论文部分内容阅读
摘要：顶管技术是一种对管道埋设实行非开挖施工的一种工艺。是把管道通过辅助设备采用不开挖面层，而穿越公路、铁路、河川、地面建筑物、地下构筑物以及各种地下管线等的施工工艺。在市政给排水工程中，这种非开挖的施工工艺非常重要，文章通过实例工程，对该技术的施工特点、工艺流程和施工方案进行了阐述。
关键词：顶管技术；市政给排水工程；施工流程；应用
0 引言
随着我国城市化进程的加快，市政给排水工程建设越来越多，要求也越来越高。传统的开挖工艺造成了交通堵塞、地面建(构)筑物沉陷、环境污染等多种危害，已经不再能适应现代工艺要求。而顶管工程作为一种非开挖工艺受到市政给排水工程参建方的青睐，得到越来越多的应用。
1顶管施工工艺对比传统工艺的优势
顶管施工工艺就是通过采用少开挖或者不开挖的管道施工技术，从而能够穿越公路、铁路、河川、建构筑物以及各种地下管线等的施工工艺。它最显著的特点就是不开挖或者少开挖，除工作井和接收井需要开挖外，其他的管道敷设均不需要开挖，它的实质就是通过地下操作来实现管道工程施工。
顶管工程技术上的优势主要表现在以下5个方面：
(1)由于管道沿线不需要开挖地面，而仅需要开挖工作井与接收井，因此不会影响交通正常运行。
(2)由于不采用大开挖，因此对周边建(构)筑物影响较小，所产生的路面沉陷、房屋开裂等问题较少。
(3)对安全文明施工有利，采用大开挖可能导致扬尘过大，而顶管施工不会产生地面粉尘，从而有利于保护环境。
(4)可有效降低工程造价，由于城市空间狭窄，采用大开挖的方式可能需要对周边建筑物采取造价昂贵的保护措施；
另外，由于掘进断面较小，出渣量少，需要工作人员少等，也可以有效降低工程造价。
(5)可缩短工期，特别是在多雨的城市这种缩短工期带来的效益更加明显。
鉴于以上5种优势，尽管这种施工工艺早已运用多年，但在城市化进入快速发展的今天这种技术仍得到了广泛应用。
2顶管技术在市政给排水工程中的应用
2.1工程概况
青海省某工程重要内容之一的顶管工程全长共计约604 m，管径为DN3400，如此大口径、长距离的顶管工程尚属首次。
2.2施工方案
该工程采用气压平衡法施工，钢管一次顶进长度为604 m。根据顶管施工的工作特点，该工程的关键施工工序为：工作井(沉井)施工→井内设备安装→机头穿墙出洞→顶进→挖掘、运土→测量→井内安装后续管节→管道接口焊接→管道贯通→竣工验收，具体流程详见图1。
2.3顶管设计
顶力是顶管工作中的重要因素，在实施顶管作业之前，必须要对选择的顶管顶力做一个预算。后背主顶千斤的顶力要克服各种阻力方能前进。预先需要计算的顶力主要包括工具管迎面阻力和管道摩阻力两部分。
2.3.1总顶力计算
根据《给水排水管道工程施工及验收规范》的规定，顶管总推力按下式计算：
P=fγ{2H+(2H+)tg2(45°-Φ/2)+ω/γ}+PF
式中：P为计算的总顶力， kN；γ为管道所处土层的重力密度，kN/m³； 为管道的外径，m；H为管道顶部以上覆盖土层的厚度，m；Φ为管道所处土层的内摩擦角，°L为管道的计算顶进长度，m；f为顶进时，管道表面与周围土层之间的摩擦系数，采用触变泥浆减阻措施时，取值为0.15；PF为顶进时，工具管的迎面阻力， kN。
PF的计算公式为：
PF=л× ×t×R
式中：t为0.032 m，R为500 kN/m2。
在一般的钢管顶进中，每节钢管所能承受的最大推力可按下式计算：
F=210000×л× ×t
式中： 为钢管的外径，m；t为钢管的壁厚，m。
经计算，DN3400钢管允许顶力为51 287 kN，顶管主顶选用6台200 t千斤顶，千斤顶顶力为8 000 kN，可以满足一级顶进的要求，最大顶力在12 000 kN时，可以顶进的长度是64 m。根据以上推力计算，一次顶进不能满足要求，需要增加中继间，按照接力推进工艺进行施工。
2.3.2中继间安装位置及数量
主站最大顶力12 000 kN，剩余顶力由中继间承担，中继间采用500 kN千斤顶，每个中继间设28个千斤顶，每个中继间总顶力为14 000 kN。
因为在推进过程中顶力会因土质条件的变化而有较大的变化，所以第一个中继间应放在比较前面一些，当总推力达到中继间总推力60%时，即45 m位置就安放第一个中继间。以后，每当达到中继间总推力的80%时，安放一个中继间。经计算共需增加9个中继间。
中继间的千斤顶组在高压油的作用下，以其后管道为后座支承力，将其前段管向前推进约25～28 cm，然后由其后中继间推进后面管段约25～28 cm，采用这种方法，将管道分段逐次推进。
2.4 工作坑
顶管工作坑的位置应便于排水、出土和运输，并对地上与地下建筑物、构筑物易于采取保护和安全生产措施；采用装配式后背墙由方木、型钢或钢板等组装而成；工作坑的支撑应形成封闭式模框架，矩形工作坑的四角应加斜支撑。顶管井分工作井与接收井两种，顶管井的建造结构有很多种类，一般使用钢筋混凝土结构。在建造过程中，工作井按雙向顶进设计，与接收井间隔布置，间距与设计检查井间距一致，施工完毕，在工作井和接收井的位置上按设计要求做检查井。
2.5设备安装
导轨选用钢质材料制作，将钢轨安装牢固、顺直、平行、等高，其纵坡与管道设计坡度一致。在使用中经常检查校核导轨，防止产生位移。千斤顶安装时固定在支架上，并与管道中心的垂线对称，其合力的作用点在管道中心线的垂线上。油泵应与千斤顶相匹配，并有备用油泵；安装完毕后进行试运转。更换顶铁时，先观察顶铁有无异常现象。顶铁与管口之间采用缓冲材料衬垫，当顶力接近管节材料的允许抗压强度时，管口应增加U型或环形顶铁。正式作业前应试吊，检查重物捆扎情况和制动性能；严禁超负荷吊装。
2.6 顶进
采用手掘式顶进管理，将地下水位降到管底以下不小于0.5米处，并采取措施，防止其它水源进入顶管管道。全部设备经过检查并试运转合格后可进行顶进。工具管接触或切入土层后，自上而下分层开挖。在允许许超挖的稳定土层中正常顶进时，管下部135度范围内不得超挖；超挖量不得大于15mm；管前超挖根据具体情况确定，并制定安全保护措施。
2.7 顶进偏差的校正
顶进过程中发现管位偏差10mm左右，即应进行校正。纠偏校正应缓慢进行，使管子逐渐复位，不得猛纠硬调。纠偏是指机头偏离设计轴线后，利用设置在后部的纠偏千斤顶组，改变机头端面的方向，减少偏差，使管道沿设计轴线顶进。当顶管机头发生旋转时，可采取在管内的相反方向增加压重块或在中间站提供旋转纠正力矩等方法纠正。
2.8 洞口止水
为使管子能顺利从工作井内出洞，一般采取工作井预留洞口比管节外径略大些(一般为100mm)的方式，顶进时此间隙需采取有效措施进行封闭，采用的洞口止水方法是在沉井制作时，预先在洞口预埋一个10mm厚钢法兰，在钢法兰上焊接螺栓，安装16mm厚橡胶法兰，用10mm厚钢压板压紧，未发现地下水和泥砂流入工作井内，同时橡胶法兰和压板可以回收，效果很好。穿墙时，首先要防止井外的泥水大量涌入井内，严防塌方和流沙，则必须在管子顶进方向距离工作井边一定范围，对整个土体进行改良或加固，采用了井点降水措施，以提高这部分土体的强度，防止掘进机出洞时塌方。其次要使管道不偏离轴线，顶进方向要准确。
2.9 防止地面沉降或隆起
开挖端面的取土过多或过少，会造成地面的沉降或隆起。为避免这种不良影响，可采取以下措施：在压浆时要控制好压力，恰好能平衡“泥浆套”以上土体的压力。在某些管节埋藏较浅，离地面不足1.5米的位置，可采用沿管线局部压钢板，上堆砂包加载的形式。
3 施工重点与难点
(1)本工程钢管接头是焊接的，呈钢性，必须在初始顶进中掌握好顶进方向，掌握不好就不容易纠正过来，如果纠正过猛，还会出现管子变形、接口脱焊等，因此要加强测量控制，做到纠偏及时。
(2)精心操作顶管机头，使机头与土体界面始终处于动态平衡，避免地面沉降。
(3)增加检测次数，控制顶管顶力的偏心度，避免管道轴线偏差过大。
(4)采用触变泥浆注浆减阻。顶力控制的关键是最大限度的降低顶进阻力，而降低顶进阻力的最有效方法是注浆，注浆使管道外壁形成泥浆润滑套，从而降低顶进的阻力。钢管顶进之前，在管壁适当位置安装好注压膨润泥浆钢管。
(5)对于不稳定土层或主要干道下，可以采用水泥注浆加固。
(6)在特殊地段要进行施工监测，观测在顶进过程中地面变形和土体移位情况，以便采取预防措施，保证地面建(构)筑物的安全和正常使用。
(7)顶管遇到地下水位过大时，若顶管地面无建(构)筑物地段，可采取地面打降水井排水，以降低地下水压，然后顶进施工。顶管过程中，遇到流砂、塌方时，不得超挖，要勤顶、勤挖，保持顶进与出土平衡，控制好顶管轴线。
(8)要配置柴油发电机组，以免停电时空压机不能运行加压，而造成顶管内塌方。
4 结语
总之，顶管施工必须严格控制好顶管推力，顶管的推力就是顶管过程管道受的阻力，包括工具头正面泥水压力、管壁摩擦阻力。压力过大，会增大主千斤顶负荷，严重的可能产生冒顶现象。顶管技术从根本上改变了城市给排水工程施工破損路面的现象，大大保护了城市的环境和交通畅通性，可极大满足城市发展对给排水工程的要求，顶管技术将成为市政给排水工程施工中的一种常用工艺。因此，加大推广顶管施工技术力度势在必行。
参考文献：
[1]潘国荣，陈晓龙，丁东强.汕头市过海顶管自动测量系统的研究与实现[J].武汉大学学报(信息科学版)，2010，35(3)：298-301.
[2]陈立平，姜学成，王彬.给水排水工程施工及验收规范实施手册[K].北京：化学工业出版社，2010.
[3]寸江峰.顶管施工测量技术[J].山西建筑，2009，35(22)：355-357.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：顶管技术；市政给排水工程；施工流程；应用
0 引言
随着我国城市化进程的加快，市政给排水工程建设越来越多，要求也越来越高。传统的开挖工艺造成了交通堵塞、地面建(构)筑物沉陷、环境污染等多种危害，已经不再能适应现代工艺要求。而顶管工程作为一种非开挖工艺受到市政给排水工程参建方的青睐，得到越来越多的应用。
1顶管施工工艺对比传统工艺的优势
顶管施工工艺就是通过采用少开挖或者不开挖的管道施工技术，从而能够穿越公路、铁路、河川、建构筑物以及各种地下管线等的施工工艺。它最显著的特点就是不开挖或者少开挖，除工作井和接收井需要开挖外，其他的管道敷设均不需要开挖，它的实质就是通过地下操作来实现管道工程施工。
顶管工程技术上的优势主要表现在以下5个方面：
(1)由于管道沿线不需要开挖地面，而仅需要开挖工作井与接收井，因此不会影响交通正常运行。
(2)由于不采用大开挖，因此对周边建(构)筑物影响较小，所产生的路面沉陷、房屋开裂等问题较少。
(3)对安全文明施工有利，采用大开挖可能导致扬尘过大，而顶管施工不会产生地面粉尘，从而有利于保护环境。
(4)可有效降低工程造价，由于城市空间狭窄，采用大开挖的方式可能需要对周边建筑物采取造价昂贵的保护措施；
另外，由于掘进断面较小，出渣量少，需要工作人员少等，也可以有效降低工程造价。
(5)可缩短工期，特别是在多雨的城市这种缩短工期带来的效益更加明显。
鉴于以上5种优势，尽管这种施工工艺早已运用多年，但在城市化进入快速发展的今天这种技术仍得到了广泛应用。
2顶管技术在市政给排水工程中的应用
2.1工程概况
青海省某工程重要内容之一的顶管工程全长共计约604 m，管径为DN3400，如此大口径、长距离的顶管工程尚属首次。
2.2施工方案
该工程采用气压平衡法施工，钢管一次顶进长度为604 m。根据顶管施工的工作特点，该工程的关键施工工序为：工作井(沉井)施工→井内设备安装→机头穿墙出洞→顶进→挖掘、运土→测量→井内安装后续管节→管道接口焊接→管道贯通→竣工验收，具体流程详见图1。
2.3顶管设计
顶力是顶管工作中的重要因素，在实施顶管作业之前，必须要对选择的顶管顶力做一个预算。后背主顶千斤的顶力要克服各种阻力方能前进。预先需要计算的顶力主要包括工具管迎面阻力和管道摩阻力两部分。
2.3.1总顶力计算
根据《给水排水管道工程施工及验收规范》的规定，顶管总推力按下式计算：
P=fγ{2H+(2H+)tg2(45°-Φ/2)+ω/γ}+PF
式中：P为计算的总顶力， kN；γ为管道所处土层的重力密度，kN/m³； 为管道的外径，m；H为管道顶部以上覆盖土层的厚度，m；Φ为管道所处土层的内摩擦角，°L为管道的计算顶进长度，m；f为顶进时，管道表面与周围土层之间的摩擦系数，采用触变泥浆减阻措施时，取值为0.15；PF为顶进时，工具管的迎面阻力， kN。
PF的计算公式为：
PF=л× ×t×R
式中：t为0.032 m，R为500 kN/m2。
在一般的钢管顶进中，每节钢管所能承受的最大推力可按下式计算：
F=210000×л× ×t
式中： 为钢管的外径，m；t为钢管的壁厚，m。
经计算，DN3400钢管允许顶力为51 287 kN，顶管主顶选用6台200 t千斤顶，千斤顶顶力为8 000 kN，可以满足一级顶进的要求，最大顶力在12 000 kN时，可以顶进的长度是64 m。根据以上推力计算，一次顶进不能满足要求，需要增加中继间，按照接力推进工艺进行施工。
2.3.2中继间安装位置及数量
主站最大顶力12 000 kN，剩余顶力由中继间承担，中继间采用500 kN千斤顶，每个中继间设28个千斤顶，每个中继间总顶力为14 000 kN。
因为在推进过程中顶力会因土质条件的变化而有较大的变化，所以第一个中继间应放在比较前面一些，当总推力达到中继间总推力60%时，即45 m位置就安放第一个中继间。以后，每当达到中继间总推力的80%时，安放一个中继间。经计算共需增加9个中继间。
中继间的千斤顶组在高压油的作用下，以其后管道为后座支承力，将其前段管向前推进约25～28 cm，然后由其后中继间推进后面管段约25～28 cm，采用这种方法，将管道分段逐次推进。
2.4 工作坑
顶管工作坑的位置应便于排水、出土和运输，并对地上与地下建筑物、构筑物易于采取保护和安全生产措施；采用装配式后背墙由方木、型钢或钢板等组装而成；工作坑的支撑应形成封闭式模框架，矩形工作坑的四角应加斜支撑。顶管井分工作井与接收井两种，顶管井的建造结构有很多种类，一般使用钢筋混凝土结构。在建造过程中，工作井按雙向顶进设计，与接收井间隔布置，间距与设计检查井间距一致，施工完毕，在工作井和接收井的位置上按设计要求做检查井。
2.5设备安装
导轨选用钢质材料制作，将钢轨安装牢固、顺直、平行、等高，其纵坡与管道设计坡度一致。在使用中经常检查校核导轨，防止产生位移。千斤顶安装时固定在支架上，并与管道中心的垂线对称，其合力的作用点在管道中心线的垂线上。油泵应与千斤顶相匹配，并有备用油泵；安装完毕后进行试运转。更换顶铁时，先观察顶铁有无异常现象。顶铁与管口之间采用缓冲材料衬垫，当顶力接近管节材料的允许抗压强度时，管口应增加U型或环形顶铁。正式作业前应试吊，检查重物捆扎情况和制动性能；严禁超负荷吊装。
2.6 顶进
采用手掘式顶进管理，将地下水位降到管底以下不小于0.5米处，并采取措施，防止其它水源进入顶管管道。全部设备经过检查并试运转合格后可进行顶进。工具管接触或切入土层后，自上而下分层开挖。在允许许超挖的稳定土层中正常顶进时，管下部135度范围内不得超挖；超挖量不得大于15mm；管前超挖根据具体情况确定，并制定安全保护措施。
2.7 顶进偏差的校正
顶进过程中发现管位偏差10mm左右，即应进行校正。纠偏校正应缓慢进行，使管子逐渐复位，不得猛纠硬调。纠偏是指机头偏离设计轴线后，利用设置在后部的纠偏千斤顶组，改变机头端面的方向，减少偏差，使管道沿设计轴线顶进。当顶管机头发生旋转时，可采取在管内的相反方向增加压重块或在中间站提供旋转纠正力矩等方法纠正。
2.8 洞口止水
为使管子能顺利从工作井内出洞，一般采取工作井预留洞口比管节外径略大些(一般为100mm)的方式，顶进时此间隙需采取有效措施进行封闭，采用的洞口止水方法是在沉井制作时，预先在洞口预埋一个10mm厚钢法兰，在钢法兰上焊接螺栓，安装16mm厚橡胶法兰，用10mm厚钢压板压紧，未发现地下水和泥砂流入工作井内，同时橡胶法兰和压板可以回收，效果很好。穿墙时，首先要防止井外的泥水大量涌入井内，严防塌方和流沙，则必须在管子顶进方向距离工作井边一定范围，对整个土体进行改良或加固，采用了井点降水措施，以提高这部分土体的强度，防止掘进机出洞时塌方。其次要使管道不偏离轴线，顶进方向要准确。
2.9 防止地面沉降或隆起
开挖端面的取土过多或过少，会造成地面的沉降或隆起。为避免这种不良影响，可采取以下措施：在压浆时要控制好压力，恰好能平衡“泥浆套”以上土体的压力。在某些管节埋藏较浅，离地面不足1.5米的位置，可采用沿管线局部压钢板，上堆砂包加载的形式。
3 施工重点与难点
(1)本工程钢管接头是焊接的，呈钢性，必须在初始顶进中掌握好顶进方向，掌握不好就不容易纠正过来，如果纠正过猛，还会出现管子变形、接口脱焊等，因此要加强测量控制，做到纠偏及时。
(2)精心操作顶管机头，使机头与土体界面始终处于动态平衡，避免地面沉降。
(3)增加检测次数，控制顶管顶力的偏心度，避免管道轴线偏差过大。
(4)采用触变泥浆注浆减阻。顶力控制的关键是最大限度的降低顶进阻力，而降低顶进阻力的最有效方法是注浆，注浆使管道外壁形成泥浆润滑套，从而降低顶进的阻力。钢管顶进之前，在管壁适当位置安装好注压膨润泥浆钢管。
(5)对于不稳定土层或主要干道下，可以采用水泥注浆加固。
(6)在特殊地段要进行施工监测，观测在顶进过程中地面变形和土体移位情况，以便采取预防措施，保证地面建(构)筑物的安全和正常使用。
(7)顶管遇到地下水位过大时，若顶管地面无建(构)筑物地段，可采取地面打降水井排水，以降低地下水压，然后顶进施工。顶管过程中，遇到流砂、塌方时，不得超挖，要勤顶、勤挖，保持顶进与出土平衡，控制好顶管轴线。
(8)要配置柴油发电机组，以免停电时空压机不能运行加压，而造成顶管内塌方。
4 结语
总之，顶管施工必须严格控制好顶管推力，顶管的推力就是顶管过程管道受的阻力，包括工具头正面泥水压力、管壁摩擦阻力。压力过大，会增大主千斤顶负荷，严重的可能产生冒顶现象。顶管技术从根本上改变了城市给排水工程施工破損路面的现象，大大保护了城市的环境和交通畅通性，可极大满足城市发展对给排水工程的要求，顶管技术将成为市政给排水工程施工中的一种常用工艺。因此，加大推广顶管施工技术力度势在必行。
参考文献：
[1]潘国荣，陈晓龙，丁东强.汕头市过海顶管自动测量系统的研究与实现[J].武汉大学学报(信息科学版)，2010，35(3)：298-301.
[2]陈立平，姜学成，王彬.给水排水工程施工及验收规范实施手册[K].北京：化学工业出版社，2010.
[3]寸江峰.顶管施工测量技术[J].山西建筑，2009，35(22)：355-357.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。