市政給排水長距離頂管施工技術(shù)研究

(周口市市政管理處，河南 周口 466000)

1 頂管法的基本原理

頂管法施工時通過頂進(jìn)設(shè)備的主頂油缸等部件，從起始工作井將頂管掘進(jìn)機(jī)從土層內(nèi)穿過直至接收工作井，隨后依次頂進(jìn)連接其他管道，并埋設(shè)于起始工作井的管線土層內(nèi)的地下管道施工工藝。相比其他施工技術(shù)，頂管施工無需開挖路面，便可穿越公路、地上建筑物及各類地下管網(wǎng)等。作為一種綜合性較強(qiáng)的機(jī)械化施工技術(shù)，頂管施工具有顯著的適應(yīng)性，可根據(jù)土層組成、土質(zhì)條件、施工條件等具體情況，選擇與之相適應(yīng)的頂管設(shè)備及施工工藝。

同時，頂管施工還具有連續(xù)性及不可逆轉(zhuǎn)性。當(dāng)一項(xiàng)頂管工程開始施工后，便無法隨意暫停，若停工時間過長，將會大大增加頂進(jìn)失敗的幾率。在頂進(jìn)施工中，如果頂管機(jī)出現(xiàn)問題，需及時找出故障原因，并及時處理。

2 工程概況

某市政給排水工程施工周邊地層環(huán)境復(fù)雜，沿線管道較多，且存在大量障礙物。為盡可能減少對周圍環(huán)境及構(gòu)造物的影響，決定采用全線鋼頂管施工方案，頂管段為J42B井～J45井。結(jié)合工程施工現(xiàn)場情況，決定采用2根內(nèi)徑3.6 m的鋼管，27.1 km為單根總長度，7.2 m為2根管道的間隔距離。據(jù)地質(zhì)勘查結(jié)果顯示，沿線管道所處地基土主要由黏性土、粉性土和砂土等構(gòu)成，且以水平層理分布，具體分層情況如表1所示。

表1 地基土分層表

3 施工方案選擇

本工程所在管道沿線情況復(fù)雜，分布有大量民房、廠房，且地下管線縱橫交錯。原計劃搬遷其中2處頂管井所在位置的民房、廠房，然而，具體實(shí)施過程中困難重重，因此決定另選其他解決方案，根據(jù)工程建設(shè)實(shí)際情況，決定采用以下3種施工頂進(jìn)方案。

3.1 直線頂進(jìn)方案

實(shí)施直線頂管方案的根本目的是為了與樁基避開，管道覆土厚度為23 m，頂管穿越⑤2-1層黏土層，此土層屬于微承壓水層，若在此類土層內(nèi)穿越頂管施工難度較大。加之管道具有較大埋設(shè)深度，工作井和接收井頂管施工的開挖深度將超過29 m，且本管道沿線環(huán)境復(fù)雜，地下管線縱橫較差，需要加大保護(hù)力度，深基坑施工風(fēng)險很大，且成本高。

3.2 斜向?qū)臃桨?/h3>

由J45井和J42B井分別頂出管段之后，便可于地下對接。14 m為斜向?qū)臃桨腹艿栏餐梁穸龋敼軐⒋┰舰軐佑倌噘|(zhì)黏土層，且在頂管施工中此類土層施工效果最好。相比直線頂進(jìn)方案，此方案的工作井和接收井頂管施工開挖深度相對較小，僅為20 m，同樣深基坑施工風(fēng)險也相對較小，在可控范圍之內(nèi)，且成本較直線頂進(jìn)方案偏低。然而，該施工方案需加固對接點(diǎn)位置的土體，將大大增加施工范圍，并導(dǎo)致造價增高，基于本路段沿線環(huán)境復(fù)雜，加固困難重重，，因此，在土體加固施工中，此方案難度系數(shù)偏高，且成本較高。

3.3 曲線頂進(jìn)方案

根據(jù)現(xiàn)場施工特點(diǎn)，可由J45井頂進(jìn)一段直線段之后，可通過曲線頂管的方式和障礙物避開之后，進(jìn)入J42B井。曲線頂進(jìn)方案與斜向?qū)臃桨傅墓艿栏餐梁穸认嗤鶠?4 m，且同樣由④層淤泥質(zhì)黏土層頂管穿越，此層土層頂管施工最佳。20 m為頂管施工工作井和接收井的開挖深度，其深基坑風(fēng)險較小，屬于可控范圍。此外，與斜向?qū)邮┕は啾龋€頂管可與障礙物避開，根本不需要加固周圍土體，且對附近環(huán)境影響不大。

在充分考慮施工環(huán)境、施工難度、施工風(fēng)險等多種因素的前提下，決定采用第三種施工方案，曲線頂進(jìn)方案，即大口徑長距離的曲線鋼頂管施工工藝。

4 市政給排水長距離頂管施工關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)

4.1 曲率半徑和管節(jié)長度

因管道沿線地層情況復(fù)雜，且存在大量障礙物，為避開管位上的障礙物，結(jié)合工程實(shí)際情況，可設(shè)880 m為管線曲率半徑，170 m為管線弧長。據(jù)相關(guān)研究表明，中繼間布設(shè)的間距和允許轉(zhuǎn)角直接決定鋼管曲線頂管最小曲率半徑，因此，可按下式計算鋼管曲線頂管的最小曲率半徑。

Rmin≥L/2×sin(k×α/2)

其中，

最小曲率半徑可由Rmin表示；

系數(shù)可由k表示，一般為1°；

管道中繼間的間距可由L表示。

根據(jù)上式可以計算出，本工程鋼管曲線頂管的中繼間的間距8 m，可設(shè)40個中繼間。由于中繼間數(shù)量過大，將大幅增加成本，甚至?xí)黾邮┕るy度，若僅僅依靠中繼間來完成施工難度很大。為此，本工程決定選擇單元管曲線頂進(jìn)法進(jìn)行施工，其方法為：針對鋼管按一定長度進(jìn)行分節(jié)處理，且采用活絡(luò)接頭作為鋼管管節(jié)之間的處理，接頭處采用專用設(shè)計，為形成曲線，接頭處應(yīng)滿足偏轉(zhuǎn)角需求。此外，可將若干個糾偏油缸設(shè)于管節(jié)接頭位置，在特殊情況下，適當(dāng)調(diào)整管節(jié)的偏轉(zhuǎn)角。施工過程中，可將橡膠圈設(shè)于管節(jié)之間進(jìn)行密封處理，該設(shè)置主要充當(dāng)臨時止水作用，待完成曲線頂管施工之后，可在管內(nèi)焊接管節(jié)，從而連成一個整體，保證施工正常開展。

確定曲線頂管管節(jié)長度時，需考慮很多因素，如管線的弧長、鋼板規(guī)格等，若管節(jié)太短，雖有利于形成曲線，但在頂進(jìn)施工中極易產(chǎn)生偏差，甚至?xí)蠓黾雍笃诤附友a(bǔ)強(qiáng)的工作量。若管節(jié)太長，雖減小了后期焊接工作量，但很難形成曲線，甚至在不均勻頂力作用下，出現(xiàn)管節(jié)失穩(wěn)情況。根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，2 m、2.2 m、2.5 m為常用的鋼板規(guī)格，為保證施工質(zhì)量，決定在此基礎(chǔ)上確定鋼管曲線頂管施工管節(jié)的長度。經(jīng)對比分析，決定以5 m為曲線頂管的管節(jié)長度。

4.2 管節(jié)接頭處理

由于本工程選擇薄壁鋼管結(jié)構(gòu)，為增強(qiáng)接頭位置環(huán)向剛度，需將加勁板設(shè)于鋼管管節(jié)接頭2端，以此進(jìn)行接頭位置徑向變形控制。在不均勻頂力作用下，鋼管極易產(chǎn)生變形、失穩(wěn)問題，可沿整個管道一周在管節(jié)接頭兩端進(jìn)行加勁圓環(huán)設(shè)置，并將臨時木墊片設(shè)于2個圓環(huán)之間，厚度為20 mm。

在頂管施工中，可將天然橡膠圈設(shè)于管節(jié)接頭處，起到臨時止水作用，避免滲漏。同時，要盡可能減小接頭處前后管節(jié)之間的空隙，從而達(dá)到管節(jié)間插入施工要求。根據(jù)施工要求，可在12000 kN控制曲線頂管最大允許頂力標(biāo)準(zhǔn)值。待結(jié)束頂管施工之后，需及時去除加勁板、加勁圓環(huán)，從而達(dá)到過水?dāng)嗝娴男枨蟆２⒉捎煤缚p的方式對2節(jié)管節(jié)進(jìn)行連接，且在2級以上控制焊縫質(zhì)量。

4.3 線型布設(shè)

根據(jù)工程實(shí)際情況，本工程共選用2根鋼管，以直線+曲線的方式進(jìn)行線型布設(shè)，其中曲線段I號管和II號管的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 曲線段I、II號管主要技術(shù)指標(biāo)

此外，在直線段上，可將中繼間布設(shè)于各條管線內(nèi)，共2個；曲線段上，無需設(shè)置中繼間，可將糾偏油缸設(shè)于2節(jié)管節(jié)之間，共3只。

4.4 頂進(jìn)施工

待完成各項(xiàng)準(zhǔn)備工作之后，便可按照設(shè)計要求，正常頂進(jìn)施工。開始頂進(jìn)時，便可開啟各項(xiàng)操作工作，如總電源開關(guān)、主油泵、渣漿泵等，在此過程需對泥漿輸送機(jī)和主頂千斤頂?shù)乃俣冗M(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，保證滿足頂進(jìn)施工要求。待其進(jìn)入平衡狀態(tài)后，便可開啟壓漿系統(tǒng)，在整個頂進(jìn)施工環(huán)節(jié)，要實(shí)時查看掘進(jìn)機(jī)的狀態(tài)與施工趨勢，隨時微調(diào)千斤頂，避免偏差，做好機(jī)頭方向控制。

5 結(jié)語

伴隨城市的不斷擴(kuò)張，地下管網(wǎng)、管線系統(tǒng)也愈加復(fù)雜。市政給排水工程是一項(xiàng)與居民生活息息相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施，如何提高工程質(zhì)量成為了關(guān)鍵。頂管施工作為一種非開挖技術(shù)，無需開挖便可穿越地面建筑物、公路、各種地下管線。為此，在市政給排水工程施工中，必須重視頂管施工技術(shù)的應(yīng)用，提高施工技術(shù)水平，規(guī)范施工工藝，全面提升工程建設(shè)質(zhì)量。