頂管技術在給排水工程中的應用

頂管施工技術是指在不開挖地表破壞路面的條件下鋪設各種地下公用設施的一種技術和方法。憑借其不影響交通、不破壞環(huán)境、施工周期短、綜合施工成本低等優(yōu)點，被廣泛應用于市政工程。本文結合許昌某污水管道工程對于頂管技術的應用，對目前給排水工程中頂管技術作出了相應的闡述分析，僅供同行參考。

近年來，我國的城市建設不斷發(fā)展與擴大，城市高層建筑和基礎設施的也在不斷興建，地下工程的建設和應用日益廣泛，在一些不允許開挖施工的路段，采用頂管技術是一種比較理想的施工工藝，它是地下管線施工中穿越障礙時常用的一種施工技術。

工程概況

許昌市某道路污水管道工程總長約2.5公里，路幅寬度36m。道路下管線分別為D300～D1200 污水管，路北側埋設一根D1200 污水管。其中一段約486m 長緊貼路側有大量房屋，管道埋深約為5.7～6.9m，路面下埋有雨水、電纜其它管線。管道底穿越3-1 層粉質粘土層和4-1 層粉土。根據(jù)土質等情況提出該段采用長距離頂管一次頂進補位的方案。

開槽埋管和頂管的比選

1.開槽埋管

從地質情況分析： D1200 鋼筋混凝土管自重較大，管道位于3- 1 層或4- 1層埋深在5.0～6.0m，管基不易采用原狀土基礎，須采用鋼性基礎底板。考慮到地下水位較高，為保證基槽大開挖，既要考慮多種降水方式，又要考慮基槽正常圍護，開槽施工時上部土層為粉質粘土層和粉土層，需要采取井點降水以防止地面發(fā)生沉降情況，這樣增加了施工成本。

2.從管道地基設計方面分析： 開槽后須采用有效的管道基礎。先鋪設碎石層，加強地基承載力，再做砼底板基礎，實施砂石塢管，由于施工中無法避免擾動地基，仍無法有效減少管道實際沉降。而頂管方法由于管與土同體積置換效應和土拱效應，則可在較大程度上減少管道沉降。

3.以施工工期分析： 在道路下開挖埋管施工，工期較長，開挖施工的土方堆放嚴重影響了交通環(huán)境，而且施工造成道路反復開挖，影響了道路的使用壽命，綜合考慮不符合城區(qū)管道施工要求； 而采用頂管施工工期較短，且場地整潔，道路不需要整體破壞，不影響交通環(huán)境。

最后從經(jīng)濟性分析計入降水措施、管道基礎、道路恢復、開挖土方量圍護費用造價，則在城區(qū)施工覆土深度較大的管道情況下采用頂管比開槽埋管經(jīng)濟。

頂管施工的計算與分析

1.頂推力計算

本工程頂進施工采用F- B 型鋼承口式Ⅲ級鋼筋混凝土管、楔形橡膠圈接口、多層膠合板襯墊。

（1）管外壁阻力W外=NμF=MF

式中W外--管外壁摩阻力；

N--每平方管子外表面上的法向力；

μ--外表面摩擦系數(shù)；

F--管子外表面面積；

M--每平方管子外表面的單位摩阻力

M=Nμ。

法向壓力： 管頂處為N頂=H有效γ；

管側1處為N側1=（H有效+D外/2）λ1γ；

管側2處為N側2=（H有效+D外/2）λ2γ；

管底處為N底=（H有效+D外）γ+G/D外。

式中，H有效為有效覆土高度。當機具頭的刃腳壓入土層時，在刃腳和后續(xù)頂管上將形成一個拱頂，這樣壓在管子上的就不是管頂上方的全部土體，而只是部分土拱。其拱高即為有效覆土高度H有效。H有效隨時間增大，直到達H最大為止。最大覆土高度數(shù)值取決于土層，管子外徑，總覆土高度H總，以及車荷震動等外部影響，而且與時間相關。前式中γ的取值：

當土拱整個位于地下水位下： γ水下=γ干-8

當土拱部分位于地下水位下： γ平均=（H水上γ水上+H水下γ水下）/（H水上+H水下）

當水平頂管時，把管頂、管側、管底法向力取算術平均值：

M=μ [γ平均（H有效+D外/2）（λ頂+λ側1+λ側2+λ底/4）+G/（4D外）]

式中，λ為主動或被動土壓力系數(shù)。頂管總長為L時，總管外壁摩阻力為：

W外總=MFL=NμFL

如設中繼間時，第一個中繼間的頂推力為：

P1=（D2外π/4）B+D外πL1M

式中，L1為機具頭到第一個中繼間的距離。

其后第二個中繼間的推力為： P2=D外πL2M

式中，L2 為第一個中繼間到第二個中繼間距離。

（2）頂管前壁阻力：W前=（D2外π/4）B

式中D外--機具頭外徑；

B--前壁單位面積阻力。

（3）合計頂推力：P=W外總+W前

通過頂力計算，在頂進168m 處（即56節(jié)管接口處）設一個中繼間，通過中繼間再將57m 管道（19 節(jié)管）頂入接收井。施工方法采用土壓平衡法頂進，采用4 個200t 千斤頂合計800t 極限頂力。實際施工中最大頂力約為700kN。

2.頂進工作坑計算

工作坑采用排水法沉井施工，兼作檢查井之用。在實際頂管過程中，通常不考慮側壁范圍內摩阻力和底部摩阻力。這是因為頂力反復作用下，造成空隙水壓力增大，有效應力降低，且井外壁空隙灌砂不實或土體未能完全固結E頂力偏心作用，使底部摩阻力有所減少。

P≤（Fp- Fa）/S

式中P--最大頂力值；

Fp--作用于后壁的被動土壓力；

Fa--作用于前壁的主動土壓力；

S--沉井穩(wěn)定系數(shù)，S=1.1～1.3，粉質粘土地基宜取1.2。

3.接收坑采用沉井法施工，并兼作檢查井之用。

4.鋼筋砼檢查井。作為中間連接支管的檢查井。在井位處，采用騎馬井工藝施工污水檢查井。

頂管施工要點

1.采用觸變泥漿，向管道外壁壓入一定量的減阻泥漿，在管道外圍形成一個泥漿套，減小管節(jié)外壁和土層間的摩阻力，從而減小頂進時的頂力，泥漿套形成的好壞，直接關系到減阻的效果。利用泥漿套的支承作用，減少粉質粘土坍塌，形成的地層流失，以控制地面沉降。對頂管機頭尾端的壓漿要緊隨管道頂進同步壓漿，在中繼間和中部管節(jié)處須跟蹤補漿，泥漿的實際用量要比理論用量大得多，一般可達到理論值的4～5 倍。通過以上壓漿措施，達到予期效果。

2.頂進中須嚴格按設計線路頂進，可利用削土刀盤上可伸縮的超提刀，結合千斤頂編組進行糾偏。經(jīng)常對頂進軸線進行測量，檢查頂進軸線是否和設計軸線相吻合。在正常情況下，每頂進一節(jié)混凝土管節(jié)測量一次，在出洞、糾偏、到達終點前，適當增加測量次數(shù)。施工時還要經(jīng)常對測量控制點進行復測，以保證測量的精度，通過及時糾偏，相鄰管間錯口<15%壁厚，且≯20，豎向偏差控制在+30～- 40mm 以內，水平偏差控制在±50mm以內。

3.洞口止水，頂管工程中，為使管子能順利從工作井內出洞，一般采取工作井預留洞口比管節(jié)外徑略大些（一般為100mm）的方式，頂進時此間隙需采取有效措施進行封閉，我們采用的洞口止水方法是在沉井制做時，預先在洞口預埋一個10mm 厚鋼法蘭，在鋼法蘭上焊接螺栓，安裝16mm 厚橡膠法蘭，用10mm 厚鋼壓板壓緊，在我們完成的頂管中，未發(fā)現(xiàn)地下水和泥砂流入工作井內，同時橡膠法蘭和壓板可以回收，效果很好。

4.進出洞是頂管施工中的一道重要工序，因為穿墻后掘進機方向的準確與否將會給以后管道的方向控制和井內管節(jié)的拼裝工作帶來影響。穿墻時，首先要防止井外的泥水大量涌入井內，嚴防塌方和流沙，本工程管道位于粉質粘土層較松散，在水位下呈流塑狀，則必須在管子頂進方向距離工作井邊一定范圍，對整個土體進行改良或加固，采用了井點降水措施，以提高這部分土體的強度，防止掘進機出洞時塌方。其次要使管道不偏離軸線，頂進方向要準確。

5.在建筑物密集處和路面上須作監(jiān)測布置，觀測地表變形和土體位移，有效避免房屋開裂和路面沉降。

6.頂進中遇障礙物后的頂進處理，成為困擾施工的難題，如突遇大量埋木、石塊及老河道駁坎等等，都需現(xiàn)場研究給出解決的技術措施。

結 語

總之，頂管施工相對于開槽埋管從社會效益與經(jīng)濟效益上來講更具有優(yōu)越性，能從根本上改變城市管網(wǎng)亂挖現(xiàn)象，另外考慮到保護環(huán)境，加大推廣頂管施工技術力度勢在必行。

（作者單位：許昌市建設工程質量監(jiān)督站）