淺談城市供水管網(wǎng)頂管技術(shù)的應(yīng)用

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摘要:隨著城市的發(fā)展，供水管網(wǎng)的建設(shè)問題也日益突出，傳統(tǒng)的挖槽埋管施工技術(shù)影響范圍較大，不利于施工。而頂管技術(shù)作為一種非開挖施工方法，近年來在城市供水管網(wǎng)的建設(shè)中應(yīng)用廣泛。本文就頂管技術(shù)進行單介紹，重點對頂管技術(shù)在供水管道建設(shè)中的施工應(yīng)用進行了分析討論。 

關(guān)鍵詞：非開挖施工；頂管技術(shù)；設(shè)計；施工；基坑開挖  在城市供水管網(wǎng)建設(shè)中，傳統(tǒng)的挖槽埋管地下管線施工技術(shù)由于對地面交通影響較大，同時給市民工作、生活帶來許多不便，如何使這些安裝工程對城市的影響減至最小，已經(jīng)成了一個迫切解決的問題。非開挖技術(shù)將完全能解決這些難題，提供安全及經(jīng)濟的施工方法。非開挖技術(shù)是指利用少開挖和不開挖技術(shù)來進行地下管線的鋪設(shè)或更換的工藝。頂管技術(shù)就是在這種情況下發(fā)展起來的一種非開挖技術(shù)。隨著頂管技術(shù)在供水管網(wǎng)的廣泛運用，本文主要討論在頂管技術(shù)施工過程中出現(xiàn)了一些具體的技術(shù)問題，并以此和同行共享。  1 頂管技術(shù)的組成  頂管技術(shù)包括頂管機械設(shè)備及頂管工作坑。  1.1 頂管機械設(shè)備  頂管機械設(shè)備包括主頂千斤頂與頂管機頭，機頭主要為敞開式頂管工具管和封閉式頂管掘進機二大類型。  敞開式頂管工具管有手掘式、擠壓式、網(wǎng)格式等。  封閉式頂管掘進機有泥水平衡、土壓平衡、加泥式土壓平衡、斗鏟式和多刀盤等。  1.2 頂管工作坑  工作坑分為頂管坑與接收坑。  頂管坑為供頂管機頭及千斤頂安裝和出坑用的主頂設(shè)備工作坑。  接收坑為供頂管機頭出坑和拆卸的接收工作坑。  2 頂管設(shè)計及施工前期工程勘察  頂管在設(shè)計與施工前，應(yīng)對實施頂管的區(qū)域進行實地勘察，確定頂管區(qū)域及工作坑具體位置，掌握頂管可能對周圍環(huán)境和附近建筑物的影響，保證其結(jié)構(gòu)安全性和正常使用要求。工程勘察包括地質(zhì)勘察與物探。地質(zhì)勘察主要是了解頂管區(qū)域各土層分布情況及土層物理力學(xué)性質(zhì)，了解地下水及深基坑下承壓水頭突涌可能型，提供不小于2.5倍基坑開挖深度范圍內(nèi)土層的滲透性指標(biāo)；物探主要是摸清頂管范圍內(nèi)各地下管線、通訊及電纜等分布情況。在完善了工程勘察具體情況后，根據(jù)地質(zhì)勘察與物探資料確定頂管埋深，同時還應(yīng)滿足下列要求：  (1)管頂覆蓋土層厚度不宜小于1.5倍頂管直徑且不小于3m；  (2)平行管道間的水平距離宜大于2倍頂管直徑；  (3)空間交叉管道的凈間距鋼管不宜小于0.5倍直徑且不應(yīng)小于1.0m。  3 頂管機頭的選型、頂力估算及中繼間接力系統(tǒng)  3.1 機頭選型  頂管機頭的選型，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)勘探的地質(zhì)鉆孔柱狀圖和地質(zhì)縱部面圖實際情況，了解機頭所穿越的地層情況進行分析研究。  (1)敞開式分為手掘式、擠壓式、網(wǎng)格式種型式。手掘式適用于粘性或砂性土，在軟塑和流塑粘土中慎用；擠壓式與網(wǎng)格式適用于軟塑、流塑粘性土，均對管道周圍地質(zhì)有較大變形影響。  (2)封閉式分為斗鏟式、多刀盤土壓平衡式、刀盤削土土壓平衡式、加泥式機械土壓平衡式、泥水平衡式5種型式。斗鏟式適用于地下水位以下粘性土砂性土，但粘性土的滲透系數(shù)不大于10-4cm/sec。多刀盤和刀盤削土土壓平衡式適用于軟塑、流塑的粘性土，在粘質(zhì)粉土中慎用。  3.2 頂力估算  為防止管道頂力較大，保證設(shè)計合理性及后座結(jié)構(gòu)安全，同時保證地層穩(wěn)定，多采用管外壁注漿減阻進行設(shè)計與施工。頂管的頂力標(biāo)準(zhǔn)值按下式估算:  fk=πd1lf+nf  式中:  fk一計算頂力標(biāo)準(zhǔn)值(kn)  d1—管道外徑(m)  l—管道計算頂進長度(m)  f一觸變泥漿中管壁與土的平均摩阻力，一般為:8-12kn/m2  nf—工具管(機頭)的迎面阻力標(biāo)準(zhǔn)值(kn)  敞開式頂管的迎面阻力按不同的機頭型式進行計算。封閉式頂管(土壓平衡、泥水平衡和多刀盤頂管)的迎面阻力按下式計算:  n1=πd12p1/4  pt=γ(h+2d1/3)tg2(45°+φ/2)  式中:  pt—機頭底部以上1/3d1處被動土壓力  h—管頂土層厚度(m)  因為頂管過程的力學(xué)參數(shù)計算是一個非常復(fù)雜的問題，它受地質(zhì)因素、土層改良方法、掘進參數(shù)等一系列參數(shù)的影響，同時涉及材料力學(xué)、巖土力學(xué)、流體力學(xué)、彈塑性力學(xué)等諸多學(xué)科，故在此以廣州某輸水工程所用的泥水平衡頂管的頂力計算作一介紹。頂管的頂力約等于頂管過程受到的阻力，包括工具頭正面泥水壓力和管壁摩擦阻力。根據(jù)本工程地質(zhì)勘察報告和水文地質(zhì)資料選取適當(dāng)參數(shù)并結(jié)合頂管機生產(chǎn)廠家設(shè)計共同計算后，本項工程頂管頂力按下式估算：  fk = nf +f0l  式中：  fk一計算頂力標(biāo)準(zhǔn)值(kn)  nf—工具管(機頭)的迎面阻力標(biāo)準(zhǔn)值(kn)  f0l——管壁摩擦阻力  nf =（pe + pw + △p）πd12/4  式中：d1——管道外徑(m)  pe——挖掘面前土壓力（kpa）  pw——地下水壓力（kpa）  △p——附加壓力（kpa）  f0l=（rs+wf）l  式中：l——管道計算頂進長度(m)  r——綜合摩擦阻力（kpa）  s——管外周長(m)  w——每米管子的重力(kn/m)  f ——管子重力在土中的摩擦系數(shù)  3.3 中繼間接力系統(tǒng)  當(dāng)計算的頂力值大于頂管工作井的設(shè)計頂力時，頂進時需加中繼間。中繼環(huán)的設(shè)計必須滿足剛度大，安裝方便和加工精確，并在使用中具有水密性。  （1）主體結(jié)構(gòu)主要由一下部分組成：  ①推力油缸，其規(guī)格、性能要求一致；  ②鋼殼體和千斤頂緊固件、止水密封圈；  ③液壓管道、電器和操縱系統(tǒng)。  （2）推進流程：  第一個中繼環(huán)推進——第一個中繼環(huán)停頂——第二個中繼環(huán)推進——第二個中繼環(huán)停頂——如此類推到最后一個中繼環(huán)——主頂推進——主頂停頂（如此循環(huán)）  4 頂管工作坑（頂管坑及接收坑）的基坑支護  頂管坑和接收坑是頂管工程中兩個重要施工作業(yè)坑，作為實施鋼管頂進的頂管坑和接收頂管機頭及鋼管的接收坑，其大小應(yīng)根據(jù)具體的項管機具及不同的施工方法進行確定。基坑的深度應(yīng)根據(jù)具體頂管埋深進行確定，一般為頂管管底標(biāo)高下0.5-1.0m，以保證頂管過程中鋼管電焊焊接、焊縫驗收及施工機具的運行。  5頂管在供水敷管中的實施和運用實例  頂管技術(shù)在供水排管的具體設(shè)計與運用時，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境實際情況采用不同的方法進行設(shè)計和施工，現(xiàn)根據(jù)廣州某大型輸水工程例舉如下:  某大型輸水工程某段輸水管道位于高速路等交通要道上，管線需穿越高速路、主干道、大型立交、河流和地面建筑物密集的特殊區(qū)域，為在此區(qū)域最大限度實現(xiàn)不開挖地面，不拆遷，不破壞地面建筑物，不影響交通，不破壞環(huán)境的目標(biāo)，故在此段管線采用頂管施工這一種非開挖掘進式管道安裝技術(shù)。此管線段全長約2.7公里，共劃分為9個頂管段，根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境布局等限制條件，頂管段最長的達570米，最短的不足百米，根據(jù)地質(zhì)資料及現(xiàn)場勘查。  5.1本管線段工程具有以下特點及難點  (1)本管線段地下水位比較淺，頂管主要穿越的為粘土層、砂層，地下水豐富。  (2)其中幾個頂管段均為超長距離頂管施工，頂管阻力大，容易出現(xiàn)頂管井后座頂力不足的問題；  (3)超長距離頂管施工容易出現(xiàn)頂偏現(xiàn)象。但本管段部分頂管段位于大型立交橋區(qū)域，橋樁密布，頂管距離橋樁最近處距離僅有兩米，立交橋均為交通要道，頂管施工絲毫不能對橋樁有影響，施工精度要求高。    (4)工作井、接收井采用沉井法施工。沉井在下沉過程中容易傾斜、偏位，下沉速度較難控制，容易造成周圍土體塌陷，從而導(dǎo)致周圍的建筑物、構(gòu)筑物等下沉破壞。  (5)管線所經(jīng)區(qū)域有供水管、通信電纜、電力電纜、煤氣管道等管線及巖層巖塊等不明障礙物，加大了施工難度，增加了施工風(fēng)險。  綜合考慮工程的上述特點及難點，結(jié)合工程質(zhì)量安全方面的要求，在工程實施過程中相應(yīng)地采取了下列工藝及對策：  5.2解決對策  (1)根據(jù)地質(zhì)勘察資料及頂管區(qū)位于地面建筑物密集的特殊區(qū)域此一特殊條件限制，力求減少頂管對管道周圍地層產(chǎn)生的變形，頂管工藝采用泥水平衡式頂管。在設(shè)備的選用上選取一種具有破碎能力的泥水平衡的頂管機，切削下來的泥土在泥土倉內(nèi)形成塑性體，以平衡土壓力，而在泥水倉內(nèi)建立高于地下水壓力10~20kpa的泥水泥漿；以平衡地下水壓力，通過把進水添加粘土等成分的比重調(diào)整到一定范圍內(nèi)，保證即使遇到挖掘面是砂的土質(zhì)也可形成一層不透水泥膜，同時平衡地下水壓和土壓力。頂管機的刀盤前面切割面安裝有合金滾動滾刀及固定刮刀，在主頂裝置的推動下，刀盤上的滾刀刀尖對前面堅硬的土體進行滾動擠壓，使到堅硬的土體破裂，刮刀對破裂的土體進行切割，掏空前方土體，頂管機向前推進。經(jīng)過刀盤對前方土體切割，當(dāng)有大塊土體或石塊進入頂管機泥土倉，經(jīng)刀盤轉(zhuǎn)動時就會被軋碎，碎塊泥土小于頂管機的格柵孔就進入泥水倉被泥水循環(huán)管輸送走。  (2)在頂管頂進過程中采用管外壁注觸變泥漿的措施從而降低頂進時的摩阻力，施工過程中嚴(yán)格控制膨潤土的濃度來達到最好的減阻效果。同時在頂進過程中設(shè)置中繼環(huán)，將整段管道分段推進，減少主推頂力，減少后座頂力不足的問題；  (3)在頂管頂進全過程中嚴(yán)密監(jiān)測頂管的偏位情況，發(fā)現(xiàn)扁位及時糾偏，同時嚴(yán)格控制頂進速度，控制管道偏差  (4)通過水準(zhǔn)儀全站儀等儀器對沉井的下沉量、四角高差、偏位進行測量，及時了解下沉速度及偏位情況，對周圍構(gòu)筑物布點監(jiān)測，隨時掌握由于沉井下沉引起的環(huán)境影響。在沉井下沉過程發(fā)生傾斜偏轉(zhuǎn)等超出偏差限值時采用偏除土糾偏、井外射水井內(nèi)偏除土糾偏、壓重糾偏等一種或幾種方法結(jié)合來進行糾偏，確保沉井的偏差在容許范圍內(nèi)。  (5)在施工前做好地質(zhì)勘察及物探工作的基礎(chǔ)上，積極與各有關(guān)部門聯(lián)系，取得場地地下管線第一手資料，在管線位置設(shè)置明顯的標(biāo)志，在施工中采取各種保護措施。  在上述工藝選擇恰當(dāng)，層層保護措施落實到位的情況下，該段工程全線2.7公里共九個頂管段的施工全部保質(zhì)保量順利完成，未發(fā)生一起沉降超限事故，頂管施工區(qū)域的構(gòu)筑物未發(fā)生一起因頂管而導(dǎo)致下沉破壞的事故。  6 結(jié)束語  總之，頂管技術(shù)作為一種非開挖施工技術(shù)，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，從根本上改變了城市管網(wǎng)亂挖現(xiàn)象。隨著城市的發(fā)展，各種管道建設(shè)將會大量增加，頂管設(shè)計和施工也會增多。因此，我們要重視這個良機，進一步地完善和提高我們的頂管設(shè)計和施工技術(shù)，使之綜合施工技術(shù)達到國際水平。  參考文獻  [1] 馬晉毅，頂管技術(shù)在城市水務(wù)工程中的應(yīng)用[j]黑龍江水利科技，2011.02  [2] 胡艷群，頂管技術(shù)在城市給排水管道建設(shè)中的應(yīng)用[j]價值工程，2010.07