給排水管道的頂管施工技術(shù)應(yīng)用

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　　0 引言

　　該市政規(guī)劃路給排水施工項目位于廣東某開發(fā)區(qū)內(nèi)，該工程中的W334～W337設(shè)計為頂管施工段。管材采用帶橡膠圈III級鋼筋混凝土承插管，管徑為1500mm，總長270m。其中工作井、接收井均采用矩形鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)。

　　1 頂管施工技術(shù)方案選擇

　　1.1 經(jīng)調(diào)查分析研究及結(jié)合本公司在設(shè)備和施工及相關(guān)的技術(shù)能力，采用了密封泥水平衡式頂管工藝進行施工。

　　1.2 泥水式平衡頂管機相比于土壓式平衡頂管機，能有效平衡地下水、對付流沙和淤泥質(zhì)地層。同時泥水式平衡頂管施工比土壓式平衡頂管施工具有以下優(yōu)點：

　　①可連續(xù)頂進作業(yè)，施工速度快；

　　②人員不用進入管道作業(yè)，安全性高；

　?、墼谟倌噘|(zhì)和砂層中頂進，對地質(zhì)環(huán)境影響小，能有效控制施工精度，而且成本低等。

　　1.3 頂管施工主要設(shè)備 該工程選取了GTNSΦ1500泥水平衡頂管機，50T吊機1臺、25T吊機1臺，后座泵站2套、整體式頂進構(gòu)架2套、泥水處理系統(tǒng)2套、激光水準(zhǔn)儀1臺、全站儀1臺、水準(zhǔn)儀1臺、經(jīng)緯儀1臺，另外還有通用設(shè)備電焊機、水泵等。

　　1.4 頂管施工工藝流程 施工前期準(zhǔn)備→測量放樣、復(fù)核→工作井施工→攪拌樁施工→工作井上下設(shè)備安裝準(zhǔn)備→工具頭吊裝下井、全套設(shè)備調(diào)試→工具頭穿墻頂進→后續(xù)吊放管道→管道頂進、測量控制及糾偏→管道排泥和廢泥漿外運→下一管節(jié)吊放就位→下段頂管頂進→管道貫通、回收工具頭→閉水試驗→竣工驗收、清場。

　　1.5 施工順序 頂管法施工采取先施工頂管工作井及接收井，后頂進管道，然后施工檢查井的施工順序。頂管工作井及接收井施工、管節(jié)制作、頂進施工、檢查井施工盡可能平行交叉進行，以縮短工期。

　　2 頂管工程力學(xué)參數(shù)確定

　　2.1 頂力計算

　　本工程采用頂管總頂力計算的經(jīng)驗公式進行計算：

　　F=F0 F1

　　F0=αpeBC2π/4

　　F1=RSL

　　F0——初始頂力（kN）

　　F1——管壁摩擦力（kN）

　　α——綜合系數(shù)，本工程取淤泥質(zhì)土系數(shù)值1

　　pe——土倉的壓力（kpa），pe=150kpa

　　BC=管外徑（m），取2.238m

　　R——綜合摩擦阻力（kpa），本工程取淤泥質(zhì)土值2；

　　S——管外周長（m），3.1415×2.238＝7.03m；

　　L——推進長度（m），本工程考慮L=400m。

　　初始頂力：F0=1.5×150×2.2382×π/4=885kN

　　管壁摩擦力：F1=2×7.03×400=5624kN

　　總推力：F=885 5624=6509 kN=651T

　　說明：以上的管壁摩擦力計算沒有考慮觸變泥漿減摩效果，施工是采用觸變泥漿減摩，可以有效折減管壁摩阻力。

　　工具頭正面泥水壓力：F1=π×D2/4×P其中

　　F1——頂管泥水阻力(t)

　　D——頂管外徑(m)

　　σ——頂管泥水最大壓力(t/m2)

　　σ與土層密實度、土層含水量、地下水位狀況有關(guān)。根據(jù)有關(guān)工程統(tǒng)計資料和本工程的分析，估算工具頭正面泥水壓力為50t/m2左右，F(xiàn)1=π×D2/4×P＝π×2.2382/4×50＝196T

　　管壁摩擦阻力： F2=S×L×f其中

　　S—頂管外周長(m)

　　L—最長一段頂管長度(m)

　　f—綜合摩擦力系數(shù)(T/ m2)

　　f與管道的埋設(shè)深度、土質(zhì)、地下水位等因素有關(guān)。根據(jù)有關(guān)工程統(tǒng)計資料和本工程的分析，估算綜合摩擦力系數(shù)f=1.3T/m2。F2=S×L×f=π×2.238×60×1.0＝421T

　　在考慮一次頂進距離為60-70m時，頂管總阻力為以上阻力之和：F=F1 F2≈617t

　　根據(jù)該管徑鋼管的要求，其不能承受的以上頂力，頂力較大，需要增加中繼環(huán)，頂進的后座采用4個200T的千斤頂，中繼環(huán)采用10個30T千斤頂，共計300T。頂管中繼環(huán)布置按照“工具頭20m—中繼環(huán)—后座60m”來布置。另外，頂管過程還要采用減阻措施，通常減少管壁摩擦阻力的措施有：管壁與泥土間壓觸變泥漿減阻(優(yōu)質(zhì)膨潤土拌制而成)，注漿需要管節(jié)間的密封良好，否則漿體會在管節(jié)間泄漏起不到應(yīng)有的作用，減阻效果好時，f—綜合摩擦力系數(shù)可以降低到0.3-0.8T/m2左右，將觸變泥漿的減阻作為保險系數(shù)。

　　2.2 管材受力計算 鋼管內(nèi)徑d=2220mm，厚度t=18mm，每節(jié)管長度6000mm，管的端頭采用焊接接頭。端面受力面積s=π× (2.238×2.238-2.22×2.22)/4=0.063m2

　　可承受的最大頂力為：F=s×5000T/m2/4=78.8T。

　　3 各主要工序施工方法

　　3.1 頂進前準(zhǔn)備所有機械設(shè)備交班檢查 頂進前，機械工需要進行交接班手續(xù)，將記錄的設(shè)備運轉(zhuǎn)情況表交給下一個班組的機械工，并進行口頭的設(shè)備運轉(zhuǎn)狀況交班，剛上班的機械工需要對控制臺、各個泥漿泵、管道、測量系統(tǒng)、工具頭等進行例行檢查。

　　 3.2 工具頭刀盤轉(zhuǎn)動、開進出渣漿泵 交班和例行檢查完畢后，接通電源，將工具頭的刀盤轉(zhuǎn)動，當(dāng)設(shè)備的參數(shù)穩(wěn)定后，開進出渣漿泵，開始泥漿循環(huán)。

　　3.3 調(diào)整進出渣漿泵流量達到平衡 工具頭的操作全部采用在管道外(工作井上)控制臺控制，只需1個機手操作，可實現(xiàn)對工具頭刀具的轉(zhuǎn)動、糾偏控制、壓力顯示、時時監(jiān)控（工具頭安裝了攝像頭、控制臺上安裝了電視機）。頂進千斤頂，觀察工作倉的土壓力表，調(diào)節(jié)渣漿泵的流量達到工作倉的泥水平衡，其平衡的原理是，當(dāng)進泥和吸泥泵穩(wěn)定工作時，調(diào)節(jié)進泥和吸泥的泵量，使工作倉內(nèi)應(yīng)保持一定壓力，倉內(nèi)泥水壓力應(yīng)與地下水壓力相平衡，泥水壓力過大，地面隆起；泥水壓力過小，地面沉陷，所以控制頂進與出泥的速度相當(dāng)關(guān)鍵。

　　3.4 泥水處理系統(tǒng)處理好砂土、裝車、外運 采用泥水平衡式工具頭出土，需要在工具頭中注入含有一定泥量的泥漿，通過大刀盤切削工具頭前方的原狀土，與注入的泥水?dāng)嚢瑁嗨ㄟ^吸泥泵排到地表泥水處理系統(tǒng)處理，泥漿可以反復(fù)循環(huán)使用，處理好的泥沙用泥漿車外運。

　　3.5 測量工具頭的偏位、作好記錄、糾偏 測量方法，在工作井后座位置設(shè)置測量機座，測量基座由地面引入地下，避免工作井的變形引起的誤差，將全站儀放置在其上調(diào)平后，使全站儀發(fā)射的激光沿著頂進方向水平射出，打在工具頭的測量靶位上，通過望遠鏡讀出工具頭的偏差。每隔0.5m記錄一次。

　　3.6 1個行程頂完后，整體式頂進構(gòu)架調(diào)節(jié)頂塊 當(dāng)頂完1個行程后，停止頂進，調(diào)節(jié)整體式頂進構(gòu)架頂塊，可繼續(xù)頂進下一個行程。

　　3.7 觸變泥漿系統(tǒng) 頂進過程中，需要經(jīng)常進行壓觸變泥漿工作，以減少頂進的阻力，觸變泥漿系統(tǒng)由拌漿、注漿和管道三部分組成。拌漿是把注漿材料兌水以后再攪拌成所需的漿液(造漿后應(yīng)靜置24小時后方可使用)。注漿是通過注漿泵進行的，根據(jù)壓力表和流量表，它可以控制注漿的壓力(壓力控制在水深的1.1～1.2倍)和注漿量(計量桶控制)。管道分總管和支管，總管安裝在管道內(nèi)一側(cè)，支管則把總管內(nèi)壓送過來的漿液輸送到每個注漿孔上去。注漿孔布置為：工具頭后3節(jié)管各設(shè)一道、之后每間距5m設(shè)一道補漿孔(間隔2節(jié)砼管)。

　　注漿流程：造漿靜置→注漿→頂管推進(注漿) →頂管停頂→停止注漿

　　3.8 頂完一節(jié)管后，拆開各管路、鋼管吊裝、各管路安裝 頂完一節(jié)管后，拆開所有管線（電力電纜、信號線、油管、進出泥漿管、觸變泥漿管），進行鋼管吊裝焊接后，安裝好所有管線，繼續(xù)頂進。

　　3.9 其他附屬施工方法

　　①頂管工作面排水由工作面流向工作井集水坑，再用泵排出地面。

　?、陧敼軆?nèi)面無人，如果需要進去維修設(shè)備等，進管之前需要通風(fēng)，采用壓入強制性通風(fēng)措施，用風(fēng)機通過1.5英寸鐵管向頂管工具頭壓風(fēng)。

　?、凼┕び秒娭鞲删€采用380V三相五線制，接通地面、工作井、管道內(nèi)、工具頭、管道照明采用12-24V低壓電源供電。

　　4 總結(jié)

　　頂管過程是一個復(fù)雜的力學(xué)過程，它涉及材料力學(xué)、巖土力學(xué)、流體力學(xué)、彈塑性力學(xué)等諸多學(xué)科。但頂管施工必須嚴(yán)格控制好頂管推力，而對頂管計算復(fù)核能夠準(zhǔn)確估計頂管的推力。頂管的推力就是頂管過程管道受的阻力，包括工具頭正面泥水壓力、管壁摩擦阻力。泥水平衡壓力：在封閉的工作倉內(nèi)加泥水壓力平衡地下水壓力，是防止泥砂涌入的重要方法。泥水壓力一定要合理。壓力較小，大量的泥砂涌入，會造成路面破壞，地表設(shè)施受損；壓力過大，會增大主千斤頂負荷，嚴(yán)重的可能產(chǎn)生冒頂現(xiàn)象。該工程通過了嚴(yán)密的頂管計算，采取了先進的頂管設(shè)備，成功高效地完成了該路段頂管施工的工作。