论文部分内容阅读
摘要：顶管施工技术的研究与应用正成为现代建筑施工的重点关注对象。对于市政给排水施工而言，顶管施工技术在实际应用过程当中表现出了，不开挖路面、不断行交通、扩展管道埋深范围以及缓解施工周边环境压力在内的显著应用优势。从这一角度上来说，顶管施工技术与市政给排水施工的融合能够在一定程度上缓解管道埋深施工对于城市既有建筑物结构稳定性的破坏问题以及施工作业对城市道路交通造成的拥堵问题，可以说，市政给排水施工应用顶管施工技术是必须也是关键的。本文对顶管施工技术在市政给排水施工中的应用进行了详细的论述，以供广大同仁交流探讨。
关键词：顶管施工技术；市政给排水
引 言：顶管施工是一种现代化的埋设地下管线的施工方法，它在不扰动管外土层结构条件下，利用顶进、挤压等多种予力手段的予力技术作用原理，自控自支护自平衡土压力，使管壁与原土层紧密结合，不会形成埋管回填土中的积水带及浮力区，可改变顶管沿线地下水的渗流方向及渗透作用，使顶管管线形成土体中的加筋体，与土体产生相互作用，改善了沿线土层的变形性质，显现出该施工特点的较大的优越性。
1 顶管施工技术概述
1.1 顶管施工技术的涵义
顶管施工技术即非开挖地下铺设管道技术。是在不开挖地表的情况下，利用液压顶进工作站从顶进工作坑将要铺设的管道顶入，是一种在顶管机之后直接铺设管道的非开挖地下的施工技术。
1.2 顶管施工技术的原理
顶管施工技术是一种借助于主顶油缸及管道间、中继间等推力，把工具管或顶管机从工作坑内穿过土层一直推进到接收坑内吊起，与此同时，把紧随工具管或顶管机后的管道随顶管机同时推进埋设在两坑之间。
2 顶管施工技术在市政给排水施工中的具体应用分析
以某市政工程为例，该工程中的管材采用带橡胶圈III级钢筋混凝土承插管，管径为1500mm，总长270m。其中工作井、接收井均采用矩形钢筋混凝土沉井结构。
2.1 顶管施工技术方案选择
2.1.1 经调查分析研究，采用了密封泥水平衡式顶管工艺进行施工。
2.1.2 泥水式平衡顶管机相比于土压式平衡顶管机，能有效平衡地下水、对付流沙和淤泥质地层。同时泥水式平衡顶管施工比土压式平衡顶管施工具有以下优点：①可连续顶进作业，施工速度快；②人员不用进入管道作业，安全性高；③在淤泥质和砂层中顶进，对地质环境影响小，能有效控制施工精度，而且成本低等。
2.1.3 顶管施工主要设备
该工程选取了GTNSΦ1500泥水平衡顶管机，50T吊机1台、25T吊机1台，后座泵站2套、整体式顶进构架2套、泥水处理系统2套、激光水准仪1台、全站仪1台、水准仪1台、经纬仪1台，另外还有通用设备电焊机、水泵等。
2.1.4 顶管施工工艺流程
施工前期准备→测量放样、复核→工作井施工→搅拌桩施工→工作井上下设备安装准备→工具头吊装下井、全套设备调试→工具头穿墙顶进→后续吊放管道→管道顶进、测量控制及纠偏→管道排泥和废泥浆外运→下一管节吊放就位→下段顶管顶进→管道贯通、回收工具头→闭水试验→竣工验收、清场。
2.1.5 施工顺序
顶管法施工采取先施工顶管工作井及接收井，后顶进管道，然后施工检查井的施工顺序。顶管工作井及接收井施工、管节制作、顶进施工、检查井施工尽可能平行交叉进行，以缩短工期。
2.2 顶管工程力学参数确定
2.2.1 顶力计算
本工程采用顶管总顶力计算的经验公式进行计算：
F=F0+F1
F0=αpeBC2π/4
F1=RSL
F0——初始顶力（kN）
F1——管壁摩擦力（kN）
α——综合系数，本工程取淤泥质土系数值1
pe——土仓的压力（kpa），pe=150kpa
BC=管外径（m），取2.238m
R——综合摩擦阻力（kpa），本工程取淤泥质土值2；
S——管外周长（m），=3.1415*2.238=7.03m；
L——推进长度（m），本工程考虑L=400m。
初始顶力：F0=1.5*150*2.2382*π/4=885kN
管壁摩擦力：F1=2*7.03*400=5624kN
总推力：F=885+5624=6509 kN=651T
说明：以上的管壁摩擦力计算没有考虑触变泥浆减摩效果，施工是采用触变泥浆减摩，可以有效折减管壁摩阻力。
工具头正面泥水压力：F1=π×D2/4×P其中
F1——顶管泥水阻力（t）
D——顶管外径（m）
σ——顶管泥水最大压力（t/m2）
σ与土层密实度、土层含水量、地下水位状况有关。根据有关工程统计资料和本工程的分析，估算工具头正面泥水压力为50t/m2左右，F1=π×D2/4×P=π×2.2382/4×50=196T
管壁摩擦阻力：F2=S×L×f其中
S—顶管外周长（m）
L—最长一段顶管长度（m）
f—综合摩擦力系数（T/ m2）
f与管道的埋设深度、土质、地下水位等因素有關。根据有关工程统计资料和本工程的分析，估算综合摩擦力系数f=1.3T/m2。F2=S×L×f=π×2.238×60×1.0=421T
在考虑一次顶进距离为60-70m时，顶管总阻力为以上阻力之和：F=F1+F2≈617t
根据该管径钢管的要求，其不能承受的以上顶力，顶力较大，需要增加中继环，顶进的后座采用4个200T的千斤顶，中继环采用10个30T千斤顶，共计300T。顶管中继环布置按照“工具头20m—中继环—后座60m”来布置。另外，顶管过程还要采用减阻措施，通常减少管壁摩擦阻力的措施有：管壁与泥土间压触变泥浆减阻（优质膨润土拌制而成），注浆需要管节间的密封良好，否则浆体会在管节间泄漏起不到应有的作用，减阻效果好时，f—综合摩擦力系数可以降低到0.3-0.8T/m2左右，将触变泥浆的减阻作为保险系数。 2.2.2 管材受力计算
钢管内径d=2220mm，厚度t=18mm，每节管长度6000mm，管的端头采用焊接接头。端面受力面积s=π×（2.238×2.238-2.22×2.22）/4=0.063m2
可承受的最大顶力为：F=s×5000T/m2/4=78.8T。
2.3 各主要工序施工方法
2.3.1 顶进前准备所有机械设备交班检查
顶进前，机械工需要进行交接班手续，将记录的设备运转情况表交给下一个班组的机械工，并进行口头的设备运转状况交班，刚上班的机械工需要对控制台、各个泥浆泵、管道、测量系统、工具头等进行例行检查
2.3.2 工具头刀盘转动、开进出渣浆泵
交班和例行检查完毕后，接通电源，将工具头的刀盘转动，当设备的参数稳定后，开进出渣浆泵，开始泥浆循环。
2.3.3 调整进出渣浆泵流量达到平衡
工具头的操作全部采用在管道外（工作井上）控制台控制，只需1个机手操作，可实现对工具头刀具的转动、纠偏控制、压力显示、时时监控（工具头安装了摄像头、控制台上安装了电视机）。顶进千斤顶，观察工作仓的压力表，调节渣浆泵的流量达到工作仓的泥水平衡，其平衡的原理是，当进泥和吸泥泵稳定工作时，调节进泥和吸泥的泵量，使工作仓内应保持一定压力，仓内泥水压力应与地下水压力相平衡，泥水压力过大，地面隆起；泥水压力过小，地面沉陷，所以控制顶进与出泥的速度相当关键。
2.3.4 泥水处理系统处理好砂土、装车、外运
采用泥水平衡式工具头出土，需要在工具头中注入含有一定泥量的泥浆，通过大刀盘切削工具头前方的原状土，与注入的泥水搅拌，泥水通过吸泥泵排到地表泥水处理系统处理，泥浆可以反复循环使用，处理好的泥沙用泥浆车外运。
2.3.5 测量工具头的偏位、作好记录、纠偏
测量方法，在工作井后座位置设置测量机座，测量基座由地面引入地下，避免工作井的变形引起的误差，将全站仪放置在其上调平后，使全站仪发射的激光沿着顶进方向水平射出，打在工具头的测量靶位上，通过望远镜读出工具头的偏差。每隔0.5m记录一次。
2.3.6 一个行程顶完后，整体式顶进构架调节顶块
当顶完一个行程后，停止顶进，调节整体式顶进构架顶块，可继续顶进下一个行程。
2.3.7 触变泥浆系统
顶进过程中，需要经常进行压触变泥浆工作，以减少顶进的阻力，触变泥浆系统由拌浆、注浆和管道三部分组成。拌浆是把注浆材料兑水以后再搅拌成所需的浆液（造浆后应静置24小时后方可使用）。注浆是通过注浆泵进行的，根据压力表和流量表，它可以控制注浆的压力（压力控制在水深的1.1～1.2倍）和注浆量（计量桶控制）。管道分总管和支管，总管安装在管道内一侧，支管则把总管内压送过来的浆液输送到每个注浆孔上去。注浆孔布置为：工具头后3节管各设一道、之后每间距5m设一道补浆孔（间隔2节砼管）。
注浆流程：造浆静置→注浆→顶管推进（注浆）→顶管停顶→停止注浆
2.3.8 顶完一节管后，拆开各管路、钢管吊装、各管路安装
顶完一节管后，拆开所有管线（电力电缆、信号线、油管、进出泥浆管、触变泥浆管），进行钢管吊装焊接后，安装好所有管线，继续顶进。
3 结束语
综上所述，顶管工艺的施工从技术上讲是完全可行的，无论从社会效益還是经济效益上来讲更具有优越性，从根本上改变了城市管网乱挖现象。随着我国经济的发展，工程建设的不断加大，以及对该技术的深入研究，顶管施工技术将会得到更广阔的发展空间
参考文献：
[1]胡艳群.顶管技术在城市给排水管道建设中的应用[J].价值工程，2010（07）.
[2]王晓惠.浅谈顶管施工技术[J].科技风，2010（18）.
[3]马奋涛.市政给排水工程中的顶管施工技术[J].科技创新导报，2009（21）.
关键词：顶管施工技术；市政给排水
引 言：顶管施工是一种现代化的埋设地下管线的施工方法，它在不扰动管外土层结构条件下，利用顶进、挤压等多种予力手段的予力技术作用原理，自控自支护自平衡土压力，使管壁与原土层紧密结合，不会形成埋管回填土中的积水带及浮力区，可改变顶管沿线地下水的渗流方向及渗透作用，使顶管管线形成土体中的加筋体，与土体产生相互作用，改善了沿线土层的变形性质，显现出该施工特点的较大的优越性。
1 顶管施工技术概述
1.1 顶管施工技术的涵义
顶管施工技术即非开挖地下铺设管道技术。是在不开挖地表的情况下，利用液压顶进工作站从顶进工作坑将要铺设的管道顶入，是一种在顶管机之后直接铺设管道的非开挖地下的施工技术。
1.2 顶管施工技术的原理
顶管施工技术是一种借助于主顶油缸及管道间、中继间等推力，把工具管或顶管机从工作坑内穿过土层一直推进到接收坑内吊起，与此同时，把紧随工具管或顶管机后的管道随顶管机同时推进埋设在两坑之间。
2 顶管施工技术在市政给排水施工中的具体应用分析
以某市政工程为例，该工程中的管材采用带橡胶圈III级钢筋混凝土承插管，管径为1500mm，总长270m。其中工作井、接收井均采用矩形钢筋混凝土沉井结构。
2.1 顶管施工技术方案选择
2.1.1 经调查分析研究，采用了密封泥水平衡式顶管工艺进行施工。
2.1.2 泥水式平衡顶管机相比于土压式平衡顶管机，能有效平衡地下水、对付流沙和淤泥质地层。同时泥水式平衡顶管施工比土压式平衡顶管施工具有以下优点：①可连续顶进作业，施工速度快；②人员不用进入管道作业，安全性高；③在淤泥质和砂层中顶进，对地质环境影响小，能有效控制施工精度，而且成本低等。
2.1.3 顶管施工主要设备
该工程选取了GTNSΦ1500泥水平衡顶管机，50T吊机1台、25T吊机1台，后座泵站2套、整体式顶进构架2套、泥水处理系统2套、激光水准仪1台、全站仪1台、水准仪1台、经纬仪1台，另外还有通用设备电焊机、水泵等。
2.1.4 顶管施工工艺流程
施工前期准备→测量放样、复核→工作井施工→搅拌桩施工→工作井上下设备安装准备→工具头吊装下井、全套设备调试→工具头穿墙顶进→后续吊放管道→管道顶进、测量控制及纠偏→管道排泥和废泥浆外运→下一管节吊放就位→下段顶管顶进→管道贯通、回收工具头→闭水试验→竣工验收、清场。
2.1.5 施工顺序
顶管法施工采取先施工顶管工作井及接收井，后顶进管道，然后施工检查井的施工顺序。顶管工作井及接收井施工、管节制作、顶进施工、检查井施工尽可能平行交叉进行，以缩短工期。
2.2 顶管工程力学参数确定
2.2.1 顶力计算
本工程采用顶管总顶力计算的经验公式进行计算：
F=F0+F1
F0=αpeBC2π/4
F1=RSL
F0——初始顶力（kN）
F1——管壁摩擦力（kN）
α——综合系数，本工程取淤泥质土系数值1
pe——土仓的压力（kpa），pe=150kpa
BC=管外径（m），取2.238m
R——综合摩擦阻力（kpa），本工程取淤泥质土值2；
S——管外周长（m），=3.1415*2.238=7.03m；
L——推进长度（m），本工程考虑L=400m。
初始顶力：F0=1.5*150*2.2382*π/4=885kN
管壁摩擦力：F1=2*7.03*400=5624kN
总推力：F=885+5624=6509 kN=651T
说明：以上的管壁摩擦力计算没有考虑触变泥浆减摩效果，施工是采用触变泥浆减摩，可以有效折减管壁摩阻力。
工具头正面泥水压力：F1=π×D2/4×P其中
F1——顶管泥水阻力（t）
D——顶管外径（m）
σ——顶管泥水最大压力（t/m2）
σ与土层密实度、土层含水量、地下水位状况有关。根据有关工程统计资料和本工程的分析，估算工具头正面泥水压力为50t/m2左右，F1=π×D2/4×P=π×2.2382/4×50=196T
管壁摩擦阻力：F2=S×L×f其中
S—顶管外周长（m）
L—最长一段顶管长度（m）
f—综合摩擦力系数（T/ m2）
f与管道的埋设深度、土质、地下水位等因素有關。根据有关工程统计资料和本工程的分析，估算综合摩擦力系数f=1.3T/m2。F2=S×L×f=π×2.238×60×1.0=421T
在考虑一次顶进距离为60-70m时，顶管总阻力为以上阻力之和：F=F1+F2≈617t
根据该管径钢管的要求，其不能承受的以上顶力，顶力较大，需要增加中继环，顶进的后座采用4个200T的千斤顶，中继环采用10个30T千斤顶，共计300T。顶管中继环布置按照“工具头20m—中继环—后座60m”来布置。另外，顶管过程还要采用减阻措施，通常减少管壁摩擦阻力的措施有：管壁与泥土间压触变泥浆减阻（优质膨润土拌制而成），注浆需要管节间的密封良好，否则浆体会在管节间泄漏起不到应有的作用，减阻效果好时，f—综合摩擦力系数可以降低到0.3-0.8T/m2左右，将触变泥浆的减阻作为保险系数。 2.2.2 管材受力计算
钢管内径d=2220mm，厚度t=18mm，每节管长度6000mm，管的端头采用焊接接头。端面受力面积s=π×（2.238×2.238-2.22×2.22）/4=0.063m2
可承受的最大顶力为：F=s×5000T/m2/4=78.8T。
2.3 各主要工序施工方法
2.3.1 顶进前准备所有机械设备交班检查
顶进前，机械工需要进行交接班手续，将记录的设备运转情况表交给下一个班组的机械工，并进行口头的设备运转状况交班，刚上班的机械工需要对控制台、各个泥浆泵、管道、测量系统、工具头等进行例行检查
2.3.2 工具头刀盘转动、开进出渣浆泵
交班和例行检查完毕后，接通电源，将工具头的刀盘转动，当设备的参数稳定后，开进出渣浆泵，开始泥浆循环。
2.3.3 调整进出渣浆泵流量达到平衡
工具头的操作全部采用在管道外（工作井上）控制台控制，只需1个机手操作，可实现对工具头刀具的转动、纠偏控制、压力显示、时时监控（工具头安装了摄像头、控制台上安装了电视机）。顶进千斤顶，观察工作仓的压力表，调节渣浆泵的流量达到工作仓的泥水平衡，其平衡的原理是，当进泥和吸泥泵稳定工作时，调节进泥和吸泥的泵量，使工作仓内应保持一定压力，仓内泥水压力应与地下水压力相平衡，泥水压力过大，地面隆起；泥水压力过小，地面沉陷，所以控制顶进与出泥的速度相当关键。
2.3.4 泥水处理系统处理好砂土、装车、外运
采用泥水平衡式工具头出土，需要在工具头中注入含有一定泥量的泥浆，通过大刀盘切削工具头前方的原状土，与注入的泥水搅拌，泥水通过吸泥泵排到地表泥水处理系统处理，泥浆可以反复循环使用，处理好的泥沙用泥浆车外运。
2.3.5 测量工具头的偏位、作好记录、纠偏
测量方法，在工作井后座位置设置测量机座，测量基座由地面引入地下，避免工作井的变形引起的误差，将全站仪放置在其上调平后，使全站仪发射的激光沿着顶进方向水平射出，打在工具头的测量靶位上，通过望远镜读出工具头的偏差。每隔0.5m记录一次。
2.3.6 一个行程顶完后，整体式顶进构架调节顶块
当顶完一个行程后，停止顶进，调节整体式顶进构架顶块，可继续顶进下一个行程。
2.3.7 触变泥浆系统
顶进过程中，需要经常进行压触变泥浆工作，以减少顶进的阻力，触变泥浆系统由拌浆、注浆和管道三部分组成。拌浆是把注浆材料兑水以后再搅拌成所需的浆液（造浆后应静置24小时后方可使用）。注浆是通过注浆泵进行的，根据压力表和流量表，它可以控制注浆的压力（压力控制在水深的1.1～1.2倍）和注浆量（计量桶控制）。管道分总管和支管，总管安装在管道内一侧，支管则把总管内压送过来的浆液输送到每个注浆孔上去。注浆孔布置为：工具头后3节管各设一道、之后每间距5m设一道补浆孔（间隔2节砼管）。
注浆流程：造浆静置→注浆→顶管推进（注浆）→顶管停顶→停止注浆
2.3.8 顶完一节管后，拆开各管路、钢管吊装、各管路安装
顶完一节管后，拆开所有管线（电力电缆、信号线、油管、进出泥浆管、触变泥浆管），进行钢管吊装焊接后，安装好所有管线，继续顶进。
3 结束语
综上所述，顶管工艺的施工从技术上讲是完全可行的，无论从社会效益還是经济效益上来讲更具有优越性，从根本上改变了城市管网乱挖现象。随着我国经济的发展，工程建设的不断加大，以及对该技术的深入研究，顶管施工技术将会得到更广阔的发展空间
参考文献：
[1]胡艳群.顶管技术在城市给排水管道建设中的应用[J].价值工程，2010（07）.
[2]王晓惠.浅谈顶管施工技术[J].科技风，2010（18）.
[3]马奋涛.市政给排水工程中的顶管施工技术[J].科技创新导报，2009（21）.