顶管施工在排水工程中的应用

2010-01-01邓永宇

中国新技术新产品 2010年15期

邓永宇

（山东恒建工程监理咨询有限公司，山东潍坊 261041）

1 概述

在排水工程的施工中，施工工艺和方法比较多，顶管法就是其中的一种。顶管法适用于排水管线穿越公路、铁路和市区道路而又不便断绝交通的，现场条件不允许修筑便道的，或者修筑便道工程量较大时，街道狭窄，两侧建筑物多，大开挖施工要造成大量拆迁的，或管线埋设较深，开挖施工造成大量土方工程并需大量支撑材料时，都可用顶管法施工。人工挖土，机械顶进时，排水管内径不能小于800mm，否则，不能采用顶管法施工。

在顶管法施工中，土的种类及其物理性质影响到顶管方法的选择，决定施工的难易程度、工程造价及施工进度。顶管法一般适用于砾类土、砂类土及粘质土。对于这些土，顶管法既可在干燥土层中应用，也可在含水的土层中应用。对于流砂、淤泥和沼泽则不适用顶管法，这是因为这类土质条件缺乏顶管所需的导向力，可导致整段的管子在顶进中可能改变位置。对于地下水位较高的地层，顶管前应采取措施，降低地下水流速及水力坡度，以利于施工。

2 工作坑的开挖及导轨安装

2.1 工作坑设置

工作坑设置时要力求长距离顶进，尽量少挖工作坑。一般采用工作坑双向对顶，交汇坑接口的施工方法。工作坑可采用直槽式，其优点是挖土量少，占地少，工作坑小，便于搭工作平台，它的缺点是支撑用木料或钢板桩多。工作坑支撑立板应埋于地下30cm，木撑板厚度5cm～7cm，横顶木用方木，撑木用方木、圆木均可。圆木直径应不小于25cm，方木截面可分为15cm×15cm、20cm×20cm两种。工作坑的底部平面尺寸如下：

2.1.1 宽度＝D+2a+2b+2c.式中D为管外径m，a为两侧操作空间，视工具而定，一般不小于1.2m，b为撑板厚度m，c为排水沟及集水井宽度m。

2.1.2 长度＝L1+L2+L3+S1+S2L1-管节长度（每节）m，L2-千斤顶长度m，L3-后背所占工作坑长度m，它包括横木、立铁、横铁，一般为0.85m。S1-顶入管留在导轨上的最小长度，对于钢筋混凝土管一般可采用0.5m～0.8m。S2-出土所需工作间长度，视使用工具而定，一般为1.0m～1.8m。

工作坑的基础形式取决于地基上有无地下水而定，一般采用混凝土基础。将轨枕横向预埋在混凝土内。

2.2 导轨

导轨是顶进中的导向设备，安装的好坏对顶进质量影响很大。因此，安装导轨时要反复校测，使中线、高程、坡度务必符合设计和规范要求。导轨提倡采用钢轨，小管用18Kg/m的轻轨；大管用32Kg/m的重轨。每组两根，每根长4m。安装时用道钉固定在枕木上，钉距85cm。

轨距计算如下：A＝2х[D1х（h－c）－（h-c）2]1/2（mm），其中：a-轨顶宽度，b-轨底宽度，h-轨高，c-预留缝，t-管壁厚，D-管内径，D1-管外径，A0-两轨中心距，A-两轨轨顶净距。

当采用 18Kg/m 轻轨时，a＝40mm，b＝80mm，h＝90mm，预留缝 c＝10mm 时，A＝8х（5D1-400）1/2（mm）。当采用 32Kg/m 重轨时，a＝60mm，b＝110mm，h＝128mm，预留缝 c＝10mm 时，A＝2х[118х（D1-118）]1/2（mm）,带入不同的 D1 值便可得到相应的A值。

导轨安装在枕木上并固定牢固，枕木的安装高程应严格控制，其纵坡与管道纵坡一致。导轨高程允许偏差控制在+3mm～0mm之间，中线位移左3mm～右3mm之间。

2.3 后背

顶管时，一般采用天然后背，后背面积约8m2，高2m～2.5m之间。后背是顶进施工时千斤顶的支撑面，承受顶进时的水平反力。后背虽然是临时构造物，但在顶管过程中自始至终地抗衡着千斤顶的后座力，并在顶进时不应受到破坏。因而对后背有以下基本要求：要具有一定刚度，压缩变形尽量小；具有足够的强度和稳定性，不致因顶力大而坍塌；后背土应一致，压缩均匀，不致因顶力大而坍塌倾斜；后背土壁面要求平整，垂直于管中线，以便安装。方木应卧倒工作坑以下一定距离，使顶镐的着力中心高度不小于方木后背高度的1/3。方木一般采用15cmх15cm横排，方木中放置20cmх30cm，立铁三块，立铁前叠放15cmх40cm顶铁两块。

2.4 顶进设备安装

顶进设备由液压系统和传力设备两大部分构成。液压系统主要包括顶镐、高压油泵、阀门和其他液压元件，传力设备则主要包括顶铁等。顶镐安装时，其高程应控制在使顶镐的着力点位于排水管总高的1/4处。使用一台顶镐时，顶镐中心应与管道中心线一致。顶铁在安装使用时，顶铁无扭曲现象，安装必须直顺。每次退镐加放顶铁时，应换用可能安放的最长顶铁，始终保持连排的顶铁数目为最少现用的20cmх30cm截面的顶铁，其连接长度在单行使用时最大一般不超过1.5m，双行使用时最大一般不应超过2.5m。

3 顶管施工工艺

顶管工艺过程包括下管、接口、测量、挖土、出土、顶进等。

3.1 下管

将工作坑上面管节吊装于工作坑内的导轨，一般可用吊车或卷扬机起吊，下到工作坑内。所有管节在下吊之前都必须进行外观检查。检查内容包括管节两端的平直度、外测管壁光洁度、端面上有无纵向裂缝等。对不满足要求的管节禁止使用。下管时，工作坑内严禁站人。

3.2 稳管与接口处理

每下一节管都要检查一下管节的高程和方向是否符合设计和施工规范要求，管节是否完全贴卧于导轨上。管间油麻充填，在管内用内套环和木楔将管节连接起来，以保证顶进过程中管的高程和方向的准确度。管间接口处理，一般在两管间接口外侧用油麻充填以使管间留出空间，竣工后，在管间用石棉水泥充填。管与管接口必须密实、平顺。内套环中心应对正管道接口，填料密实，管缝内不得有泥土，石子，砂浆等杂物。

3.3 挖土

人工挖土顶进时，管前挖土一般应在在管内操作，以确保安全。土质容易塌方的地方，应加管帽，顶镐及出土卷扬机的操作，均应听从挖土人员指挥。管前挖土是保证顶管质量及管上构造物安全的关键。挖土应遵守下列规定：土质良好时，管顶以上的土能形成土拱，管端可不加管帽，并允许在管前超挖10-30cm后在顶管。土质差，容易塌方时，管前超挖量宜小，并随挖随顶。管道下部1350范围内不应超挖，土弧要与管外壁吻合，保持原状土地基。土质好时，管顶超挖量不得大于15mm，在重要建筑物和铁路下，顶部地基不允许下沉地段及土质差时，均不得超挖。

3.4 出土

当管径大于800mm时，可采用四轮小车运土，小车在管内出入时可在其前后端拴上长绳，由管内外的操作者拉绳，以使小车往复运土至工作坑坑底，再垂直提升到地面运走。当管径大于1500mm时，可采用双轮手推车装运至坑底，然后垂直吊到地面运走。

3.5 顶进

顶进要坚持“先挖后顶，随挖随顶”的原则。顶前应检查顶铁安装是否平直，以防顶进时产生偏心荷载，顶铁崩出伤人。顶进的程序为：安装顶铁－启动油泵（千斤顶活塞顶出）－管节向前运动－千斤顶的行程结束后关闭油泵－油泵回油（千斤顶活塞复位）－加顶铁－下一行程开始。顶进时还应注意：注意油泵压力表的变化情况，如发现压力突然增大时，应立即停泵检查原因；千斤顶的活塞杆的外伸长度应控制在规定的行程范围内，不得超出，以防损坏设备；要连续顶进，不能长时间停顿；千斤顶的排列要对称于管道中线，以使着力均匀。在顶进时，遇到下列情况之一时，即应停止顶进，迅速采取措施，处理完善后，方可继续顶进。

4 顶管出现偏差时的校正

测量时，若发现管位偏差达1.0cm时，一般应考虑校正。校正时，应根据管道设计坡度和头一节管子管子的走向确定校正方法。当根据头一节管子的走向预计可能自行恢复到设计位置时不必校正。纠偏校正应缓慢进行，使管子通测复位，不得猛纠硬调，以防止发生相反的结果。

4.1 中线校正

中线校正的方法有两种。挖土校正法：当管头发生偏差时，一侧超挖，另一侧不超挖，或留5mm～10mm土坎。在顶进中，使管中心线徐徐复位，土坎不能过厚，以防矫枉过正；横木支顶法：用挖土法效果不明显时，可同时加横木采用支顶法来校正。如管道同时有高程误差时，可将木柱斜支以使中线高程同时得到校正。

4.2 高程校正

高程校正有四种方法：

第一种：挖土校正法。根据不同情况又可分为以下三种方法：a.逐步超挖校正法：在管前下部900范围内不超挖，900～1800范围内逐步超挖至10mm。顶进时，利用下部原土承托管子有上升趋势，随顶随测直至管子复位高程合乎要求后，再按正常挖土顶进。b.留土坎法：管前下部900范围内留5mm～10mm土坎不挖，土坎不能留的太大，自900～1800范围内逐渐超挖至10mm，顶进中利用土坎使管受托而上升，随顶随测直至接近设计高程，在施工技术规范要求的误差范围内为止。保留土坎，正常挖土顶进。c.留缝法：管前下部1800范围内超挖1.0mm～5.0mm缝隙，利用管身自重使管头缓缓下降至复位上。挖土时要从略有缝隙逐步到5.0mm，1800两侧应保持与下部同样缝隙以防止管被土包着不动。第二种：木柱支顶法。在管前端设短木柱斜支于管内顶上，上下垫木托，随着顶进将管节顶起，顶进时不应使木柱着力过大，使管端徐徐上升，当管端接近设计高程时再拆除木柱。此法用于使管子抬头。第三种：千斤顶支顶法。当木柱支顶无效时，可采用50KN～150KN小千斤顶加木柱支顶，也就是以小千斤顶代替木柱支顶，长度不够可加短木柱。第四种：杠杆支托法。在流砂地段顶进时，无论误差多少都必须立即快速校正，采用前两种办法无效时，采用此法。在第二节管内和基坑内放一支座，支座上放一枕木，枕木立千斤顶校正。

4.3 拨管校正法

在顶进过程中，由于未及时测量或校正方法无效时，使高程或中心偏差超过规定标准比较大时，采用此法。其操作步骤如下：

拆除一、二节管间的内胀圈。拨开第一节管：方法是以千斤顶顶起管前端，使一、二节管底缝张开，填以木，急退千斤顶，使管端突然下落，则上缝张开，在上端再填木，如此反复操作，直到把管缝拉开30cm以上，然后在管间放上小千斤顶，将第一节管顶出。直径小于1000mm以下的小口径管，用短撬棍插入管缝内就能拨开。如果是第三节管超过误差标准，用同上方法拨出二、三节管，节间管缝放入30cm顶铁，位于900以下两侧各一块。管节拨开后，用正常顶进法施工，这时在四个管端同时挖土，同时校正。顶进2.0m后，当第四节到达未拨管前第三节管头位置时，就可全部消除误差，使管身复位。复位后取出管缝间顶铁，逐个接口，安装内胀圈，继续正常顶进。无论哪一种校正方法，操作起来都麻烦，费时间。最好是在施工中勤测量，勤检查，使偏差始终保持在施工规范规定的范围内。