頂管施工技術(shù)在八鋼污水提標(biāo)改造工程中的應(yīng)用研究

袁志偉

(新疆頭屯河流域管理局水利管理中心，新疆 昌吉 831100)

1 工程概況

八鋼生活污水處理廠位于烏魯木齊市頭屯河區(qū)頭屯河?xùn)|岸，設(shè)計(jì)處理能力為日處理污水2.5萬m3，服務(wù)范圍為八鋼生活居住及配套區(qū)域。該廠于2010年11月正式投入運(yùn)行，處理后的污水水質(zhì)可達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB 18918—2002中的一級B標(biāo)準(zhǔn)，主要用于八鋼區(qū)域內(nèi)的農(nóng)田灌溉和綠化用水，緩解了頭屯河區(qū)水資源短缺矛盾。近年來隨著城市快速發(fā)展和人口迅速增長，城市污水排放量逐年增加，同時(shí)環(huán)保要求也日益提高，八鋼污水處理廠現(xiàn)有的處理水平已經(jīng)無法滿足當(dāng)前環(huán)境下的排放標(biāo)準(zhǔn)，急需對該廠進(jìn)行提標(biāo)改造。頂管施工技術(shù)作為一種非開挖施工技術(shù)手段在管道工程中具有明顯的優(yōu)勢[1]，因此被應(yīng)用于該污水處理廠提標(biāo)改造工程中。

該頂管工程共有三道，分別為：1#位于廠區(qū)外回用水管道工程終點(diǎn)，接廠區(qū)內(nèi)設(shè)計(jì)回用水管道，與廠區(qū)圍墻夾角為90°，與接管夾角為149°，頂管總長為22 m。頂管原地面高程為869.344 m，設(shè)計(jì)管中高程為865.512 m，頂管覆土為3.832 m，覆土大于3 m。2#位于濱河公園內(nèi)，穿越東干區(qū)，與東干渠頂進(jìn)夾角為101°，頂管全長40 m。頂管原地面高程為820.909 m，設(shè)計(jì)管中高程為816.290 m，頂管距原地面4.619 m，東干渠渠深1.500 m。管頂覆土為3.119 m，大于1.5倍管徑。3#穿越元川路，該公路為三級公路，平面線形為直線，縱坡為1%，雙向兩車道，穿越路段路幅寬22 m，頂管穿越總長38 m。頂管原地面高程為789.547 m，設(shè)計(jì)管中高程為785.785 m，管頂距離路面3.762 m。三道頂管總長共100 m，頂管都采用DN1000鋼筋混凝土套管，壁厚10 mm。

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)本次勘察成果，擬建場地土層主要為雜填土和角礫，其特征分別為：①雜填土：厚度0.7～3.8 m，松散—稍密。②角礫(卵石)(Q4al+pl)：灰褐色，中密狀，呈層狀分布于擬建管線場地，僅于沿線控制性勘探孔及兩處穿越段揭穿，已揭層厚0.7～9.0 m。以硬質(zhì)巖碎屑為骨架，粒徑為2～45 mm，磨圓差，呈棱角-次棱角狀；充填物以砂礫為主，含少量粉細(xì)粒及黏粒，級配良好。土石等級為Ⅲ級。

勘探深度范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)地下水，可不考慮地下水的影響。查閱資料顯示，場地區(qū)域內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)凍土深度為0.58 m，管道埋深遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大標(biāo)準(zhǔn)凍土深度。

3 頂管施工

3.1 工作坑設(shè)計(jì)

根據(jù)場地實(shí)際情況和地質(zhì)條件，工作坑地基設(shè)計(jì)分兩階，第一階豎向高度為2 m，平面凈尺寸為8 m×8 m×2 m，按1∶0.5放坡。開挖完成后做1.5 m寬緩沖平臺，然后開挖第二階，開挖深度2.9 m，其放坡比也設(shè)置為1∶0.5，二層工作井平面凈尺寸為4.6 m×3.6 m×2.9 m。開挖全部完成后進(jìn)行鋼筋混凝土護(hù)壁，現(xiàn)澆C30混凝土，鋼筋采用直徑12 mm螺紋鋼，間距150 mm，雙層雙向鋼筋網(wǎng)片。工作井周圍設(shè)置30 cm排水溝引至集水坑。

由于混凝土管自重較大，摩擦力也相應(yīng)較大，導(dǎo)軌基礎(chǔ)采用底板基礎(chǔ)上預(yù)埋鋼板，與鋼軌焊為一體。后背采用組合鋼結(jié)構(gòu)，安裝方便，鋼制后背緊貼工作井后座墻壁，用混凝土灌縫。

3.2 施工方法

(1)測量放線。工作坑開挖完成后，將之前在地面上放出的中線控制樁引至工作井內(nèi)，此中線為頂管的測量基線；控制樁樁點(diǎn)位于頂管的中心點(diǎn)處，其當(dāng)作測量頂管高程的水準(zhǔn)點(diǎn)。

(2)管道吊裝。吊裝之前對管道進(jìn)行仔細(xì)檢查。第一節(jié)管道被安裝到導(dǎo)軌上時(shí)，需要對管道中心和前后端底部進(jìn)行高程測量，檢驗(yàn)導(dǎo)軌是否安裝準(zhǔn)確無誤。為防止管口損壞需安裝弧形頂鐵來保護(hù)。

(3)千斤頂安裝。千斤頂呈并列式被固定在工作井內(nèi)由型鋼制作的支架上，其頂力合力作用點(diǎn)位于管圓心處，為避免頂進(jìn)施工時(shí)可能產(chǎn)生力偶進(jìn)而造成頂進(jìn)偏差，需要使管壁反作用力的合力作用點(diǎn)與千斤頂軸心處于同一條線上。當(dāng)管壁上部與土體之間出現(xiàn)空隙時(shí)，千斤頂?shù)闹c(diǎn)最好作用于管端面垂直徑的1/4處。

(4)頂鐵安裝。頂鐵必須直順安裝，不能出現(xiàn)歪斜扭曲現(xiàn)象。進(jìn)行頂鐵加放時(shí)，盡可能地加入最長的頂鐵，以便連接的頂鐵數(shù)量最少。頂進(jìn)過程中，確保頂鐵上方和側(cè)面都沒有工作人員，同時(shí)隨時(shí)注意頂鐵是否出現(xiàn)異常現(xiàn)象，以防頂鐵崩裂。

3.3 頂進(jìn)施工

根據(jù)“先挖后頂，隨挖隨頂”原則，頂進(jìn)施工一旦開始工作，直至結(jié)束前中途都不應(yīng)停止。頂進(jìn)工作在初始時(shí)應(yīng)緩慢進(jìn)行，當(dāng)工具管與土體充分接觸緊閉后，再以正常速度進(jìn)行頂進(jìn)施工。

頂進(jìn)施工大致流程如下：首先將導(dǎo)軌和千斤頂固定在工作井內(nèi)，然后把工具頭安放在導(dǎo)軌上，再安裝頂鐵，將各部分連接好后對其標(biāo)高和水平誤差等參數(shù)進(jìn)行測量校核，檢查無誤后開始進(jìn)行工具頭頂進(jìn)，之后安放混凝土管并進(jìn)行標(biāo)高測量，合格后即可開始試頂，根據(jù)試頂情況對設(shè)備各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整，完成后便開始正常頂進(jìn)施工。頂進(jìn)施工原理主要是通過千斤頂在后出鎬推進(jìn)管道，工具頭風(fēng)鎬在前挖掘土體。其具體操作過程為：(1)將頂鐵安裝固定，使工具管前端破取一定長度。啟動油泵，千斤頂進(jìn)油，活塞伸出將管道向土層內(nèi)推進(jìn)，直到該頂鐵長度被完全頂進(jìn)。(2)停止油泵，打開控制閥，千斤頂回油，活塞回縮。(3)繼續(xù)加入頂鐵，重復(fù)前面步驟，直到該節(jié)管道被完全頂進(jìn)。(4)卸下頂鐵，吊裝下節(jié)管道，用橡膠環(huán)連接兩節(jié)管道，兩管接口處安裝鋼內(nèi)脹圈或鋼卡固定，保證管與管之間控制在同一圓心上。

3.4 監(jiān)測措施

地下頂管施工會使上覆土體發(fā)生擾動，導(dǎo)致地面產(chǎn)生一定的變形，為防止變形過大造成地面破壞，需要對頂管施工進(jìn)行沉降監(jiān)測[2]。根據(jù)環(huán)境特征和工程要求，監(jiān)測分為三個(gè)階段：(1)施工前監(jiān)測。布設(shè)道路沉降控制點(diǎn)，測量施工之前道路現(xiàn)有的沉降變形。采用水準(zhǔn)儀對監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行測量，將獲取的數(shù)據(jù)與初始值對比分析，有效地掌握沉降量，要求沉降控制在±10 mm之內(nèi)。(2)施工中監(jiān)測。在頂管施工過程中，由第三方監(jiān)測單位進(jìn)行每天實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)沉降量接近控制閾值時(shí)需馬上停止工作，并采取相應(yīng)的治理措施。常規(guī)監(jiān)測工作由專人負(fù)責(zé)實(shí)施，根據(jù)頂進(jìn)位置進(jìn)行1 h不間斷的測量，監(jiān)測人員對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，及時(shí)提供沉降、位移曲線圖以指導(dǎo)施工。(3)施工后監(jiān)測。頂管施工完成后還需對區(qū)域再監(jiān)測一段時(shí)間，確保沉降值在控制范圍內(nèi)，最后提交監(jiān)測報(bào)告[3]。

4 頂管安全計(jì)算

4.1 混凝土管允許最大頂力計(jì)算

根據(jù)《給排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》CECS 246—2008[4]計(jì)算鋼筋混凝土管道傳力面允許的最大頂力，計(jì)算如式(1)所示：

(1)

式中：Fdc為混凝土管允許最大頂力值，kN；φ1為混凝土材料受壓強(qiáng)度折減系數(shù)，取0.9；φ2為偏心受壓強(qiáng)度提高系數(shù)，取1.05；φ3為材料脆性系數(shù)，取0.85；γQ d為頂力分項(xiàng)系數(shù)，取1.3；φ5為混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整系數(shù)，取0.79；fc為混凝土受壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，23.1 N/mm2；Ap為管道最小有效傳力面積，mm2。經(jīng)計(jì)算DN1000頂管最大允許頂力Fdc=3121.5 kN。

4.2 最大頂進(jìn)阻力計(jì)算

根據(jù)《給排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》GB 50268—2008[5]，混凝土管道最大頂進(jìn)阻力由式(2)、式(3)計(jì)算。

Fp=πD0Lfk+NF

(2)

(3)

式中：Fp為頂進(jìn)阻力,kN；D0為管道外徑，取值1200 mm；L為管道設(shè)計(jì)頂進(jìn)長度，取40 m；fk為管道外壁與土的單位面積平均摩阻力，取值11.0 kN/m2；NF為頂管機(jī)的迎面阻力,kN;Dg為頂管機(jī)外徑，取值1200 mm；p為控制土壓力，p=γ·h(按被動土壓力計(jì)算)，γ為墻后土體容重，取值19.8 kN/m3；h為基坑深度，取值4.6 m。經(jīng)計(jì)算理論頂力Fp=1760.9 kN，取1.3倍理論頂力為總頂力，即總頂力為2289.2 kN小于DN頂管最大允許頂力3121.5 kN，滿足施工要求。

4.3 后座墻反力計(jì)算

要保證后墻土體穩(wěn)定性，則背墻后的最大土壓力P≥1.3Fp，計(jì)算如式(4)所示：

(4)

式中：P為背墻后的總被動土壓力，kN；B為背墻寬度，取值3.0 m；α為系數(shù)，取1.5；Kp為被動土壓力系數(shù)，Kp=tan2(45°+ψ/2)；h1為背墻橫向中心線距離地面高度，取值4.9 m；c為土體黏聚力，取值27 kN/m2；ψ為土體內(nèi)摩擦角，取值14°。經(jīng)計(jì)算最大土壓力P=2346.65 kN大于總頂力2289.2 kN，后背墻滿足強(qiáng)度要求。

4.4 車輛對套管的荷載計(jì)算

由于道路上車輛眾多并經(jīng)常有大型車輛經(jīng)過，因此對汽車的動荷載進(jìn)行驗(yàn)算，如式(5)所示：

(5)

式中：qc為汽車對套管產(chǎn)生側(cè)重直荷載，kN/m2;PC為汽車后輪輪壓，取值274.4 kN;KC為動力系數(shù)，取1.0；a為輪胎行進(jìn)方向著地長度，取0.2 m；b為輪胎寬度，取0.6 m；hc為管頂至路面埋深，取3.16 m；β為壓力在土壤中的傳播角，一般取30°。經(jīng)計(jì)算活荷載qc=16.78 kN/m2，根據(jù)規(guī)范土壤垂直荷載qv=25.05 kN/m2。則套管總垂直荷載q=qc+qv=41.83 kN/m2。本項(xiàng)目采用的型號為DRCPII DN1000×2000鋼筋混凝土套管，裂紋荷載為107 kN/m2，破壞荷載為161 kN/m2。套管總垂直荷載小于鋼筋混凝土套管裂紋荷載和破壞荷載，套管滿足強(qiáng)度要求。

5 結(jié) 語

本文以八鋼污水處理廠提標(biāo)改造工程中的頂管施工過程為例，結(jié)合工程實(shí)例，具體分析了頂管施工技術(shù)在城市污水管道工程中的應(yīng)用。該技術(shù)應(yīng)用性好，能夠很好地解決管道在施工過程中可能造成的交通堵塞和建筑物破壞等問題，降低了施工難度，提高了施工效率，加快了施工進(jìn)度、減少了施工成本。總的來說，頂管施工技術(shù)在市政管道工程中具有明顯的優(yōu)勢，發(fā)展前景非常大。