè)稍大一點(diǎn)的套管（類似空筒），套管兩側(cè)做一個(gè)類似手柄的反力裝置——反力架，千斤頂將力作用在反力架上，再通過(guò)套管將力傳遞至混凝土上，使得千斤頂力的作用點(diǎn)變到了混凝土管的兩側(cè)。達(dá)到將千斤頂和混凝土管重合的目的，從而實(shí)現(xiàn)減小工作井尺寸的目的。根據(jù)查新借鑒結(jié)果，計(jì)劃通過(guò)此次QC 活動(dòng)，在保證頂管施工安全、質(zhì)量及進(jìn)度的前提下，研制一種縮小工作井尺寸的頂管設(shè)備，將工作井的順管向尺寸減小到5m，費(fèi)用控制在2 萬(wàn)以內(nèi)。

3.2 縮小井頂管方案的確定

根據(jù)《北京市給水排水管道工程施工技術(shù)規(guī)程》DBJ 01-47-2000 要求，工作井順管向尺寸中工具管外露長(zhǎng)度0.5m、管長(zhǎng)2.5～3m、頂鐵長(zhǎng)度0.5m、頂鎬長(zhǎng)2～2.5m、后背厚度0.5m。其中由于工具管外露長(zhǎng)度以及后背厚度均為定值無(wú)法改變，只能通過(guò)改變剩余3 項(xiàng)的長(zhǎng)度來(lái)縮小工作井的尺寸。提出解決方案如下：

施工設(shè)備方面：a.減小千斤頂長(zhǎng)度：目前由于頂管施工方便性的需要千斤頂?shù)男谐桃话銥?～2.7m，對(duì)應(yīng)的千斤頂長(zhǎng)度為2.2～3m。通過(guò)方案確定會(huì)的討論，成員發(fā)現(xiàn)橋梁張拉用的千斤頂長(zhǎng)度僅為0.6m（行程0.25m），通過(guò)更換千斤頂可以將千斤頂長(zhǎng)度減小1.6m。b.根據(jù)查新結(jié)果，可以采用反向頂管機(jī)減小工作井結(jié)構(gòu)尺寸2m。c.根據(jù)注射器的結(jié)構(gòu)原理，可以研制一個(gè)類似注射器的頂管輔助設(shè)施，使得千斤頂作用在混凝土管材側(cè)面，縮小千斤頂和混凝土管材的總長(zhǎng)度。施工材料方面：現(xiàn)在市面上的預(yù)制混凝土管長(zhǎng)度2.5～3m，可以通過(guò)減小預(yù)制管的長(zhǎng)度來(lái)達(dá)到減小工作井尺寸的目的。施工方法方面：將頂管施工改為暗挖施工，工作井的尺寸可以減小到5m。

3.3 縮小井頂管方案的比選優(yōu)化

根據(jù)方案討論會(huì)提出的5 種可行性方案，從適用性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、環(huán)保性進(jìn)行方案比選，確定最佳方案。方案比選表1所示。

經(jīng)過(guò)以上五種待選方案，確定方案三研制一種頂管輔助設(shè)施在能滿足減小工作井尺寸2m 的目的，只需增加投入2 萬(wàn)在業(yè)主單位的接受范圍內(nèi)，安全性通過(guò)計(jì)算設(shè)計(jì)、加工過(guò)程中的質(zhì)量控制以及安全技術(shù)交底可以控制，無(wú)額外產(chǎn)生影響環(huán)境的因素確定為最佳實(shí)施方案。

4 縮小井頂管技術(shù)

4.1 實(shí)施對(duì)策及流程

根據(jù)最佳施工方案，為保證方案的順利實(shí)施，制定如表2 所示對(duì)策實(shí)施表：

表2 輔助設(shè)施研制措施

頂管輔助設(shè)施加工完成后，需在鋼筋加工場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試——現(xiàn)場(chǎng)將頂管導(dǎo)軌、混凝土管材等安裝完成，吊裝好頂管輔助設(shè)施進(jìn)行調(diào)試，以保證輔助設(shè)施順利應(yīng)用，流程如圖1 所示。

圖1 頂管流程

4.2 輔助設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.2.1 設(shè)計(jì)思路

輔助設(shè)施的設(shè)計(jì)靈感來(lái)自于生活中常見(jiàn)的“注射器”結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)減小工作井尺寸的目的。頂管輔助設(shè)施實(shí)際上是一個(gè)帶反力牛腿的套管，將千斤頂頂力作用在牛腿上，再通過(guò)套管將力傳遞至混凝土上，使得千斤頂力的作用點(diǎn)變到了混凝土管的兩側(cè)，使得千斤頂和混凝土管兩者長(zhǎng)度重合。由于頂管施工時(shí)混凝土管下面有導(dǎo)軌，因此套管的底部需要和混凝土管一樣高。

4.2.2 輔助設(shè)施加工圖

經(jīng)過(guò)QC 小組成員的集體討論決定采用現(xiàn)有的材料制成頂管輔助設(shè)施，其中環(huán)形頂鐵采用現(xiàn)有的800mm 環(huán)形頂鐵;拉帶采用20mm 厚鋼板，鋼板寬度59cm，長(zhǎng)度222cm; 反力環(huán)采用1200mm 環(huán)形頂鐵進(jìn)行切割加工；牛腿及牛腿下的支撐板亦均采用20mm 厚鋼板；最終形成頂管輔助設(shè)施的設(shè)計(jì)圖紙如圖2所示：

圖2 輔助設(shè)施示意圖

4.2.3 強(qiáng)度計(jì)算及復(fù)核

根據(jù)《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB50268-2008）：

機(jī)械頂管頂進(jìn)阻力

式中：Fp——頂進(jìn)阻力，kN；

D0——管道的外徑，m；

L——管道設(shè)計(jì)頂進(jìn)長(zhǎng)度，m；

fk——管道外壁與土的單位面積平均摩阻力，kN/m2，

NF——頂管機(jī)的迎面阻力(kN)

經(jīng)計(jì)算Fp=1452kN，拉帶采用2cm 厚鋼板，寬度59cm。

拉帶與環(huán)形頂鐵及反力環(huán)共有四條焊縫，由于環(huán)形頂鐵的焊縫較短10cm, 因此計(jì)算時(shí)偏安全的采用10cm 焊縫長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算，焊縫厚度為2cm，每條焊縫需要承受的拉力為1452/4=363KN。焊接母體為A3 鋼，焊條采用502 焊條，人工施焊，焊縫強(qiáng)度值為490MPa。

則每條焊縫能承受的拉力

4.3 輔助設(shè)施的加工

加工工藝流程：原材料準(zhǔn)備、拉帶下料及反力環(huán)切割、場(chǎng)地內(nèi)試拼、點(diǎn)焊固定加固焊成品。加工實(shí)物如圖3 所示，具體加工要點(diǎn)如下：

4.3.1 原材料準(zhǔn)備：設(shè)計(jì)時(shí)為了施工方便及節(jié)約成本，所需材料用的全是現(xiàn)有材料，主要包括20mm 厚鋼板以及環(huán)形頂鐵。

4.3.2 料加工：根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行下料加工，由于反力環(huán)采用的是1200mm 的環(huán)形頂鐵，試拼前需要先切割成形，再調(diào)整為如圖所示的弧度。

4.3.3 場(chǎng)地內(nèi)拼裝：安裝好頂管軌道，將800mm 管吊裝至鋼筋加工場(chǎng)內(nèi)后，將環(huán)形頂鐵、反力環(huán)、拉帶在800mm 管上進(jìn)行拼裝。

4.3.4 點(diǎn)焊固定：點(diǎn)焊固定的主要作用為將拼裝好的各組件臨時(shí)連接成一個(gè)整體，為移除800mm 管整體施焊創(chuàng)造作業(yè)條件。點(diǎn)焊長(zhǎng)度5mm，點(diǎn)焊位置在三大組件之間的交叉點(diǎn)上。

4.3.5 加固焊：為了防止出現(xiàn)焊接變形，保證整體的加工精度不超過(guò)10mm，焊接人員先進(jìn)行試焊，合格后方可進(jìn)行焊接操作，拉帶和反力環(huán)以及拉帶和環(huán)向頂鐵之間的空隙嚴(yán)禁夾渣焊，采用兩個(gè)焊接工人同時(shí)對(duì)稱進(jìn)行焊接。

圖3 輔助設(shè)備

5 縮小井頂管施工過(guò)程及效果

頂管施工如圖4 和圖5 所示，和常規(guī)機(jī)械頂管相比，由于增加輔助設(shè)施，管道頂進(jìn)過(guò)程需要增加安裝及拆除輔助設(shè)施的步驟，其他的施工工序和常規(guī)頂管一致。由于反力作用點(diǎn)位于管道兩側(cè)，千斤頂位置需要較常規(guī)頂管往兩側(cè)偏移40cm?；炷凉馨惭b完成后，采用吊車直接整體吊裝頂管輔助設(shè)施，并保證輔助設(shè)施兩側(cè)不能有障礙物。頂管輔助設(shè)施使用過(guò)程中需要由專人查看焊縫的焊接情況，遇見(jiàn)焊縫開裂時(shí)立即停止施工，重新加固后方可繼續(xù)頂進(jìn)。待輔助設(shè)施接近前方錨噴側(cè)墻時(shí)（此時(shí)已經(jīng)頂進(jìn)一根完整的混凝土管），開始拆除頂管輔助設(shè)施。采用吊車直接整體吊裝頂管輔助設(shè)施，拆除頂管輔助設(shè)施時(shí)需要特別注意解除頂管輔助設(shè)施和其他頂管設(shè)備之間的連接。

圖4 常規(guī)頂管

圖5 縮小井頂管

通過(guò)增加了輔助設(shè)施，使得千斤頂頂力作用點(diǎn)調(diào)整至污水管道兩側(cè)，達(dá)到了減小工作井尺寸2m 的目的。頂管輔助設(shè)施采用的環(huán)形頂鐵、反力環(huán)及20mm 厚鋼板總重量0.46 噸，材料及加工費(fèi)合計(jì)7500 元/噸，整個(gè)輔助設(shè)施的材料及加工總費(fèi)用為0.33 萬(wàn)元，另由于需要增加安裝及拆除頂管輔助設(shè)施的工序，延長(zhǎng)了1 天的頂管工期，增加人工投入6 個(gè)（1200 元），吊車臺(tái)班1個(gè)（1500 元）以及其他小型機(jī)械的投入1000 元，累計(jì)增加的投入為0.7 萬(wàn)元。

由于增加了頂管輔助設(shè)施相當(dāng)于增加了一個(gè)頂管安全風(fēng)險(xiǎn)源，需要控制頂管輔助設(shè)施的安裝及使用的安全：安裝及拆除頂管輔助設(shè)施采用電車通過(guò)吊環(huán)進(jìn)行吊裝；拆除頂管輔助設(shè)施時(shí)需要特別注意解除頂管輔助設(shè)施和其他頂管設(shè)備之間的連接；頂管輔助設(shè)施使用過(guò)程中需要由專人查看焊縫的焊接情況，遇見(jiàn)焊縫開裂時(shí)立即停止施工，重新加固后方可繼續(xù)頂進(jìn)。

進(jìn)度方面只是增加了一道安裝及拆除頂管輔助設(shè)施的工序，該工作井內(nèi)一共有30 根混凝土管，累計(jì)使用時(shí)間258.5 分鐘，平均一次安裝及拆除的時(shí)間為8.6 分鐘，達(dá)到使用方便的目的。

6 結(jié)論與建議

由于增加了頂管輔助設(shè)施，雖然達(dá)到了減小順管向工作井2m 的目的，但垂直管線方向大小要求較常規(guī)頂管需要增加0.8m，縮小了頂管施工操作空間。操作空間由原來(lái)的每側(cè)1.5m壓縮到每側(cè)1.1m。通過(guò)本次一種縮小工作井尺寸的頂管輔助設(shè)備的研制，積累了一些施工輔助設(shè)施的研制經(jīng)驗(yàn)，研制出了一種能夠減小工作井結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)施，對(duì)頂管施工有了重新的認(rèn)識(shí)與理解，研制的成果也得到了各方的認(rèn)可。通過(guò)本次一種縮小工作井尺寸的頂管輔助設(shè)備的研制，解決了WD16 號(hào)豎井尺寸受限的現(xiàn)實(shí)情況，在不拆除房屋及電桿的情況下完成了該段管線的頂管施工。