劉志發(fā)

（中交第四航務(wù)工程局有限公司，廣州 510000）

1 引言

頂管施工技術(shù)由于其工程造價(jià)低、施工便捷、對(duì)施工周圍影響范圍小等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于各類管道鋪設(shè)工程中。與傳統(tǒng)開挖式管道鋪設(shè)技術(shù)相比，頂管技術(shù)在不用大面積開挖地面、不破壞地上建筑物的基礎(chǔ)上就可以進(jìn)行管道鋪設(shè)，大大提升了施工速度，降低了對(duì)地上附著物的破壞程度。因此，加強(qiáng)對(duì)頂管施工技術(shù)的研究具有十分重要的意義。

2 工程概況

某采用機(jī)械頂管施工工藝的雨水管道建設(shè)工程，頂管施工區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)組成為：第四系沉積物中更新統(tǒng)和下更新統(tǒng)都是沖洪積底層，中更新統(tǒng)呈黃土狀，下更新統(tǒng)呈黏土和砂石狀。頂管施工范圍整體處在黏土地質(zhì)結(jié)構(gòu)處，不受地下水的影響，地上為略帶斜坡的平原區(qū)。雨水管道與城市主干道垂直交叉，采用外徑為φ1 400 mm～φ1 422 mm 的單排鋼筋混凝土管進(jìn)行頂管穿越城市主干道，頂管總長度為72.5 m，管道鋪設(shè)施工深度7.05 m。

3 路基工作區(qū)的影響

該雨水管道鋪設(shè)施工中，由于采用的是頂管施工技術(shù)，要保證正常的交通運(yùn)行，所以事先設(shè)計(jì)的鋪設(shè)雨水管道的施工范圍與公路路基要保持一定距離，同時(shí)路基工作區(qū)域范圍內(nèi)的路基強(qiáng)度和穩(wěn)定性是保證正常施工最重要的影響因素。路基工作區(qū)應(yīng)力作用如圖1 所示，計(jì)算過程為：

圖1 路基工作區(qū)應(yīng)力作用示意圖

式（1）、式（2）中，σB為路基土本身重量在路基內(nèi)深度Z 處引起的應(yīng)力；γ 為土重度；Z 為路基深度；σZ為車輛荷載引起的附加應(yīng)力；P 為輪重；K 為路基反應(yīng)模量；r 為頂管水平距離。

當(dāng)r=0 時(shí)，附加應(yīng)力σZ最大，計(jì)算公式為：

當(dāng)頂管處于路基某一固定深度時(shí)，車輛荷載引起的附加應(yīng)力σZ與路基自重引起的應(yīng)力σB相比較而言，車輛荷載引起的附加應(yīng)力約是路基自重引起的應(yīng)力的0.1～0.2 倍，只占相當(dāng)小的比重。這時(shí)的車輛荷載附加力對(duì)下部路基的影響幾乎可以忽略不計(jì)。將該深度Z 范圍內(nèi)的路基稱為路基工作區(qū)，則有式（4）：

因此，可以計(jì)算得出路基工作區(qū)深度Za的計(jì)算式為：

式（4）、式（5）中，P 為輪重；γ 為土重度；n 為路基應(yīng)力系數(shù)，取n=5～10；K 為路基自應(yīng)模量，取值0.5。

當(dāng)將行駛車輛的輪重按照550 kN 進(jìn)行測算時(shí)，計(jì)算的其他相關(guān)參數(shù)是：單側(cè)后輪荷載P1、P2取140 kN；后輪輪距b=2.5 m；M、N 為P1受力點(diǎn)，M1、N1為P2受力點(diǎn)，土體的重度γ=11 kN／m3。表1 為車輛荷載作用下頂管覆土厚度計(jì)算結(jié)果。

表1 車輛荷載作用下管頂覆土厚度計(jì)算結(jié)果

由表1 可知，位于路基2.68 m 深度以下的范圍已超出路基工作區(qū)，因此，該工程中雨水管道鋪設(shè)施工深度7.05 m 已不在路基工作區(qū)范圍內(nèi)，符合施工設(shè)計(jì)要求[1]。

4 沉降分析

假設(shè)在工程施工過程中，土體的體積不發(fā)生改變，不發(fā)生排水的情況，當(dāng)土體損失的部分等于沉降槽的體積時(shí)，按照Peck 理論計(jì)算地面橫向沉降的公式為：

式（6）、式（7）中，S（y）為y 處地面沉降量，mm；y 為地面與頂管軸線的橫向水平距離，mm；Smax為頂管軸線上方的最大地面沉降量，mm；Vloss為頂管單位長度的土體損失量，m3/m，Vloss=πR2η；其中，η 為土體損失率，R 為掘進(jìn)機(jī)外半徑，R=1.08m；i 為地面沉降槽寬度系數(shù)，即沉降槽曲線拐點(diǎn)與頂管軸線的水平距離，m。當(dāng)η=0.02 時(shí)，則地面沉降槽的寬度系數(shù)計(jì)算過程如下：

式中，h 為頂管軸線至路面的距離，m；n 為冪函數(shù)指數(shù)，取n=1。

以此，可以計(jì)算得知最大地面沉降量Smax=0.007 147 m，由計(jì)算結(jié)果可知，頂管軸線上方的地面最大沉降量幾乎不向兩側(cè)沉降，完全符合施工設(shè)計(jì)要求[2]。

5 施工技術(shù)

5.1 頂管施工的前期準(zhǔn)備工作

在進(jìn)行具體頂管技術(shù)施工前，為了確保整體工程的施工進(jìn)度和質(zhì)量，需要在施工現(xiàn)場提前設(shè)置施工設(shè)備，提前將頂管機(jī)、發(fā)射架、反力架設(shè)置在施工井的內(nèi)側(cè)，同時(shí)要提前準(zhǔn)備好水泵、全站儀、電焊機(jī)、激光校準(zhǔn)儀等一些輔助設(shè)備，在人力施工困難的部位提供有效幫助，保證工程的順利實(shí)施。

5.2 工作井設(shè)計(jì)及施工

該工作井的尺寸參數(shù)為：長7 m，寬4 m，護(hù)臂為0.4 m 厚的鋼筋混凝土，底板是0.5 m 厚的鋼筋混凝土。采用沉井施工工藝，先在沉井周圍設(shè)置水泥攪拌樁止水帷幕的方式，沉井分節(jié)下沉，在施工人員人工開挖的過程中，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行封閉作業(yè)，以此來保證工作井的牢固性。在工作井外側(cè)設(shè)置的水泥攪拌樁，樁徑為0.5 m，采用普通32.5 硅酸鹽水泥按照1∶2.2～1∶2的水灰比配置澆筑而成[3]。

5.3 后背墻

該工程中的后背墻是在工作井內(nèi)墻的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行加寬處理。后背墻的施工高度為2.76 m，厚度為30 cm，同時(shí)要在后背墻上鋪設(shè)鋼板作為鋪墊。在后背墻施工過程中要保證后背墻面始終與雨水管道處于垂直狀態(tài)，垂直角度的誤差率＜0.001，水平扭轉(zhuǎn)度＜0.001。

5.4 工作井導(dǎo)軌安裝

該工程中導(dǎo)管是由標(biāo)號(hào)為120 的工字鋼與標(biāo)號(hào)為20 的槽鋼焊接而成的雙排導(dǎo)軌，安裝導(dǎo)軌時(shí)一定要注意保證雨水管道中心線和坡度的設(shè)計(jì)要求，從而來保證雨水管道的極端可以順利頂進(jìn)，安裝導(dǎo)管過程中要隨時(shí)用測量儀器進(jìn)行檢測，要確保軸線位置誤差率＜3 mm。

5.5 千斤頂安裝

該工程使用的3 臺(tái)千斤頂為ZB-50 型、重200 t 的高壓電動(dòng)油泵，要將3 臺(tái)千斤頂?shù)倪M(jìn)油管并聯(lián)在一起，并聯(lián)時(shí)保證油管的順直，盡量減少拐彎，同時(shí)要保證各千斤頂活塞的出力和行程是一致的。將千斤頂安裝固定在支架上時(shí)，要保證千斤頂?shù)淖饔昧εc雨水管道的垂直度。

5.6 頂鐵的安裝

頂鐵按照功能性狀可分為環(huán)形頂鐵和U 形頂鐵，其主要工作原理是：在頂進(jìn)管道后，布設(shè)在千斤頂和雨水管道兩端之間的傳力構(gòu)件，通過該構(gòu)件可以將千斤頂?shù)木C合作用力均勻地作用在頂管端部，進(jìn)而起到調(diào)節(jié)千斤頂和管端距離的作用。在對(duì)頂鐵進(jìn)行安裝時(shí)，一定要將頂鐵、導(dǎo)軌等相互接觸的截面清理干凈，以免發(fā)生因接觸不良而引起滑動(dòng)。將頂鐵安裝完成后，要在頂鐵和雨水管道之間襯墊膠合板，從而使雨水管兩端均勻地受力。同時(shí)在安裝過程中，要保證頂鐵中心線、管道中心線、千斤頂中心線三線處于平行狀態(tài)，以免發(fā)生頂力偏離重心。

5.7 頂進(jìn)施工

5.7.1 正常頂進(jìn)施工

在雨水管道進(jìn)行頂進(jìn)施工前，一定要事先對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行檢修，確保可以正常施工。正式開始頂進(jìn)作業(yè)過程中，要按照一邊擠壓泥漿一邊頂進(jìn)，不壓泥漿不進(jìn)行頂進(jìn)作業(yè)的原則，對(duì)鑿好孔的雨水管頂入土層，在雨水管頂進(jìn)過程中，一定要做好測量檢測工作，具體測量頻率要求是：初次頂入土層時(shí)，每頂進(jìn)30 cm，測量次數(shù)≥1 次；當(dāng)雨水管全部進(jìn)入土層后，每頂進(jìn)1 m，測量次數(shù)≥1 次。

5.7.2 測量與糾偏

在進(jìn)行頂進(jìn)作業(yè)時(shí)，要采用全站儀來對(duì)頂進(jìn)施工進(jìn)行測量并隨時(shí)糾正偏差，具體頂進(jìn)施工作業(yè)中還應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

1）根據(jù)施工設(shè)計(jì)要求，沿著雨水管的頂進(jìn)線路設(shè)置水準(zhǔn)線路，并布設(shè)水準(zhǔn)點(diǎn)和導(dǎo)線點(diǎn)，同時(shí)要按照設(shè)計(jì)圖紙標(biāo)注出工作井的位置和深度，便于工作井的具體開挖作業(yè)。還要標(biāo)記出開始工作井和結(jié)束工作井的中心點(diǎn)，并在標(biāo)記的工作進(jìn)邊緣搭設(shè)好支架，準(zhǔn)備好焊接工具。

2）將投點(diǎn)的位置作為導(dǎo)線點(diǎn)，依照順序逐一開展兩個(gè)井之間的導(dǎo)線數(shù)據(jù)值，也就是我們常說的貫通導(dǎo)線值，與此同時(shí)需將兩個(gè)井的各自投點(diǎn)做聯(lián)測處理，在基礎(chǔ)條件充足的情況下，可直接將投點(diǎn)布設(shè)為導(dǎo)線點(diǎn)，確保該投點(diǎn)的數(shù)值精確，同時(shí)做好牢固標(biāo)志的設(shè)立工作，便于后續(xù)的二次測量。坐標(biāo)點(diǎn)設(shè)立可參考貫通導(dǎo)線和井口的實(shí)際投點(diǎn)數(shù)值，井下投設(shè)方向也一并做好設(shè)立點(diǎn)，加設(shè)水準(zhǔn)點(diǎn)以做臨時(shí)測試使用。

3）控制觀測臺(tái)的搭建與設(shè)立尤為關(guān)鍵，其中對(duì)于儀器的基座要加做強(qiáng)化配置，且兼具調(diào)整的靈活性，并以中線作為數(shù)值偏差的衡量標(biāo)準(zhǔn)，直至儀器橫軸完全處于中線的位置上。

根據(jù)本工程的實(shí)際情況，放置在頂管機(jī)設(shè)備中的測量靶網(wǎng)格尺寸嚴(yán)格控制在10 mm，以測量靶發(fā)射出的激光點(diǎn)方向控制頂管設(shè)備的傾斜率，并配以調(diào)整好的千斤頂，以改變頂管機(jī)在推進(jìn)時(shí)的前進(jìn)方向，達(dá)到頂進(jìn)方向嚴(yán)格控制的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果。頂進(jìn)過程中，要隨時(shí)以觀測臺(tái)上的激光經(jīng)緯儀發(fā)出的激光束作為管道的中心數(shù)為參考，確保實(shí)際作業(yè)時(shí)的頂進(jìn)數(shù)值與設(shè)計(jì)坡度完全吻合，遇偏差情況要及時(shí)利用設(shè)備進(jìn)行糾偏處理，即借助偏離信號(hào)+視頻傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行頂進(jìn)方向的調(diào)整，確保前進(jìn)放線與激光線保持一致。頂進(jìn)距離在5～10 m 時(shí)，需參考以下偏差值作為允許范圍：（1）軸線距離：50 mm；（2）高程距離：30 mm。

工具頭前方有糾偏節(jié)，技術(shù)人員需隨時(shí)觀察位于糾偏節(jié)中的千斤頂設(shè)備，確保其在頂進(jìn)作業(yè)期間處于正確的前進(jìn)方向，且對(duì)工具頭加以控制，便于保證頂進(jìn)方向的正確性。偏差＞10mm時(shí)，需立刻采取糾偏的方式予以處理。

6 結(jié)語

頂管作業(yè)期間，土壓平衡工藝的無須開槽、對(duì)路面破壞程度小、工期短且對(duì)周邊既有建筑物和道路干擾小等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于市政管道的鋪設(shè)工程中。本文以某管道工程為案例背景，對(duì)土壓平衡頂管在下穿城市主干道的施工作業(yè)展開詳細(xì)的論述和分析，在提升本工程質(zhì)量的同時(shí)，對(duì)類似工程也有一定的指導(dǎo)和借鑒作用。