顶管施工技术在市政排水工程中的应用及计算

李 旭 东

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都　610081)



顶管施工技术在市政排水工程中的应用及计算

李 旭 东

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都610081)

摘要：市政工程管道施工所处的工程条件、环境条件复杂，特别是既有周边建筑物，地下既有管线、街道、文物古迹、河道等而无法采取常规的明挖施工方法。做为顶管法，在其施工过程中能够做到不开挖地面而穿越公路、河道、既有管线等，对周边环境影响小。通过现场实际施工实例，总结了顶管施工的应用及计算过程，可为类似工程提供参考。

关键词：顶管；施工技术；应用；计算；市政排水工程

1概述

随着我国经济的飞速发展，城市化进程快速推进，城市市政设施的施工及改造越来越受到国家和市、区政府的重视。在城市地下管道施工中，顶管施工采取非开槽手段，具有对周围的环境影响小、安全风险低、工期短、费用较低等显著优点，已成为市政管道工程施工的重要施工方法。

顶管施工操作的基本原理：在所修建的排水管道需要穿越部位的一端开挖工作井，另一端开挖接受井，在开挖的工作井内，根据管道的设计高程、走向、位置，在需穿越侧的地层内挖洞，边挖土，边用千斤顶等设备将管道逐段顶入洞内，借助于顶进设备产生的顶力，克服管道与周围土壤的摩擦力，将管道按设计的坡度顶入土中并将土方运走。待一节管道完成顶入土层之后，再安装就位第二节管道继续顶进。反复操作，直到将管道顶至接受井内(图1)。

图1　顶管施工平面示意图

2顶管工程施工及计算过程

2.1施工工艺流程(图2)

施工准备→测量放线→工作坑开挖基坑支护→顶管设备安装→洞口人工开挖→进洞→管道顶进→混凝土管道拼装→下一节管道吊装就位→管道循环顶进→管道贯通→压浆→检查井砌筑→闭水试验→回填。

2.2工作井的布置

顶管工作井是辅助设施，顶管工程的大部分工作是围绕工作井开展的。工作井是顶管的出发点及工作点，其所有的任何缺陷都将对顶管施工造成影响，因此，对工作井的设计及施工必须给予高度重视。工作井的尺寸必须满足顶管操作空间的要求，其内衬和支护结构能抵抗动力装置的反作用力，将其均匀传递到土层上。管道的导轨能准确地校正管道的位置，确保新安装的管道能顺利地插入刚顶入的管道。

(1)工作井的尺寸计算。

图2　顶管施工工艺流程图

工作井是放置所有顶进设备的场所，也是顶管施工的起始端。工作井的布置根据地形、管线设计和地面障碍物情况等因素确定，通常的做法是将排水工程的检查井作为工作井。工作井的尺寸应根据管节的长度、顶管机械的尺寸及工作空间确定。 矩形工作坑的底部尺寸应满足：

①宽度B=D1+S(单位m)。式中D1为管道外径；S为操作宽度，一般取2.4～3.2 m；

②长度L=L1+L2+L3+L4+L5。式中L1为顶管掘进机长度。对于钢筋混凝土管，不宜小于0.3 m；钢管则不宜小于0.6 m；L2为管节长度；L3为输土工作间长度；L4为千斤顶长度；L5为后座墙的厚度。

为了确保施工安全，在进行工作井开挖时，应对工作井进行必要的安全支护(例如采用钢板桩、护壁桩、喷锚支护等)，工作井顶部应设置防坠措施等。此外，应设置积水坑以利于排水。在地下水丰富的地区还需要做好降水措施(图3)。

(2)后背墙尺寸(图3)计算。

后背墙受力面积计算公式:

式中S为后背所需的承压面积(m2)；P为计算的总顶力(kN);[σ]为土壤的允许承载力,其根据地质报告取值。

图3　顶管工作井布置示意图

后背墙一般采用混凝土浇筑，以保证其整体稳定性。

(3)安装导轨。

基坑夯实后可采取浇筑20cm厚C20混凝土并在混凝土上安装导轨。导轨安装好后，采用水平仪复核导轨顶面的高程，待其符合设计坡度要求后，方能进行下一道工序的施工。

导轨是在基础上安装的轨道，一般采用装配式。管节在顶进前先安放在导轨上。在顶进管道入土前，导轨承担导向功能，以保证管节按设计高程和方向前进(图4)。

图4　导轨形式图

导轨应选用钢质材料制作，其安装应符合下列规定：

* 两导轨应顺直、平行、等高，其坡度应与管道设计坡度一致。当管道坡度>1%时，导轨可按平坡铺设。

* 导轨安装的允许偏差应为：轴线位置为3mm；顶面高程为0～+3mm；两轨内距为±2mm。

* 安装后的导轨必须稳固，在顶进中承受各种负载时不产生位移、不沉降、不变形。

* 导轨安放前，应先复核管道中心的位置，并应在施工中经常检查校核。

两导轨内距计算公式：

式中l为两导轨上部内侧间距(单位mm)；D为管外径(单位：mm)；h为导轨高度(单位：mm)；e为管外底距枕木距离(单位：mm)。

2.3顶进阻力的计算

根据非开挖技术协会行业标准《顶管施工技术及验收规范》公式计算：

式中γ为管道所处土层的重力密度，单位kN/m3，根据地质报告取值； H为管道顶部以上覆盖土层的厚度，单位m；φ为管道所处土层的内摩擦角，根据地质报告取值；ω为管道单位长度的自重，单位：kN/m；L为管道的计算顶进长度，单位m；f为顶进时管道表面与其周围土层之间的摩擦系数，取值可按表1所列的数据选用。P3为顶进时顶管掘进机的迎面阻力，其取值见表2。

表1　顶进管道与其周围土层之间的摩擦系数表

采取敞开式顶管法施工，Ps=π×Ds×ts×ρs

式中Ps为切削阻力，kN；Ds为顶管机外径，单位m；ts为切削工具管的壁厚，单位m；ρs为单位面积土的端部阻力(表2)。

表2　不同地层单位面积土的端部阻力表

2.4顶管机及顶铁的选择

(1)千斤顶的选择。

根据上述公式计算出顶进阻力，再根据顶进阻力选择合适的顶进设备(千斤顶参数选择)。

千斤顶的安装应符合下列规定：

千斤顶宜固定在支架上并与管道中心的垂线对称，其合力的作用点应在管道中心的垂直线上；当千斤顶多于一台时，应取偶数且应规格相同、行程同步，每台千斤顶的使用压力不应大于其额定工作压力，千斤顶伸出的最大行程应小于油缸行程10 cm左右。当千斤顶规格不同时，其行程应同步，并应将同规格的千斤顶对称布置；千斤顶的油路必须并联，每台千斤顶应有进油与退油的控制系统。

千斤顶油泵的安装和运转应符合下列规定：

图5　千斤顶布置示意图

油泵宜设置在千斤顶附近，油管应顺直、转角少；油泵应与千斤顶相匹配并应备有备用油泵；油泵安装完毕应进行试运转；顶进开始时应缓慢进行，待各接触部位密合后，再按正常顶进速度顶进；顶进中若发现油压突然增高，应立即停止顶进，检查原因并经处理后方可继续顶进；千斤顶活塞退回时，油压不得过大，速度不得过快。主顶千斤顶可固定在组合千斤顶架上做整体吊装，根据其顶进力对称布置的要求，通常选用2、4、6只(按偶数组合)，见图5。。 (2)顶铁。

顶铁又称为承压环或均压环，其作用主要是把主顶千斤顶的推力比较均匀地分散到顶进管道的管端面上，同时还起到保护管端面的作用，同时还可以延长短行程千斤顶的行程。顶铁可分为矩形顶铁、环形顶铁、弧形顶铁、马蹄形顶铁和“U”形顶铁几种。

2.5后背墙的稳定计算

根据中国非开挖技术协会行业标准《顶管施工技术及验收规范》中后背墙计算公式：

式中R为总推力之反力，kN；α为系数，取α=1.5～2.5；B为后墙的宽度，m；γ1为土的容重，kN/m3；H为后墙的高度；Kp为被动土压系数(见表3)；c为土的内聚力，kPa；h为地面到后墙顶部土体的高度，m。

表3　土的主动和被动土压系数值表

注：此表为中国非开挖技术协会行业标准《顶管施工技术及验收规范》中表7.1.8。

2.6顶管出洞

顶管出洞是顶管作业中一个比较重要的环节。顶管出洞，即第一节管道从接受井中破土而出，即将达到设计位置。开始正常顶管前的过程是顶管技术中的关键工序，也是最容易发生事故的工序。为防止管线出现偏斜，在井壁上加设支撑，若发现下跌应立即用主顶油缸进行纠偏；刃角出洞前采取预先设定一个初始角以弥补下跌等措施。

3顶管测量控制

顶管施工发生方向偏移是时常发生的，因此，顶管测量控制工作应是顶管施工中的一项重要工作。施工时应进行三维动态测量，其精度要求很高，通常是在井周布设一个高精度的控制网，用以测量、检查和修正工作井井周和井下的测量点，如轴线点、井下的测量起始点和后视点等；同时，在进行顶进施工过程中，也需要对周边建筑物、基坑四周、顶管轴线地面进行沉降及变形观测，以防止在顶进过程中出现破坏事故。

4顶管施工应注意的几个问题

(1)工程地质和水文地质条件。施工前，必须了解土层的变化情况;对于要经过回填土的地带需提前进行加固处理，避免施工后地表有过大幅度的下沉。

(2)有毒有害气体的检测和预防。顶管施工通过的地层一般都会有淤泥层，腐烂的动植物会在地下生成有毒有害的气体，顶管施工过程中，需要定时监测管内有毒有害气体的含量，及时通风

换气，确保安全。

(3)地下管线的提前探察。顶管施工时应提前查明其它地下管线的埋设深度、走向、位置等，不仅有利于顶管施工工程的顺利进行，而且有利于保证其它地下管线的安全。

5结语

城市随着时代的发展在不断变迁，有些工程项目中实施的开槽技术已经逐渐被顶管技术所取代。顶管技术在城市排水管道施工工程中具有举足轻重的作用，特别是对于一些深覆土、大管径管道工程的施工，在一些比较恶劣的施工环境中，顶管技术具有较多的优越性。随着城市的发展，顶管技术也要不断地完善和进步，加长管道、加粗管径、管道中粗直交替势必成为顶管技术的下一个发展目标。

参考文献：

[1]GB50268-2008，给水排水管道工程施工及验收规范[S].

李旭东(1983-)，男，四川平昌人，工程师，从事水利水电、市政、高速公路、高铁项目施工技术及管理工作.

(责任编辑：李燕辉)

收稿日期:2015-10-20

文章编号:1001-2184(2015)06-0007-04

文献标识码:B

中图分类号:TV52;TV544

作者简介: