缩小工作井尺寸顶管施工技术研究

王晓璞

（北京住总集团有限责任公司，北京100000）

顶管法作为一种暗挖施工技术，可在不开挖土层情况下进行管道铺设施工，在各类地下管线施工中应用越来越广泛[1-2]。工作井是顶管施工所有设备安置的场所，具体包括机头长度加千斤顶长度以及后背墙的长度，工作井空间大小直接影响或限制顶管施工[3-4]。城市污水管道顶管施工中，往往在管线密集、临近建筑物区域[5]。工作井的开拓，除去施工直接成本之外，还可能会涉及临近建筑的拆迁问题，增大了顶管施工的经济成本和施工周期[6-7]。因此，缩小尺寸工作井顶管施工技术的研究具有重要的工程价值[8]。

文中以北京新城二期小区污水接入市政管网工程顶管施工为研究对象，在顶管工作井受临近建筑和高压线限制条件下，通过增加顶管辅助设备来改进传统顶管方式，从而实现大幅缩减工作井尺寸的目的，以期为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

聚焦攻坚水环境治理工程朝阳区六标- 新城二期小区污水接入市政管网工程位于朝阳区东坝乡境内，起点为小区现状污水出户井，终点为东坝南二街现状污水干线。管线总长度1557.2m。干线设计管径D400～D800mm，总长度770.4m；支线管径D400～D500mm，总长度约786.8m。

2018 年1 月20 日放样后发现主线W16 号竖井（井段长度74m）位于驹子房路东侧，设计结构尺寸为东西方向5m，南北方向7m。但由于现场竖井南侧有现状房屋，北侧有高压线杆，两者之间的净距5.5m，无法满足结构尺寸5×7m 的要求。同时，现状房屋和高压线杆没有拆迁的可能。此管线整体工期180d，从现场条件来看，该位置将成为本条管线的关键工序。如何解决场地受限条件下顶管顺利进行成为这条管线须解决的首要任务。

2 顶管施工面临的问题分析

现行《北京市给水排水管道工程施工技术规程》（DBJ 01-47-2000）规定，顶管工作竖井顶镐通过顶铁直接作用在管材尾部，工作井顺管向尺寸如式（1）所示：

式中：L1——工具管外露长度0.5m；

L2——管长2.5～3m

L3——顶铁长度0.5m；

L4——顶镐长2～2.5m；

L5——后背厚度0.5m。

总长度L 约6～7m，设计图纸中给出的工作井尺寸大小为7m。但由于现场竖井南侧有现状房屋，北侧有高压线杆，两者之间的水平净距仅为5.5m，无法满足结构尺寸5×7m 的要求。

本条管线涉及到东坝乡朝新嘉园5 期小区的污水排放问题以及驹子房沟上游污水截流，业主要求尽快完工交付使用。高压线杆涉及到沿线居民及企事业单位的用电，无法在近期拆除；现状房屋拆除工作费用大，可能超出管线施工概算，房屋亦无法拆除。业主单位和设计院沟通后，本管线路由沿规划驹子房路进行布置，旁边规划有电力、通信、燃气、热力等其他管线路由，故无法调整污水路由。因此，按照常规的方法进行施工现场实际条件肯定满足不了要求，要想按时完成此工程，解决此问题，必须采取一种方式减小工作井的尺寸。为此项目部特成立聚焦攻坚QC 小组研制一种缩小工作井尺寸的顶管设备。

3 顶管方案的确定

3.1 缩小井顶管思路的提出

借鉴日常生活中常用的注射器原理，其主要由针头、空筒、活塞轴三部分组成。空筒的主要作用为盛放液体，活塞轴的主要作用为抽取和注射液体。注射时通过活塞轴的顶进将液体缓缓的注入人体内，该结构的主要特点是空筒大，活塞轴小，两者的长度通过可以重合。因此，可将活塞轴看成混凝土管，在混凝土管外面在套一个稍大一点的套管（类似空筒），套管两侧做一个类似手柄的反力装置——反力架，千斤顶将力作用在反力架上，再通过套管将力传递至混凝土上，使得千斤顶力的作用点变到了混凝土管的两侧。达到将千斤顶和混凝土管重合的目的，从而实现减小工作井尺寸的目的。根据查新借鉴结果，计划通过此次QC 活动，在保证顶管施工安全、质量及进度的前提下，研制一种缩小工作井尺寸的顶管设备，将工作井的顺管向尺寸减小到5m，费用控制在2 万以内。

3.2 缩小井顶管方案的确定

根据《北京市给水排水管道工程施工技术规程》DBJ 01-47-2000 要求，工作井顺管向尺寸中工具管外露长度0.5m、管长2.5～3m、顶铁长度0.5m、顶镐长2～2.5m、后背厚度0.5m。其中由于工具管外露长度以及后背厚度均为定值无法改变，只能通过改变剩余3 项的长度来缩小工作井的尺寸。提出解决方案如下：

施工设备方面：a.减小千斤顶长度：目前由于顶管施工方便性的需要千斤顶的行程一般为2～2.7m，对应的千斤顶长度为2.2～3m。通过方案确定会的讨论，成员发现桥梁张拉用的千斤顶长度仅为0.6m（行程0.25m），通过更换千斤顶可以将千斤顶长度减小1.6m。b.根据查新结果，可以采用反向顶管机减小工作井结构尺寸2m。c.根据注射器的结构原理，可以研制一个类似注射器的顶管辅助设施，使得千斤顶作用在混凝土管材侧面，缩小千斤顶和混凝土管材的总长度。施工材料方面：现在市面上的预制混凝土管长度2.5～3m，可以通过减小预制管的长度来达到减小工作井尺寸的目的。施工方法方面：将顶管施工改为暗挖施工，工作井的尺寸可以减小到5m。

3.3 缩小井顶管方案的比选优化

根据方案讨论会提出的5 种可行性方案，从适用性、经济性、安全性、环保性进行方案比选，确定最佳方案。方案比选表1所示。

经过以上五种待选方案，确定方案三研制一种顶管辅助设施在能满足减小工作井尺寸2m 的目的，只需增加投入2 万在业主单位的接受范围内，安全性通过计算设计、加工过程中的质量控制以及安全技术交底可以控制，无额外产生影响环境的因素确定为最佳实施方案。

4 缩小井顶管技术

4.1 实施对策及流程

根据最佳施工方案，为保证方案的顺利实施，制定如表2 所示对策实施表：

表2 辅助设施研制措施

顶管辅助设施加工完成后，需在钢筋加工场进行测试——现场将顶管导轨、混凝土管材等安装完成，吊装好顶管辅助设施进行调试，以保证辅助设施顺利应用，流程如图1 所示。

图1 顶管流程

4.2 辅助设施结构设计

4.2.1 设计思路

辅助设施的设计灵感来自于生活中常见的“注射器”结构，从而实现减小工作井尺寸的目的。顶管辅助设施实际上是一个带反力牛腿的套管，将千斤顶顶力作用在牛腿上，再通过套管将力传递至混凝土上，使得千斤顶力的作用点变到了混凝土管的两侧，使得千斤顶和混凝土管两者长度重合。由于顶管施工时混凝土管下面有导轨，因此套管的底部需要和混凝土管一样高。

4.2.2 辅助设施加工图

经过QC 小组成员的集体讨论决定采用现有的材料制成顶管辅助设施，其中环形顶铁采用现有的800mm 环形顶铁;拉带采用20mm 厚钢板，钢板宽度59cm，长度222cm; 反力环采用1200mm 环形顶铁进行切割加工；牛腿及牛腿下的支撑板亦均采用20mm 厚钢板；最终形成顶管辅助设施的设计图纸如图2所示：

图2 辅助设施示意图

4.2.3 强度计算及复核

根据《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB50268-2008）：

机械顶管顶进阻力

式中：Fp——顶进阻力，kN；

D0——管道的外径，m；

L——管道设计顶进长度，m；

fk——管道外壁与土的单位面积平均摩阻力，kN/m2，

NF——顶管机的迎面阻力(kN)

经计算Fp=1452kN，拉带采用2cm 厚钢板，宽度59cm。

拉带与环形顶铁及反力环共有四条焊缝，由于环形顶铁的焊缝较短10cm, 因此计算时偏安全的采用10cm 焊缝长度进行计算，焊缝厚度为2cm，每条焊缝需要承受的拉力为1452/4=363KN。焊接母体为A3 钢，焊条采用502 焊条，人工施焊，焊缝强度值为490MPa。

则每条焊缝能承受的拉力

4.3 辅助设施的加工

加工工艺流程：原材料准备、拉带下料及反力环切割、场地内试拼、点焊固定加固焊成品。加工实物如图3 所示，具体加工要点如下：

4.3.1 原材料准备：设计时为了施工方便及节约成本，所需材料用的全是现有材料，主要包括20mm 厚钢板以及环形顶铁。

4.3.2 料加工：根据设计图纸进行下料加工，由于反力环采用的是1200mm 的环形顶铁，试拼前需要先切割成形，再调整为如图所示的弧度。

4.3.3 场地内拼装：安装好顶管轨道，将800mm 管吊装至钢筋加工场内后，将环形顶铁、反力环、拉带在800mm 管上进行拼装。

4.3.4 点焊固定：点焊固定的主要作用为将拼装好的各组件临时连接成一个整体，为移除800mm 管整体施焊创造作业条件。点焊长度5mm，点焊位置在三大组件之间的交叉点上。

4.3.5 加固焊：为了防止出现焊接变形，保证整体的加工精度不超过10mm，焊接人员先进行试焊，合格后方可进行焊接操作，拉带和反力环以及拉带和环向顶铁之间的空隙严禁夹渣焊，采用两个焊接工人同时对称进行焊接。

图3 辅助设备

5 缩小井顶管施工过程及效果

顶管施工如图4 和图5 所示，和常规机械顶管相比，由于增加辅助设施，管道顶进过程需要增加安装及拆除辅助设施的步骤，其他的施工工序和常规顶管一致。由于反力作用点位于管道两侧，千斤顶位置需要较常规顶管往两侧偏移40cm。混凝土管安装完成后，采用吊车直接整体吊装顶管辅助设施，并保证辅助设施两侧不能有障碍物。顶管辅助设施使用过程中需要由专人查看焊缝的焊接情况，遇见焊缝开裂时立即停止施工，重新加固后方可继续顶进。待辅助设施接近前方锚喷侧墙时（此时已经顶进一根完整的混凝土管），开始拆除顶管辅助设施。采用吊车直接整体吊装顶管辅助设施，拆除顶管辅助设施时需要特别注意解除顶管辅助设施和其他顶管设备之间的连接。

图4 常规顶管

图5 缩小井顶管

通过增加了辅助设施，使得千斤顶顶力作用点调整至污水管道两侧，达到了减小工作井尺寸2m 的目的。顶管辅助设施采用的环形顶铁、反力环及20mm 厚钢板总重量0.46 吨，材料及加工费合计7500 元/吨，整个辅助设施的材料及加工总费用为0.33 万元，另由于需要增加安装及拆除顶管辅助设施的工序，延长了1 天的顶管工期，增加人工投入6 个（1200 元），吊车台班1个（1500 元）以及其他小型机械的投入1000 元，累计增加的投入为0.7 万元。

由于增加了顶管辅助设施相当于增加了一个顶管安全风险源，需要控制顶管辅助设施的安装及使用的安全：安装及拆除顶管辅助设施采用电车通过吊环进行吊装；拆除顶管辅助设施时需要特别注意解除顶管辅助设施和其他顶管设备之间的连接；顶管辅助设施使用过程中需要由专人查看焊缝的焊接情况，遇见焊缝开裂时立即停止施工，重新加固后方可继续顶进。

进度方面只是增加了一道安装及拆除顶管辅助设施的工序，该工作井内一共有30 根混凝土管，累计使用时间258.5 分钟，平均一次安装及拆除的时间为8.6 分钟，达到使用方便的目的。

6 结论与建议

由于增加了顶管辅助设施，虽然达到了减小顺管向工作井2m 的目的，但垂直管线方向大小要求较常规顶管需要增加0.8m，缩小了顶管施工操作空间。操作空间由原来的每侧1.5m压缩到每侧1.1m。通过本次一种缩小工作井尺寸的顶管辅助设备的研制，积累了一些施工辅助设施的研制经验，研制出了一种能够减小工作井结构尺寸的设施，对顶管施工有了重新的认识与理解，研制的成果也得到了各方的认可。通过本次一种缩小工作井尺寸的顶管辅助设备的研制，解决了WD16 号竖井尺寸受限的现实情况，在不拆除房屋及电杆的情况下完成了该段管线的顶管施工。