趙軍帥 吳仕紅

中國(guó)水利水電第八工程局有限公司 湖南 長(zhǎng)沙 410000

1 概述

湘潭大道位于湘潭岳塘區(qū)總體規(guī)劃內(nèi)，道路起點(diǎn)與鐵牛路相交，終點(diǎn)與岳塘路相交。為避免湘潭大道與岳塘路交叉口深達(dá)10m的開(kāi)挖對(duì)交通正常通行、國(guó)防光纜、原人防地道、湘鋼的高壓電纜埋管等造成影響，采用頂管施工技術(shù)進(jìn)行道路污水管施工。本工程頂管埋深在7.6～9.63m之間。頂管采用III級(jí)鋼筋混凝土管，管節(jié)長(zhǎng)度2m，直徑D1200mm，全長(zhǎng)200m，頂管施工采用人工掘進(jìn)頂管工藝。

2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘查，該部位原始地貌屬侵蝕堆積崗地、河流階地地貌，第四系主要由沖積成因的粉質(zhì)黏土層構(gòu)成，上部覆蓋有一層雜填土，局部覆蓋有一層耕土，沿線民居房屋較多。地層自上而下為：雜填土、黏土、粉質(zhì)黏土、圓礫等組成，且厚度不均、分布不連續(xù)。地下水主要見(jiàn)上層滯水及潛水，管道頂進(jìn)時(shí)需穿過(guò)粉質(zhì)黏土和圓礫層，局部區(qū)域有地下水。

3 地下管線分布情況調(diào)查

為避免頂管施工時(shí)破壞現(xiàn)有市政地下管網(wǎng)，施工前，應(yīng)詳細(xì)調(diào)查分析施工區(qū)域地下管網(wǎng)分布情況，包含地下管線的尺寸、位置、標(biāo)高、走向、用途等。

（1）深入現(xiàn)場(chǎng)勘察，認(rèn)真做好管線的摸底復(fù)核工作，掌握各種管線的尺寸、位置、走向、材質(zhì)、用途，并實(shí)地用GPS測(cè)量?jī)x器進(jìn)行定位測(cè)量，并將管線位置標(biāo)識(shí)在施工圖紙中。

（2）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘察，聯(lián)系各類管線的所屬單位或個(gè)人，詳細(xì)了解管線對(duì)頂管施工的影響，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，制定各種管線的保護(hù)措施及方案。

（3）頂管施工時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照已指定的管線保護(hù)方案、措施的要求對(duì)各類管線進(jìn)行有效的保護(hù)，遇到未探明的管線時(shí)，暫停施工，待探明管線并制定了保護(hù)措施后方可繼續(xù)頂管施工。

4 工具管選型及相關(guān)計(jì)算

4.1 工具管選型

工具管是頂管的關(guān)鍵，不同的工具管有不同的特性，應(yīng)依據(jù)工程特點(diǎn)、地質(zhì)管道埋深以及地面建筑物等情況，進(jìn)行設(shè)計(jì)加工。

（1）工具管的設(shè)計(jì)需考慮其整體強(qiáng)度、韌角鋼度、土倉(cāng)容量、澎潤(rùn)泥漿反流阻止等要素。

（2）由于本工程頂管管道大部分處于粉質(zhì)黏土中、部分處于雜填土中，需在工具管上部加焊20～25cm前沿，以防管內(nèi)取土?xí)r管前土層坍塌。

4.2 頂管推力計(jì)算

頂管過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)過(guò)程，它涉及巖土力學(xué)、材料力學(xué)、彈塑性力學(xué)、流體力學(xué)等，頂管計(jì)算關(guān)鍵是計(jì)算頂管推力，頂管的推力等于頂管過(guò)程中管道所受阻力。

頂管總推力計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式：（D=1200mm）

F=F0+F1

F0=a*Pe*Bc2π /4

F1=RSL

F0-----初始頂力（KN）

F1-----管壁摩擦力（KN）

a-----綜合系數(shù)，本工程取系數(shù)值2.0

Pe-----土倉(cāng)的壓力（kpa），Pe=150Kpa

Bc-----管外徑（m），取1.4m

R-----綜合摩擦阻力（kpa），本工程取值8

S-----管外周長(zhǎng)（m），S=3.14×1.2=3.77m

L-----推進(jìn)長(zhǎng)度（m），L=78m

初始頂力：F0=2.0×150×1.4×1.4×3.14/4=461.58KN

管壁摩擦力：F1=8×3.77×78=2352.48KN

總推力：F=461.58+2352.48=2814.06KN=290T

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，擬采用2個(gè)200T千斤頂（F’=400T）進(jìn)行本工程頂管的頂進(jìn)。

4.3 后座墻穩(wěn)定驗(yàn)算

后座墻作為液壓油缸頂升的支撐，需要有足夠的剛度和強(qiáng)度，且要保證壓縮變形均勻。本工程采用倒掛井作為頂進(jìn)井，后座墻采用鋼筋混凝土整體現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。頂進(jìn)井能夠承受的最大頂推反力R等于基坑側(cè)壁摩擦力R1、基坑底板之間的摩擦力R2及后座墻的反力R3之和。由于R1、R2較小，所以再本次計(jì)算過(guò)程中忽略，假定頂進(jìn)支架的推力是通過(guò)后座墻均勻作用在頂進(jìn)井后方土體上，后背土體的反力計(jì)算如下：

R3=αβ(γH2Kp/2+2cH√Kp+γhHKp)

R3-----后座墻之反力；

α----系數(shù)（取1.5-2.5之間），計(jì)算時(shí)取1.5；

β----后座墻的寬度（m），取4m；

γ----土的容重，按粉質(zhì)黏土20.6；

H----后座墻的高度，按6m計(jì)算；

Kp----被動(dòng)區(qū)土壓系數(shù)（tg2（450+θ/2），θ按粉質(zhì)黏土26.50，Kp=2.61；

h----地面到后座墻頂部土體的高度，取0.5m；

C----土的內(nèi)聚力，按16.2Kpa計(jì)算；

由上可得R=R3=1.5×4×(19.5×4×4×2.61/2+2×34.3×4×1.61+19.5×0.5×4×2.61)=5704KN≈570T.

R=570T＞400T（設(shè)計(jì)最大推力）。

4.4 管道受壓計(jì)算

頂管施工擬采用2個(gè)200T千斤頂（F=400T即4000KN）。

頂管采用III級(jí)鋼筋混凝土管，直徑D1200（即管內(nèi)徑1.2m），壁厚0.12m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50。

故頂管的承受壓力的面積為

S=π（D/2）2-π（d/2）2=3.14×（1.44/2）2-3.14×（1.2/2）2=0.50m2

F=4000KN；

頂管承受的壓力P=F/S=4 0 0 0/0.5 0=8 0 0 0 K N/m2=8000KPa=8MPa。

頂管混凝土為C50，其可承受的壓力為50MPa。

根據(jù)計(jì)算，頂管承受的壓力8MPa＜頂管混凝土可承受的壓力50MPa。

故頂管鋼筋混凝土管在受到400T千斤頂?shù)捻斄ψ饔脮r(shí)，混凝土受力滿足要求。

5 管道頂進(jìn)施工

5.1 工具管進(jìn)出洞施工

采用半封閉機(jī)頭擠壓頂進(jìn)，能克服開(kāi)放式開(kāi)挖中存在的超挖、塌落問(wèn)題，在施工安全性、觸變泥漿注漿所需壓力、頂進(jìn)方向準(zhǔn)確性等方面得到保證，另外其簡(jiǎn)易的機(jī)頭結(jié)合傳統(tǒng)的頂進(jìn)動(dòng)力，施工中調(diào)整靈活性較大。

頂管出洞是指機(jī)頭和第一節(jié)管子從工作井中進(jìn)入土中，開(kāi)始正常頂進(jìn)前的過(guò)程，是頂管中的關(guān)鍵工序，也是容易發(fā)生事故的工序。

由于出洞時(shí)頂管機(jī)未被土體包裹，處自由狀態(tài)，而使頂頭出洞的主油壓頂頂力極大，頂管出洞對(duì)操作者熟練技術(shù)要求很高。若操作不當(dāng)，會(huì)使各油壓頂?shù)男谐滩坏?，?dǎo)致頂頭和頂管偏離設(shè)計(jì)軸線。此時(shí)的上部土體難以對(duì)機(jī)頭產(chǎn)生較大反力，對(duì)機(jī)頭不能有導(dǎo)向約束作用，因此出洞頂進(jìn)時(shí)需保證頂頭和每節(jié)管子位置正確。

頂管進(jìn)洞指一段管道頂完，頂管機(jī)頭進(jìn)入接收井，并作好頂管機(jī)后一節(jié)管與進(jìn)洞口的密封連接的過(guò)程。頂管進(jìn)洞前應(yīng)檢查工具管的位置，在接收井內(nèi)側(cè)定出工具管的位置，及時(shí)封堵管與接收井之間的空隙。

5.2 頂管施工工藝流程

頂管施工工藝流程見(jiàn)下圖。

圖1 頂管施工工藝流程圖

5.3 頂管主要工序施工方法

（1） 頂管進(jìn)洞

①準(zhǔn)備工作：頂進(jìn)前準(zhǔn)備工作。把臨時(shí)水準(zhǔn)點(diǎn)、中線定好位置，準(zhǔn)備測(cè)量校核使用。液壓系統(tǒng)、頂進(jìn)系統(tǒng)安裝試運(yùn)運(yùn)行正常。檢查后背加固是否牢靠，檢查軌道安裝是否牢固，吊裝設(shè)備運(yùn)行正常，吊具、吊索準(zhǔn)備齊全。管內(nèi)運(yùn)土軌道、小車及連接螺栓備齊。②回鎬下管：下管前，回鎬至起點(diǎn)，斷開(kāi)管道內(nèi)相關(guān)管路，切斷管坑內(nèi)所有電源，施工人員撤離危險(xiǎn)區(qū)。注意插口朝前，承口朝后。在插口安裝膠圈時(shí)要涂抹凡士林，以確保開(kāi)鎬頂緊管道接口時(shí)膠圈被均勻壓縮，不扭曲、翻轉(zhuǎn)，防止漏漿漏水。③采用25T吊車將機(jī)頭吊至井內(nèi)，平穩(wěn)放在導(dǎo)軌上，保證管道與導(dǎo)軌之間接觸嚴(yán)實(shí)，并接近洞口。開(kāi)鎬將導(dǎo)軌上的機(jī)頭頂?shù)蕉纯?，使機(jī)頭正面和洞外的土體緊密接觸，即可頂機(jī)頭進(jìn)洞。④開(kāi)鎬頂進(jìn)測(cè)量。頂管時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)及其關(guān)鍵，定期測(cè)量，實(shí)時(shí)校正，一般在下管前和下管開(kāi)1 鎬后都應(yīng)測(cè)量。正常頂進(jìn)時(shí)每頂進(jìn)1m測(cè)1 次，測(cè)量采用激光經(jīng)緯和水準(zhǔn)儀配合進(jìn)行。⑤將機(jī)頭吊至地面上，運(yùn)回到主頂坑，開(kāi)始施工另一排頂管。順序同上。

（2）正常頂進(jìn)

①先頂后挖：即先將工具管頂進(jìn)土層30～50cm，再將工具管內(nèi)的土體破碎并裝車外運(yùn)。②頂進(jìn)一節(jié)混凝土管后，回縮千斤頂，拆開(kāi)水、電、氣、通風(fēng)，吊入下一節(jié)管段，調(diào)直對(duì)中，安裝接頭及止水材料，安裝各頂鐵，接通各管線，開(kāi)動(dòng)油泵頂進(jìn)一個(gè)行程，測(cè)量，糾偏，安放頂鐵頂進(jìn)，直至放一節(jié)混凝土管，重復(fù)上述動(dòng)作。③不頂不挖：在工具管內(nèi)已無(wú)土體時(shí)，不得在工具管前超挖土層。④慢頂緩?fù)冢喝绻ぞ吖芮暗貙映霈F(xiàn)變化或遇障礙物則不得強(qiáng)行頂進(jìn)，也不得將工具管內(nèi)土體全部挖除。

6 特殊情況施工措施

6.1 防止地面沉降措施

（1）施工前應(yīng)對(duì)工程地質(zhì)條件和環(huán)境情況進(jìn)行周密細(xì)致的調(diào)查，制定切實(shí)可行的施工方案，并對(duì)距離管道近的建筑物和其他設(shè)施采取相應(yīng)的加固保護(hù)措施。

（2）應(yīng)在頂管施工沿線按一定間距布設(shè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用于監(jiān)測(cè)頂管頂進(jìn)施工期間的地面沉降量，根據(jù)監(jiān)測(cè)情況及時(shí)采取相應(yīng)的措施對(duì)路面的沉降進(jìn)行處理。

（3）需要掌握頂進(jìn)壓力，保持頂進(jìn)壓力與前端土體壓力的平衡。

（4）頂管頂進(jìn)時(shí)，要嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，及時(shí)進(jìn)行測(cè)量，避免大角度糾偏。

（5）將頂管經(jīng)過(guò)位置路面設(shè)置圍欄，避免車輛經(jīng)過(guò)或停留，橫穿馬路區(qū)域，在路面上放置鋼板，降低振動(dòng)，在不影響交通的前提下安全施工。

6.2 遇到地下管線等設(shè)施的保護(hù)與加固措施

本工程地下有給排水管，電力管線及電信管等縱橫交錯(cuò)管線穿過(guò)，進(jìn)行頂管施工之前需要探明各種地下管線，采取措施預(yù)先進(jìn)行處理，以便于頂管工具管通過(guò)。

（1）對(duì)于沿線地下管線，在施工前應(yīng)熟悉其具體位置及里程，實(shí)際施工時(shí)可能會(huì)發(fā)生地表沉降現(xiàn)象，所以施工到該位置時(shí)應(yīng)放慢頂進(jìn)速度，出現(xiàn)涌水流沙等會(huì)導(dǎo)致地表沉降的現(xiàn)象時(shí)，及時(shí)處理，以妥善保護(hù)沿線地下管線。

（2）遇到未知名的管線，應(yīng)及時(shí)通知相關(guān)單位，并采用管線探測(cè)儀進(jìn)行實(shí)地探測(cè)，對(duì)管線進(jìn)行遷移之后才能繼續(xù)頂進(jìn)。

（3）注漿加固管線：對(duì)穿越地下管道的位置提前進(jìn)行注漿，使地下管線周圍土體固結(jié)，避免因頂管擾動(dòng)引起管線下沉，損壞。

（4）減小頂管對(duì)土層的擾動(dòng)：一是向管道外壁注泥漿，減少混凝土管道與土層之間的摩擦振動(dòng)和達(dá)到泥漿支護(hù)土體的目的；二是掌握控制好頂管的軸線和高程偏差；頂管偏差越小越平順，對(duì)土層的振動(dòng)越小，反之就越大。

6.3 遇到地下障礙物的應(yīng)對(duì)措施

由于施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)和地理情況，土體中可能埋有殘留孤石、木樁基礎(chǔ)、廢棄混凝土基礎(chǔ)等，一旦施工時(shí)遇到這些地下障礙物，將影響到頂管施工。

（1）施工前應(yīng)先查明孤石、舊基礎(chǔ)情況，是否發(fā)生沖突，以便根據(jù)實(shí)際情況提前制定出相應(yīng)的處理措施。

（2）在施工中如果遇到孤石和廢棄混凝土舊基礎(chǔ)，采用風(fēng)鎬破除之后，繼續(xù)頂進(jìn)。如舊基礎(chǔ)中有鋼筋采用乙炔氣割掉。

6.4 通過(guò)不穩(wěn)定流沙的處理

①加密格柵網(wǎng)的布置；②不抽水，保持流沙的相對(duì)穩(wěn)定；③少出土、多頂進(jìn)；④在頂進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)該隨時(shí)注意工具管前端的土壓情況，盡量保證工具管前端土體不發(fā)生流沙流泥和坍塌。

6.5 管道整體不均勻沉降的預(yù)防措施

如果遇到地質(zhì)很差的地段，將可能出現(xiàn)管道不均勻沉降，這時(shí)必須在每段管道頂進(jìn)完成后，從泥漿注入孔注入填充料，增加管外壁土體密實(shí)度，防止管道出現(xiàn)不均勻沉降的現(xiàn)象。

7 結(jié)束語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)頂管技術(shù)地區(qū)差異明顯，水平參差不齊，整個(gè)行業(yè)的規(guī)范化程度仍存在不足，并且缺乏專業(yè)人才?，F(xiàn)有的管理與操作人員大多是從土木工程施工中轉(zhuǎn)化而來(lái)，缺乏專業(yè)知識(shí)，缺少專業(yè)訓(xùn)練。本文作者呼吁管理單位和從業(yè)人員加強(qiáng)管理，重視推廣先進(jìn)技術(shù)的工作，努力提高施工水平、改善施工工藝。