□喻金鐘（河南省水利第二工程局）

穿越道路頂管施工技術(shù)淺析

□喻金鐘（河南省水利第二工程局）

頂管施工是一種暗挖施工方法，是在頂管工作井內(nèi)安裝千斤頂，采用高壓油泵供油，提供水平推力，將待頂管節(jié)一節(jié)一節(jié)由工作井（起點(diǎn)端）頂推至接收井（終點(diǎn)端），從而達(dá)到非開挖暗敷管道的目的，在隧道或地下管道穿越鐵路、道路、河流或建筑物等各種障礙物時(shí)應(yīng)用較多。隨著南水北調(diào)配套工程的開展，近兩年水利工程中頂管施工也較多，借此與廣大讀者一起探討、學(xué)習(xí)。

頂管;施工;技術(shù)

1 工程概況

某施工標(biāo)段為給水管道安裝工程，其中給水管道需要穿越市郊幾條非主要交通道路，穿越道路段設(shè)計(jì)為過路頂管施工，頂管采用DN2200鋼筋混凝土Ⅲ級(jí)管，壁厚220mm，單根長(zhǎng)度為2.50m，許用頂力按照相關(guān)規(guī)范的規(guī)定不超過9800kN?；炷撂坠軆?nèi)穿DN1600給水鋼管，單處頂管的最大穿越長(zhǎng)度為60m。

2 地質(zhì)及地下水位情況

管道沿線場(chǎng)區(qū)屬?zèng)_積傾斜平原，地勢(shì)較為平坦。工程場(chǎng)區(qū)揭露地層主要為第四系全新統(tǒng)沖積成因的重粉質(zhì)壤土（alQ14）和上更新統(tǒng)沖積成因的重粉質(zhì)壤土（alQ3）。其中，上更新統(tǒng)中的粉細(xì)砂分布較廣泛，見于整個(gè)標(biāo)段下部，最大揭露深度約13.20m。

工程區(qū)地下水主要為第四系松散土類孔隙潛水，水位埋深6m左右。

3 頂管施工

由于被穿越道路的路面高程為48.00m，頂管混凝土管中心設(shè)計(jì)高程為42.45m，可計(jì)算得出混凝土套管上部至路面的覆土厚度在4.20m左右。地下水位位于混凝土管底以上0.80m左右，施工前打降水井對(duì)穿越范圍段進(jìn)行降水，以滿足無(wú)水作業(yè)要求。

根據(jù)頂進(jìn)長(zhǎng)度、混凝土管道內(nèi)徑、地質(zhì)條件及地下水位等因素進(jìn)行綜合考慮，該工程采用人工挖掘式施工方法進(jìn)行施工。

3.1 施工工藝流程

頂管施工工藝流程如下：測(cè)量放線→開挖工作坑→工作坑支護(hù)→后座墻制做→導(dǎo)軌安裝→工作平臺(tái)搭設(shè)→頂進(jìn)設(shè)備安裝→下管→挖土→頂進(jìn)→測(cè)量校對(duì)→接口→壓漿

3.2 測(cè)量放線

按照施工設(shè)計(jì)圖紙的要求及測(cè)量坐標(biāo)控制點(diǎn)，用全站儀測(cè)設(shè)出混凝土管道中心線的位置，確定混凝土管道穿越的中心樁、施工帶邊線樁、工作坑、出土坑的位置及尺寸并撒上白灰線。

3.3 工作坑設(shè)置

3.3.1 工作坑設(shè)置

工作坑設(shè)計(jì)為矩形，工作坑短邊與長(zhǎng)邊之比通常為2：3，矩形工作坑底部尺寸應(yīng)滿足下列公式要求：

式中：B—矩形工作坑的底部寬度（m）；D1—管道外徑（m），本工程2.64m；S—操作寬度，可取2.40～3.20m，本工程取2.80m；L—矩形工作坑的底部長(zhǎng)度（m）；L1—頂管掘進(jìn)機(jī)長(zhǎng)度，當(dāng)采用管道第一節(jié)管作為頂管掘進(jìn)機(jī)時(shí)，對(duì)于鋼筋混凝土管，不宜小于0.30m，鋼管則不宜小于 0.60m，取 0.40m；L2—管節(jié)長(zhǎng)度（m），取2.50m；L3—輸土工作間長(zhǎng)度（m），取2.50m；L4—千斤頂長(zhǎng)度（m），取1.50m；L5—后座墻的厚度（m），取1.00m。

經(jīng)計(jì)算，矩形工作坑的長(zhǎng)度按8m，寬度按5.50m進(jìn)行施工，深度根據(jù)后座墻的高度另進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)情況，為防止工作坑其他三面坡面坍塌，在坑壁四周用澆筑混凝土墻的方式進(jìn)行加固處理，并與后座墻利用網(wǎng)面鋼筋連成整體，對(duì)后座墻也起到了加固的作用。工作坑底板鋪筑一層30cm厚混凝土，同時(shí)在坑角位置設(shè)置一個(gè)0.50m×0.50m的矩形集水坑。

為了防止雨水進(jìn)入工作坑，在工作坑四周用土填筑成2.00m寬、1.50m高擋水土埂，并在適當(dāng)位置設(shè)置集水坑，用水泵及時(shí)排除明水。

3.3.2 頂管后座墻設(shè)置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)情況，另設(shè)整體式后座墻，后座墻的整體強(qiáng)度需保證在設(shè)計(jì)頂進(jìn)力作用下不被破壞，后座墻尺寸需經(jīng)過計(jì)算確定，材料采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土，內(nèi)置雙層鋼筋網(wǎng)片。后座墻完成后加墊30mm的厚鋼板組成裝配式后座墻，滿足頂管的最大頂力，后座墻應(yīng)與管道軸線垂直，允許偏差為5mm/m。

3.3.3 頂力計(jì)算與后座設(shè)計(jì)

3.3.3.1 管道的總頂力計(jì)算

計(jì)算管道的總頂力時(shí)，綜合考慮管節(jié)材質(zhì)、頂進(jìn)工作井后座墻結(jié)構(gòu)的允許最大荷載、頂進(jìn)設(shè)備能力、施工技術(shù)措施等因素。當(dāng)計(jì)算的總頂力大于管節(jié)允許頂力設(shè)計(jì)值或工作井允許頂力設(shè)計(jì)值時(shí)，應(yīng)設(shè)置中繼間。

式中：Fp—頂進(jìn)阻力(kN)；D0—管道的外徑(m)，取 2.64m；L—管道設(shè)計(jì)頂進(jìn)長(zhǎng)度(m)，按60m計(jì)算；fk—管道外壁與土的單位面積平均摩阻力(kN/m2)，采用觸變泥漿減阻技術(shù)，查有關(guān)表格，本項(xiàng)取值9kN/m2；NF—頂管機(jī)的迎面阻力(kN)；本工程采用人工挖掘式，根椐頂管機(jī)迎面阻力計(jì)算式：NF=π（Dg-t）tR；式中：Dg—頂管機(jī)外徑取2.70m；t—刃口厚度，取0.25m；R—擠壓阻力，本項(xiàng)取值400kN/m2。經(jīng)計(jì)算NF=770（kN）；

可得，頂進(jìn)阻力 Fp＝πD0Lfk十 NF=4479+770=5249（kN）

小于混凝土管道的許用頂力9800kN，滿足要求，不需要設(shè)置中繼間。

3.3.3.2 后 座墻尺寸設(shè)計(jì)

整體式后座墻應(yīng)根據(jù)頂力的大小、合力中心的位置、坑外被動(dòng)土壓力的大小來(lái)決定整體式后座墻的寬度、高度和厚度。假設(shè)整體式后座的被動(dòng)土壓力的合力中心與頂力反力的合力中心在同一條線上。在此，用反推計(jì)算的方法：先確定后座墻的寬度及高度，并計(jì)算該尺寸下所能承受的頂力，并與最大頂進(jìn)阻力相比較進(jìn)行選擇的方式確定。

根據(jù)后座墻能承受的頂力計(jì)算公式：

式中：B—整體式后座墻的寬度（m），取5.50m；K—安全系數(shù)，取1.50；γ—土的重度，取18kN/m3；H—整體式后座墻的高度，取5.00m；KP—被動(dòng)土壓力系數(shù)，查表得2.66；C—土的內(nèi)聚力，取7.00kPa；h—整體式后座頂?shù)母餐梁穸?，?jīng)計(jì)算為3.50m。

代入上式可得出寬度5.50m，高度5.00m的后座墻能承受的頂力=5685kN，大于頂進(jìn)阻力5249kN，滿足要求。整體式后座墻的厚度可根據(jù)主油缸的布置，通過結(jié)構(gòu)計(jì)算來(lái)決定，一般在0.50～1.60m范圍內(nèi)。

3.4 頂管設(shè)備選擇

3.4.1 井內(nèi)頂管設(shè)備及安裝

選用兩臺(tái)頂力為3000kN的液壓千斤頂，千斤頂固定在支架上，并且與管道中心線的垂線對(duì)稱，其合力作用應(yīng)該在管道中心的垂直線上，位置位于管道總高下約1/4處。其它設(shè)備包括：導(dǎo)軌、千斤頂架、替頂分壓環(huán)、后承壓板、操作平臺(tái)、爬梯等。并用吊車將上述設(shè)備吊入工作井中。

3.4.2 工作井地面設(shè)備

工作井的地面需布置一系列與頂管施工有關(guān)的設(shè)備：空壓設(shè)備、液壓設(shè)備、泥漿站、起重設(shè)備等。

3.5 管前挖土與頂進(jìn)

3.5.1 管前挖土

管前挖土是控制管節(jié)頂進(jìn)方向和高程、減少偏差的重要作業(yè)，是保證頂管質(zhì)量及管上構(gòu)筑物安全的關(guān)鍵。

3.5.2 下管

將第一節(jié)管放到已經(jīng)安裝好的導(dǎo)軌上，測(cè)量管子中心及前端和后端的管底高程，確認(rèn)安裝合格后方可頂進(jìn)。第一節(jié)管作為工具管，其頂進(jìn)方向與高程的準(zhǔn)確，是保證整段頂管施工質(zhì)量的關(guān)鍵。因此，必須認(rèn)真對(duì)待此項(xiàng)工作。

3.6 頂進(jìn)

頂進(jìn)開始時(shí)，應(yīng)緩慢進(jìn)行，待各接觸部位密合后，再按正常速度頂進(jìn)?；乜s時(shí)，油路壓力不得過大，速度不得過快，挖出的土方要及時(shí)外運(yùn)。

啟動(dòng)千斤頂，將管頂進(jìn)，每節(jié)管分4次頂入，原則上每次頂入0.60m，千斤頂行程終了，復(fù)位千斤頂，加塞墊塊后復(fù)頂。第一節(jié)套管頂入工作面后，使其預(yù)留約0.30～0.50m的管子在導(dǎo)軌上，在下一節(jié)套管頂進(jìn)前起穩(wěn)定作用，下一節(jié)套管在導(dǎo)軌上與第一節(jié)套管接口處內(nèi)外部均用鋼制套環(huán)作接口連接，這樣可以保證混凝土管道頂入后接口處平整，沉降均勻。套管切入土層后，應(yīng)自上而下分層開挖。

3.7 測(cè)量與糾偏

管道頂進(jìn)過程中，應(yīng)遵循“勤測(cè)量、勤糾偏、微糾偏”的原則，控制頂管前進(jìn)方向和姿態(tài)，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果分析偏差產(chǎn)生的原因和發(fā)展趨勢(shì)，確定糾偏措施。

在頂?shù)谝还?jié)管時(shí)，以及在校正偏差過程中，每頂進(jìn)300mm，測(cè)量不應(yīng)少于一次；管道進(jìn)入土層后正常頂進(jìn)時(shí)，每頂進(jìn)1000mm，測(cè)量不應(yīng)少于一次。進(jìn)入接收工作井前30m應(yīng)增加測(cè)量，每頂進(jìn)300mm，測(cè)量不應(yīng)少于一次。糾偏時(shí)增加測(cè)量次數(shù)。

3.8 頂管施工通風(fēng)措施

為了確保混凝土頂管內(nèi)操作人員供氧充足，防止土層中的有害氣體及挖掘作業(yè)過程中產(chǎn)生的粉塵等危害作業(yè)人員健康，應(yīng)對(duì)混凝土管內(nèi)進(jìn)行通風(fēng)作業(yè)，根據(jù)頂管頂進(jìn)長(zhǎng)度，擬采用鼓風(fēng)機(jī)通風(fēng)措施。

3.9 頂管施工記錄與管理

在一個(gè)施工段的管子頂進(jìn)過程中，管道一直處于動(dòng)態(tài)，加強(qiáng)頂進(jìn)施工中的動(dòng)態(tài)管理，是提高頂進(jìn)質(zhì)量的保證；頂管施工記錄則是反映管道在頂進(jìn)過程中動(dòng)態(tài)情況的依據(jù)，施工過程中要認(rèn)真填寫頂管施工記錄并存檔。

4 質(zhì)量與安全控制措施

嚴(yán)格控制頂管軸線偏差，執(zhí)行“勤測(cè)量、勤糾偏、微糾偏”的施工方法。嚴(yán)格控制管道接口的密封質(zhì)量，防止?jié)B漏。

吊裝區(qū)域非操作人員嚴(yán)禁入內(nèi)，吊裝機(jī)械必須完好，把桿垂直下方不準(zhǔn)站人。各種電動(dòng)機(jī)械設(shè)備必須有可靠有效的安全接地裝置，方能開動(dòng)使用。由于管道內(nèi)的空氣濕度較大，因此，采用24～36V低壓照明電，低壓電須通過變壓器降壓。燈具采用防水防爆燈具，并設(shè)置漏電保護(hù)系統(tǒng)，確保用電安全。連接千斤頂?shù)母邏河凸芙宇^應(yīng)加防護(hù)套，以防噴油傷人。

5 結(jié)語(yǔ)

在穿越道路頂管施工中，后座墻的設(shè)計(jì)、頂進(jìn)過程中的注漿減阻措施和軸線、高程的測(cè)量控制對(duì)確保頂管施工的質(zhì)量起到關(guān)鍵性的作用，在施工過程中應(yīng)加以重視。

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2014-02-17

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