頂管工程施工技術

任恒學

摘要：本文通過對合肥市包河大道高架工程一標段污水頂管施工技術進行討論，對施工時頂進方案選擇、頂力計算、后背計算、設備安裝等幾部分技術要點做了詳細的解析。

關鍵詞：包河大道高架；頂管技術；施工；技術措施

1.工程概況

合肥市包河大道高架工程第一標段位于合肥市包河區內，主線起點位于繁華大道以北約160米處，終點在花園大道以北約50米處順接現有包河大道地面系統，全長2.549km，紅線寬80米，頂管總長906米，管道最深埋深10米，都為污水管道。該區間污水管道全部采用頂管進行施工。

管道施工采用頂管施工，頂管工作坑采用磚砌倒掛井法施工。頂管施工管材采用Ⅲ級鋼承插口鋼筋混凝土排水管（即“F”型），管道接口承插接口。

2.工程地質及水系特征

2.1工程地質

根據現場地質調查，及設計院高架橋勘察資料，本標段土分布自上而下分為：

①1層路面結構層：灰色、雜色、灰黃色等色，表層0.18～0.25m為堅硬砼或瀝青，0.25～0.8m為中密狀態碎石、粉煤灰墊層主要分布在道路沿線表層。

①2層填筑土：灰黃、灰色，松散～稍密狀態，主要由軟塑～可塑狀態的粘土、粉質粘土組成，僅在局部地段分布。

①3層填筑土：黃褐、灰褐、灰黃等色，主要為硬塑狀態的粘土、粉質粘土，含石灰，磚塊、碎石等。

②層耕植土：灰、灰褐、褐灰等色，分布于田地表層，干旱天氣呈干松狀態，雨天呈松軟稀糊狀態，厚度0.5m左右，局部樹林分布區段該層厚度一般0.8m左右。

③層高液限粘土：黃、灰黃色，可塑～硬塑狀態，局部夾低液限粘土薄層，含鐵錳結核、灰白色高嶺土條帶，網狀裂隙發育，裂隙面光滑如鏡，具油脂光澤，無搖振反映，屬合肥地區典型的膨脹土，分布于整個場地。屬弱-中等膨脹土。

2.2水系特征

勘察期間未見穩定的地下水水位，地下水類型主要為上層滯水，主要為大氣降水補給，地下水位隨季節而變化。

3.分部分項施工方案

3.1工作井施工方案

1、施工方法

管網施工采用“圈井”法施工頂管工作井，圈井一般為圓形，工作井井內徑4500mm，砌筑井身施工順序為：基坑開挖——砌筑上部井身——對稱向下掏挖、砌筑(圈梁澆注)——澆注后靠背及底板——安裝導軌——頂管施工。

2、施工工況分析

圈井施工：基坑開挖定位后，根據土質情況及施工條件，開挖2～3m，找平。基坑找平后，用M7.5砂、MU10號磚37墻筑上部井身。工作井井口高出地面15-20cm。井口周圍使用混凝土硬化，防止雨水進入或者滾入工作井。上面并且用鋼管圍擋，圍上安全網。上部井身強度達到70％設計強度后，人工往下開挖。挖土時，先挖井中心土，每次向下挖0.5m左右，然后對稱掏挖井壁下的土，每次掏挖寬度不大于0.6m，深度不大于0.5m。掏挖后，立即用M7.5砂漿砌MU10號磚砌筑掏挖部分的井身。依上述順序循環向下掏挖，砌筑，直至設計標高。掏挖到設計標高后，井底用C15素混凝土封底。在工作井深4m處設置一道350*370鋼筋砼圈梁，超過4m后，井深每2m設置圈梁一道。混凝土圈梁應設置在后背墻上方，其他根據頂管的埋深不同來確定圈梁的具體位置，施工圈井時，注意砌體應邊角整齊、圓面平順，灰漿飽滿，不得留有通縫。根據本次施工情況，對圈井施工過程及施工完成后進行結構強度檢算，檢算時，不考慮工作井設置的圈梁的安全儲備。根據本工程的情況，工作井深度取最大深度10m進行檢算。

圖1 平面施工順序示意圖

3、計算分析

根據地質資料的顯示取γ=18KN/m3,內摩擦角φ=18°，地面以下4.5米有水。

最深段的總壓力為：

P=γhtan2（45°-φ/2）+（γ-γ水）（H-h）tan2（45°-φ/2）+（H1-h）γ水

P=18×4.5×0.527+（18-10）×（12.5-4.5）×0.527+（10-4.5）×10

=131.415KN/m2

P取1.3倍的安全系數，故p取172KN/m2=0.172N/mm2

磚砌倒掛井的外徑5.24m，墻壁采用M10水泥砂漿，MU10燒結普通磚砌筑，厚度暫定370mm，用30mm厚的M10水泥砂漿填實磚于土壁間空隙。

磚砌護壁承受的環向應力

σn=PD/2t=0.172×5.24/2×370=1.22N/mm2＜f=1.89N/mm2

磚砌護壁承受的徑向應力

σa=P/2=0.172/2=0.086 N/mm2＜fv=0.17N/mm2

由驗算可知σn、σa分別小于f和fv，故磚砌護壁滿足要求。

考慮到目前磚的質量，與砌筑時的質量，會有所下降，故磚砌倒掛井上面4m采用370mm墻，以下采用370mm墻，2米設置一道C30混凝土圈梁，圈梁厚度300mm，內部設置4根和6根直徑12的鋼筋，及直徑8mm的200mm間距的箍筋。具體見圖示。

圖2 結構示意圖

計算結果顯示，在綜合考慮水、土壓力作用下，工作井采用M10砂漿砌MU10號磚37墻，強度和剛度均能夠滿足強度要求，砌體墻身最大壓應力并且該計算結果未考慮井底鋼筋砼圈梁加強作用，全部作為安全儲備，可確保施工安全。考慮地下水位較高，在施工時根據地下水量設置泄水管。

出土采用卷揚機架設在井口上方，但不得直接放在工作井壁上，固定好不得移動，用鋼絲繩捆綁架子車然后出土，出土時人員暫停施工，不得站在小推車的正下方。

3.2頂管施工方案及技術措施

1、管道頂進方案的選擇及頂進單元長度的確定

頂管方案選定：根據施工圖設計，本標段管道直徑為D1000及D800，管道穿越土質多為粘土土層，地下水為地表徑流水，根據以上特點設計采取手掘敞開式頂進方案。

頂進單元長度的確定：根據施工現場實際情況及施工平面圖設計，每一個設計單元井室距離設定為一個管道單元頂進長度。管道最大單元頂進長度為75m。

2、頂力計算

手掘敞開式頂進施工方案的頂力按下面方式計算：

根據施工方案的選擇，管道采取手掘敞開式頂進施工方案，管道最大頂距為75米，管道的最大頂力可按下式計算：

F=F1+F2

F為最大總頂力kN，F1為迎面阻力，F2為頂進阻力；

F1=1/4×D2×P（D為管外徑，P為控制土壓力）由于采用手掘敞開式頂進，故F1=0；

F2=D×f×L（式中f為管外表面平均綜合摩阻力，按最不利取值0.8/m2）；

D為管外徑1.2m，L為頂距取最大距離75m；

F2=3.14×1.2×0.8×75=226.08t

考慮非正連續頂進，226.08×1.5=339.12t；采用一臺頂力為400t千斤頂滿足要求。

3、后背計算

后背不允許出現上下或左右的不均勻壓縮。否則，千斤頂在余面后背上，造成頂進偏差。為了保證頂進質量和施工安全，施工時應注意后背的強度和剛度計算。

圖3 靠背受力分析圖

后靠背受力計算公式：

式中：

R-總推力之反力（一般大于推力的1.2－1.6）；

a-系數（取1.5－2.5之間），此處取2；

B-后座墻的寬度（m），此處取2米；

γ-土的容重（KN/ m3)，18KN/ m3；

H-后座墻的高度(m)，此處取2米；

Kp-被動土壓系數 ，此處取1.48；

c-土的內聚力（kPa) 一般情況下取10；

h-地面到后座墻頂部土體的高度（M），此處取8米。

按上式計算，圓形工作井后靠背能承受頂力：

R=2×2×(1.8×2.0×1.48/2+2×10×8×1.480.5+1.8×8×2×1.48)=959 T＞1.6倍實際頂力226.08T 。完全能滿足要求。

千斤頂支撐在厚為5cm的鋼板上，鋼板后緊貼截面尺寸為2 *2*0.4m的C30砼。鋼板、砼自身所能承受的壓力均遠大于頂力。故后背滿足要求。

4、頂管的工藝流程及進出洞措施

（1）頂管施工工藝流程為:

安裝導軌→設置后背→安裝設備(千斤頂組合)→工作井出洞→掘進挖土→接管→頂進→出土→運土→測量→糾偏→接受井進洞→竣工測量→收尾。

（2）工作井管道出洞

出洞前的準備：（1）在甲方指定的臨時工作區域內，合理布置施工場地，安排好出土運輸、起重機、水泵等位置。管節堆放處應事先清理平整，管節堆碼應排列整齊，在堆放管節時須用專用吊具，吊放動作應平穩，就位后立即用三角木墊穩。（2）每批管節到工地后，應會同工程師或其代表逐節檢查管節質量。對質量有問題的管節做好標記，通知工程師及廠方，及時采取修補、更換措施。（3）在出洞前應通電試車正常，復核導軌位置尺寸。（4）為防止工作井出洞口處的既有管道損壞，必須對工作井出洞口進行加固，洞口土體縫隙填滿，保持不坍塌的情況下順利推進。

頂進：（1）測量：水平、高程的偏差均通過激光經緯儀測定，儀器應固定在工作井的底板上，坐標中心在軸線上。頂進時激光經緯儀常開啟，操作人員通過測量數據及頂進的長度分析念頭發展趨勢，確定應采取的糾偏方法。激光經緯儀必須按規定的頂進長度或測量時間進行水平、高程的方向校正。（2）糾偏：可采用“校正”、“恢復”兩種方式 。“校正”方式是根據管道與設計中心線之間夾角大小，確定需要采取的糾偏措施。恢復是管道前端趨勢恢復后要保持恢復狀態。

4總結

經過多年的發展，頂管技術在我國已得到大量地實際工程應用，且保持著高速的增長勢頭，無論在技術上、頂管設備還是施工工藝上取得了很大的進步，在某些方面甚至達到了世界領先水平。本文通過對包河大道高架工程頂管施工技術的討論，為頂管施工方法提供了一定的實踐參考。

參考文獻

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