供水工程管道顶管施工设计及技术分析

许琳林

（北票市龙潭水库管理处，辽宁朝阳122100）

供水工程管道顶管施工设计及技术分析

许琳林

（北票市龙潭水库管理处，辽宁朝阳122100）

文章结合辽宁北票市农村供水工程施工，计算了双排平行管道中心间距、错位间距以及顶力控制，分析了管道顶进过程中的顶进施工、轴线控制等关键施工技术。结果表明，两排顶管施工未出现不良影响，在保障施工进度的前提下，确保施工方案可行与安全。

供水工程；双排平行管道；顶管设计；施工技术

1 工程概况

南八家乡供水工程需穿越一省级道路，不允许开挖，需采用顶管施工。地质构造全段为湿陷性黄土，道路范围顶管管顶可能为回填戈壁土，可能存在不能成孔及塌方危险，需锚杆注浆加固处理；施工前尽力掌握地下管线类型及走向情况，结合设计要求，人工开挖、人工清理基坑及边坡加固。工程设计管道为双趟并行，采用平行错位施工，每趟顶管施工长度约为72 m，共设工作井一座，施工方案如图1所示。顶管段采用DN1500的钢筋混凝土专用顶管，拟采用手掘式顶管施工，穿越道路路面埋深约为3 m。根据顶管段土质情况，采用开启式人工挖土配合导向工具管等技术措施，24 h不间断施工。

图1 顶管施工平面图（单位：mm）

2 双排平行管道顶管施工设计

2.1 顶管间距控制

1）中心间距

根据管顶扰动宽度以及中心间距相关理论，得出顶管施工的扰动宽度应不超过两管道孔的中心间距，将此当作顶管施工的安全距离，公式为：

其中：Be——管道顶部土体扰动宽度，m；D0——顶管机机头外径，m；φ——土体内摩擦角，°。

根据工程土体力学性质测量结果，取内摩擦角为10°，计算得到管顶土体扰动宽度为3.47 m，中心间距为3.5 m，顶管外壁间距控制在2 m。

2）错位纵向间距

为保障工程施工的安全、高效，双排顶管前后同时顶进施工需要确定合理的错位纵向间距，如图2所示。

最小错位纵向间距计算公式为：

其中：H——前方机头长度和第一个柔性接头的总长度，m；r——土质系数，取1.5。

机头钻进过程中受力情况见图2，由力学关系

图2 错位纵向间距

推算得到：

其中：P0——静止土压力，表达式为P0=k0rh，kN；K0——静止土压力系数，一般取0.55；γ——土体容重，kN/m3；h——地面至掘进机中心的厚度，m；Pb——被动土压力，kN；c——内聚力；D——顶管机外径，m。

被动土压力计算公式为：

计算得到静止土压力和被动土压力分别为83.3 kPa，176.3 kPa，将其带入到式（3）中，计算得到最小错位间距为10.5 m。由此可知，在顶管施工过程中，前后顶进管道的错位间距应间隔两节管的长度，同时还需要根据跟踪测量，观测平行管顶进是否存在不良现象，以实时进行施工调整。

2.2 顶力控制

后背作为千斤顶的支撑结构，要有足够的强度和风度，且压缩变形要均匀。工程采用组合钢结构后背，此种后背安装方便，安装时应满足使用千斤顶的着力中心高度不小于后背高度的1/3。

推力的理论计算：

其中：F——总推力，kN；F1——迎面阻力，kN；F2——顶进阻力，kN。

迎面阻力和顶进阻力计算公式分别为：

其中：f——管外表面平均综合摩阻力，kN；L——两管的纵向间距，m。

为保证顶力，将δ=25 cm钢制后靠背紧贴在工作井后座墙壁上，混凝土灌缝以保证紧密接触，以保证足以承受最大400 t顶力，并保证靠背的铅垂度与轴线的垂直度。工程顶管是穿越重要道路，顶管施工长度较长为保证道路安全及顶管施工顺利完成，在顶进前每根顶管均涂抹石蜡、顶进过程中注泥浆，以减少顶进阻力，顺利完成顶管施工。顶进完毕需注水泥浆加固，保证路面及附属管线的长久安全，在顶管施工过程还必须做好地面、地下的实时监控。

3 顶管施工控制

3.1 施工准备

工作井与接收井设置应便于施工以及后期管理维护。工程设计工作井为6 m×6 m×3 m（长×宽×深），由人工辅助机械进行开挖。工作井开挖后应立即进行支护，采用钢筋混凝土结构对井壁进行保护，结构保护层厚度不应小于30 m。考虑施工段土质为湿陷性黄土，为保证井壁结构的稳定性，设计井壁混凝土采用ϕ12@50钢筋双层双向绑扎；同时，工作井后靠背面用抛石钢筋混凝土进行处理，最小厚度为1 m。导轨应符合工程施工需要，设计在预埋钢板焊接钢轨方式，增加导轨的稳定性。导轨安装应与管道轴线重合，偏差控制在±3 mm以内，且高程、两轨内距偏差控制在±3 mm，±2 mm。

3.2 管道顶进施工

1）顶进施工与测量控制应同步进行，以达到控制接管走向和坡度的目的。第一节管道顶进施工时，应在推进1.5～1.8 m时停止施工，并安装第二节管道。两段混凝土管应采用柔性对接的方式，在承插接口添加具有一定弹性的衬垫材料，并做好相应的密封处理措施。

2）管道开挖控制以底部13.5°四周方向进行控制，特殊情况开挖也不应超过此范围的10 mm。由于管道地质段部分属于湿陷性黄土，管道掘进尺度应保持在一合理的范围内（工程开挖进尺为30～50 m），降低管道开挖与支护的难度，保障后期管道顶进施工的安全与质量。

3）管道顶进中要对顶力大小与顶进速度进行严格控制，管道正式顶进施工之前可在管道外壁涂抹润滑剂（如石蜡），降低顶进过程的摩擦阻力；与此同时，结合顶力大小情况在管内注入触变泥浆，也可达到降低阻力的目的。一般情况下，初始阶段顶进速度较慢，控制在20～50 mm/min为宜；正常顶进过程可适当增加顶进速度，控制在50～ 150 mm/min。如遇到增面障碍物，则应缓慢进行推进，顶进速度不应超过10 mm/min。

4）管道顶进施工结束后，应对工作井和接收井两端混凝土管下基础结构进行加固与处理，避免出现管端下沉的情况，进而造成已安装管道轴线出现变形。顶进施工阶段还需要做好通风、照明等辅助性工作内容，保证顶进施工的顺利进行。

3.3 顶进轴线控制

管道顶进过程中的轴线控制采用导线测量法，包括中线偏差测量和一般高程测量。测量平台设置在顶管后座位置，在井壁上设置两个测量基准点，应用先进的激光经纬仪对管道中线进行控制。高程测量使用工具主要是水准仪和高程尺，测量前一节管道前端与后端管内底高程，通过这种方式能够有效了解前一节管道的走向趋势，测量结束后将之与工作坑内的另一个水准点进行闭合计算，根据结果以实时调整管道轴向。工程管道采用DN1500的钢筋混凝土专用顶管，其中轴线位置和两端错口允许偏差为50 mm，管道内底高程允许偏差在+30～-40 mm；相邻管间错口一般为15%壁厚，最大不超过20 mm。如管道轴线超过了允许偏差，应及时采取纠偏措施，可通过工具头前方纠偏节中的纠偏千斤顶进行调整，根据测量结果对顶进方向进行控制，但需注意纠偏调整速度一定要慢，避免纠偏过急对已安装管道造成影响。

4 结语

平行顶管施工管节之间会产生相互影响，尤其是后施工管节施工，其可能出现较大的土体变形现象。施工设计中应注重管道中心间距、错位纵向间距的确定，同时严格对管道顶力的控制。施工中应做好顶管施工技术管理与应用，同时对工程施工可能出现的轴线偏移、“叩头”“倒退”“自转”等现象加以预防与及时解决，通过合理的施工工艺以保证管道顶进施工的安全与高效。

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TV674 < class="emphasis_bold"> ［文献标识码］B

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1002—0624（2017）09—0012—03

2016-10-17