侯慶雷, 王江峰

(華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450045)

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南水北調(diào)配套工程頂管施工技術(shù)研究

侯慶雷, 王江峰

(華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450045)

頂管工程是一種暗挖施工方法,廣泛應(yīng)用于市政工程、水利工程,頂管內(nèi)穿鋼管施工是頂管工程施工的一個關(guān)鍵工序.以南水北調(diào)配套工程的某施工標(biāo)段頂管工程為例,研究了頂管內(nèi)穿鋼管的施工方法及頂管內(nèi)自密實混凝土的澆筑方法.經(jīng)采用滑輪組+卷揚機配合的施工方法,將穿越鋼管拉進到套管內(nèi)設(shè)計位置;通過預(yù)埋鍍鋅鋼管,使混凝土經(jīng)鍍鋅鋼管流入套管與穿越鋼管之間的空隙.實際施工過程表明,通過滑輪組的使用,小型號的卷揚機既能滿足施工要求,又能節(jié)省人力、財力及物力,達到節(jié)約施工成本的目的.實際混凝土澆筑表明,該種澆筑方式能使自密實混凝土充滿套管與穿越鋼管之間的空隙.

頂管;內(nèi)穿鋼管;滑輪組;自密實混凝土

南水北調(diào)工程沿線既有地勢平坦的地區(qū),也有穿越河流、公路、房建、地下管線等地勢復(fù)雜的地區(qū).對于地勢平坦的地區(qū),采用明挖的施工方法即可; 對于穿越河流、公路、房建、地下管線等地段[1],采取明挖的施工方法不可行,穿越河流常采用倒虹吸的方式,穿越高速公路、鐵路等地段的管線,為保護其路基的穩(wěn)定性,一般采取非開挖頂管施工.頂管施工有以下幾個優(yōu)點[2]:①可以穿越障礙物,對于地上的建筑物影響非常小;②建設(shè)公害少、文明施工程度比開槽施工高,尤其是對于穿越市內(nèi)工程,有效維護了政府工程的形象;③對交通的干擾小,無需隔斷交通,只需在道路兩端設(shè)置工作坑和接收坑,對道路的暢通無影響;④工期比開槽施工工期短.鑒于頂管施工在南水北調(diào)工程中的廣泛應(yīng)用[3],并且在施工過程中,為方便以后供水管線的日常維護,一般是首先要頂混凝土套管,然后在套管內(nèi)穿拉鋼管[4].

筆者以河南省焦作市南水北調(diào)配套工程的某施工標(biāo)段的頂管工程為例,鑒于在大口徑混凝土頂管內(nèi)穿鋼管的施工質(zhì)量對工程的重大影響,對頂管內(nèi)穿越鋼管的施工方法及自密實混凝土澆筑施工方法進行研究,為該工程及今后類似工程的施工提供參考.

1 工程概況

焦作市南水北調(diào)工程為輸水管道工程,其中26號線包含4個施工標(biāo)段,河南水利建筑工程有限公司承接施工5標(biāo),該標(biāo)段管線主要分布在武陟縣城附近,沿線建筑物較多,需穿越省道、高速匝道,共有5處頂管施工,故研究頂管施工的方法具有重要的實際意義.筆者主要研究的是穿S223省道套管頂管施工,起止樁號為WZ22+417.68—WZ482.68,全長65 m.套管為DN2000鋼筋混凝土套管,每根2 m,內(nèi)穿DN1400鋼管,每根6 m,首先是套管施工,然后穿越鋼管拉進,最后完成自密實混凝土的澆筑.

2 頂管內(nèi)穿管的施工方法

該標(biāo)段采用的是滑輪組及卷揚機配合吊車將鋼管拉進的施工方法.

2.1 澆筑頂管內(nèi)部施工面

根據(jù)設(shè)計要求,穿越鋼管在頂管內(nèi)的位置不在頂管內(nèi)壁上,而是與兩端的PCCP管道高程相一致.這就需要在頂管內(nèi)壁首先澆筑一定厚度的混凝土(與設(shè)計要求的自密實混凝土標(biāo)號一致),混凝土上表面的高程略小于設(shè)計高程.待頂管內(nèi)壁上的混凝土達到一定強度后,在全周長混凝土表面上鋪設(shè)一定厚度的砂墊層,砂墊層的厚度與已澆筑混凝土的厚度之和與設(shè)計要求的穿越管底部高程相一致,該部分砂墊層的作用是減小鋼管拉進過程中的摩擦阻力.

2.2 搭建焊接平臺

在頂管的工作坑內(nèi)修建一個焊接鋼管的施工平臺,每根穿管的長度為6 m,該頂管的總長度為65 m,共計10根穿越鋼管,總計9條焊縫.焊接操作須在工作坑內(nèi)的焊接平臺上完成,且該焊接平臺的高程應(yīng)與頂管內(nèi)砂墊層的上標(biāo)高一致.

2.3 制作滑輪組件

1)在頂管接收坑一側(cè)的閥井底板澆筑前,在預(yù)定位置預(yù)埋兩根地錨,且與閥井底板的上下面層鋼筋焊接固定,然后按照設(shè)計要求,澆筑閥井底板混凝土,且振搗密實.

2)待閥井底板混凝土達到齡期后,在閥井底板上表面固定卷揚機,且卷揚機的中心線應(yīng)與頂管內(nèi)穿越鋼管的中心線相一致,然后用鋼絲繩將卷揚機與兩個地錨連接起來.

3)安裝動滑輪組件.在穿越管接近卷揚機的一側(cè)焊接兩個固定的螺栓,以便將穿越管與鋼絲繩連接起來；采用一組動滑輪，將卷揚機上鋼絲繩與動滑輪連接,安裝方法如圖1所示.

圖1 動滑輪安裝示意圖

通過計算,安裝一組動滑輪,則卷揚機實際承受的拉力為

式中:F拉為卷揚機的實際拉力;f為穿越管與底部的摩擦力.

4)將第一根穿越管放到工作坑內(nèi),前部與卷揚機連接、定位,確保穿越管的中心線與卷揚機的中心線相一致;用50 t吊車的吊帶吊住穿越管另一端,吊車配合卷揚機將穿越管拉進,拉進一定距離后,穿越管的端部位于焊接平臺上的適當(dāng)位置,然后吊下另一根穿越管,對口、焊接,然后進行焊縫檢測;焊縫檢測合格后,在焊縫處涂抹防腐劑,然后將鋼管拉進,方法同上.

由此看出,卷揚機的拉力遠小于管道的摩擦力,同樣的條件下,小型號的卷揚機可以滿足施工要求;后續(xù)施工過程中,隨著拉進穿越鋼管數(shù)量的增加,穿越鋼管與砂的摩擦力增大,可以采用增加動滑輪組數(shù)的施工方法,這樣卷揚機實際拉力仍然可以減小,小型號的卷揚機仍能滿足要求,可減少物力、財力的消耗.

在頂管內(nèi)穿管施工過程中,應(yīng)特別注意以下幾點:①與地錨固定后,卷揚機上的4個固定螺栓孔一定要用鋼絲繩連接到一塊兒,以確保兩個地錨所受的拉力一致;避免兩個地錨受力不均勻,以致單個地錨被拔出,影響后續(xù)穿越管的施工;②采用全站儀精確放線,確保卷揚機的安放位置與管道中心線一致,拉進過程中防止管道旋轉(zhuǎn)而偏離中心線;③穿越管之間焊縫處涂抹防腐劑之后,為防止在穿越管拉進過程中被損傷,應(yīng)在墊層上鋪設(shè)一層防滑膜[5],既可避免劃破防腐帶,又能減小鋼管穿越時的摩擦阻力;④吊車配合卷揚機將穿越管拉進過程中,兩者應(yīng)同時作業(yè),且吊車不必將管道吊離地面,只需要適當(dāng)用力,減小管道對墊層的正壓力,進而減少管道與墊層的滑動摩擦力.

3 頂管內(nèi)自密實混凝土澆筑

管線穿越道路時,采用F型DN2000鋼筋混凝土專用管作為套管,穿越鋼管從F型DN2000鋼筋混凝土專用管內(nèi)通過,然后在F型DN2000鋼筋混凝土專用管與穿越管之間的空隙內(nèi)灌注C15自密實混凝土.在施工過程中,穿越S223頂管的設(shè)計長度為65 m,每根F型DN2000鋼筋混凝土專用管的長度為2 m,故現(xiàn)場施工的長度實際為66 m,根據(jù)《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 283—2012)的規(guī)定,自密實混凝土的最大水平流動距離為7 m[6],若從頂管兩端澆筑自密實混凝土,兩端相加的最長流動距離為14 m,遠小于66 m.故若不采取有效的措施,則易造成頂管內(nèi)有空隙,給工程留下隱患.該標(biāo)段采取的是混凝土泵車加預(yù)埋鋼管的方式填充,具體的施工方法如下所述.

3.1 預(yù)設(shè)6根鍍鋅鋼管

在拉進穿越管前,首先在頂管內(nèi)壁預(yù)設(shè)6根直徑為10 cm的鍍鋅鋼管,在頂管的上、下游兩端分別設(shè)置3根,具體的安放位置如圖2(預(yù)設(shè)鍍鋅鋼管剖面布置圖)、圖3(預(yù)設(shè)鍍鋅鋼管平面布置圖)所示.在頂管內(nèi)壁鉆孔,采用膨脹螺栓將鍍鋅鋼管固定在頂管內(nèi)壁上.以頂管上游為例,3根鍍鋅鋼管分別編號為1,2,3,在編號1鍍鋅鋼管處流出的自密實混凝土向管口左、右兩側(cè)分別流動7 m,同樣，編號2與編號3鍍鋅鋼管流出的自密實混凝土均向各自管口左、右兩側(cè)分別流動7 m,相加總流動距離為42 m.同理，下游3根鍍鋅鋼管流出的自密實混凝土流動距離為42 m,上、下游相加為84 m,遠大于66 m,除去各種損耗,該種澆筑方式能使混凝土充滿頂管與穿越管之間的空隙.

圖2 預(yù)設(shè)鍍鋅鋼管剖面布置圖

圖3 預(yù)設(shè)鍍鋅鋼管平面布置示意圖(單位:m)

3.2 封堵頂管兩端

首先在頂管兩端用水泥砂漿砌筑磚墻,封堵頂管兩端的出口,且把預(yù)留的3根鍍鋅鋼管砌筑到磚墻里面,接頭用水泥砂漿抹密實.

3.3 計算每根鍍鋅鋼管澆筑的混凝土澆筑量

圖4為套管橫截面示意圖.計算出單位長度的套管需澆筑的混凝土量,然后根據(jù)每根鍍鋅鋼管的長度計算出每一根鍍鋅鋼管的混凝土澆筑量,計算過程由下面給出.

圖4 套管橫截面示意圖

由圖4可知,根據(jù)設(shè)計的頂管內(nèi)壁高程和穿越管的高程可以計算出先前鋪設(shè)混凝土的厚度h,根據(jù)以下公式計算出每一根鍍鋅鋼管混凝土澆筑量.

則

式中:R為頂管內(nèi)徑;r為穿越鋼管的外徑;h為已澆筑混凝土的厚度;α為頂管套管圓心與已澆筑混凝土邊界圓心角的一半.

計算出各鍍鋅鋼管的混凝土澆筑量以后,需要明確的是，計算出來的混凝土澆筑量只是理論計算值,在實際施工過程中,各鍍鋅鋼管的澆筑量可以稍微變動,以澆筑混凝土的總量與設(shè)計總量為準(zhǔn).

穿越S223頂管計算出的理論澆筑量為93.8 m3.應(yīng)用本文提出的澆筑方法,第1次鋪設(shè)混凝土的高度h=20 cm,第1次澆筑量20.4 m3;第2次各鍍鋅鋼管的總澆筑量為73.0 m3,總計93.4 m3,能夠滿足設(shè)計要求.所以該種自密實混凝土澆筑方法能充實頂管內(nèi)的空隙,可滿足工程設(shè)計要求.

在上述施工過程中應(yīng)注意以下幾點:①在固定鍍鋅鋼管的過程中,要根據(jù)鍍鋅鋼管的長度選擇膨脹螺栓的數(shù)量,確保在澆筑混凝土過程中鍍鋅鋼管的穩(wěn)定性,防止其墜落;②澆筑混凝土過程中,要時刻注意頂管兩側(cè)封堵墻的穩(wěn)定性,采取必要的加固措施,防止混凝土沖破頂管兩側(cè)的封堵墻;③混凝土澆筑過程中,進行到澆筑總量的一半時,中間間斷半個小時,防止因混凝土的浮力,穿越鋼管上浮;④自密實混凝土的配合比,粗骨料級配、外加劑等必須滿足設(shè)計要求,這是非常關(guān)鍵的因素[7-8].

4 結(jié) 語

以焦作市南水北調(diào)配套工程某施工標(biāo)段的穿越S223頂管工程為例,研究了在頂管內(nèi)的穿越鋼管的拉進方法及自密實混凝土的澆筑方式,得到以下結(jié)論.

1)通過動滑輪+卷揚機的施工方法,能將穿越鋼管拉進到套管的指定位置.

2)通過增加動滑輪的組數(shù),小型號的卷揚機既能滿足施工要求,又能節(jié)省人力、財力、物力,達到節(jié)約施工成本的目的.

3)混凝土實際澆筑量表明,通過預(yù)埋鍍鋅鋼管,混凝土經(jīng)鍍鋅鋼管流入頂管套管與穿越管之間的空隙,該種澆筑方式能使混凝土充滿套管與穿越鋼管間空隙,且經(jīng)濟合理、施工簡便.

[1]齊玉剛,劉勇.人工掘進式頂管施工技術(shù)[J].人民長江,2008,39(10):26-29.

[2]劉佩璋.頂管內(nèi)穿鋼管的施工方法[J].山西建筑,2003,29(6):83-84.

[3]謝桂芝.淺談過路套管內(nèi)穿越管施工方法[J].工業(yè)技術(shù),2011,24(4):132-133.

[4]朱綠城.淺議非開挖頂套管穿鋼管的技術(shù)保障措施[J].非開挖技術(shù),2012,20(2):85-87.

[5]魏綱.頂管施工中注漿減摩作用機理的研究[J].巖土力學(xué),2004,25(6):930-934.

[6]李曉斌,桂苗苗,王世杰,等.JGJ/T 283—2012自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.

[7]俞金鐘.穿越道路頂管施工技術(shù)淺析[J].河南水利與南水北調(diào),2014(6):11-12.

[8]焦偉.水利工程混凝土施工通病防治[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報,2012,33(5):32-34.

(責(zé)任編輯:喬翠平)

Research on Pipe-jacking Construction Technology in Auxiliary Projects of South to North Water Diversion

HOU Qinglei, WANG Jiangfeng

(North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

Pipe-jacking engineering is a kind of underground construction method and is widely used in municipal engineering and hydraulic engineering construction. The construction of internal steel tube through pipe-jacking is a key step of pipe-jacking construction. Taking the pipe-jacking engineering in a construction section in the auxiliary projects of South to North Water Diversion as an example, the construction technologies of internal steel tube through pipe jacking and the casting method of self-compacting concrete in pipe jacking were researched. The construction method of pulley block cooperating with windlass was adopted, the internal steel tubes were pulled to the design position in casting pipe, and concrete through pre-embedded galvanization steel pipes flew into the spaces between casting pipes and internal steel tubes. The construction process shows that through the use of pulley block, a small type of windlass can meet the construction requirements, and we can save the manpower resources, financial resources and material resources, and achieve the purpose of saving construction cost. The casting practice of concrete shows that this kind of concrete casting method can achieve that the self-compacting concrete can fill into the spaces between the casting pipes and internal steel tubes.

pipe-jacking; internal steel tube; pulley block; self-compacting concrete

2014-11-21

河南省重點科技攻關(guān)計劃項目(142102210111).

侯慶雷(1987—),男,河南濮陽人,碩士研究生,主要從事工程實踐及滲流理論方面的研究. 王江峰(1976—),男,河南禹州人,副教授,博士,主要從事巖土工程方面的研究.

10.3969/j.issn.1002-5634.2015.01.005

TV554

B

1002-5634(2015)01-0021-04