給排水工程師談城市污水管道工程建設(shè)中的頂管技術(shù)運(yùn)用

在市政工程建設(shè)中, 長(zhǎng)距離管道的敷設(shè)是非常普遍的工程問(wèn)題。隨著頂管技術(shù)的應(yīng)用推廣, 研究敷設(shè)頂管工藝技術(shù)已成為引人注目的課題。

在一些不允許開(kāi)挖施工的路段, 采用頂管技術(shù)是一種比較理想的施工工藝，它是地下管線(xiàn)施工中穿越障礙時(shí)常用的一種施工技術(shù)。施工時(shí), 首先設(shè)置工作井, 并在工作井內(nèi)設(shè)置頂管機(jī)導(dǎo)軌和液壓千斤頂, 然后借助頂管機(jī)的掘進(jìn)和千斤頂?shù)捻斄㈩A(yù)制的管段頂入地層, 邊頂進(jìn), 邊將管段接長(zhǎng), 直到越過(guò)障礙物, 并到達(dá)接收井中, 如頂進(jìn)時(shí)需要克服的阻力大于主千斤頂?shù)哪芰? 可適當(dāng)布置中繼站。

該工程污水管道(DN1400、DN800)改造工程全長(zhǎng)1287.69米，其中管徑DN1400，里程為K1+372.13～K2+184.70，長(zhǎng)812.57米;管徑DN800，里程為K2+184.70～K2+659.82，長(zhǎng)475.12米。采用的管材為頂管用HDPE復(fù)合管。地質(zhì)勘察報(bào)告表明,頂管工程的管位上部位于地表以下4.4-5.8m的雜填土、淤泥質(zhì)土及素填土的混合土層中。該土層較復(fù)雜, 含有瓦礫磚碎塊、礫石及生活垃圾。頂管的下部位于砂質(zhì)粉土中, 其中靠近刺桐路路段土層由砂質(zhì)粉土逐漸過(guò)渡為粘土夾礫石。該路段地下水位在地表下0.4-1.4m, 且隨晉江潮水水位變化。該項(xiàng)目地處交通要道，沿線(xiàn)車(chē)流量較大,現(xiàn)狀不允許開(kāi)挖施工。因此,采用大刀盤(pán)泥水平衡頂管法是本工程污水管道施工的一種理想的施工工藝。

2對(duì)高程及軸線(xiàn)位移允許偏差值的控制

(1)該污水管道工程的地質(zhì)條件及定位控制標(biāo)準(zhǔn)的確定:在復(fù)雜地質(zhì)條件下進(jìn)行長(zhǎng)距離曲線(xiàn)頂管尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)可循, 因此,在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的使用功能和不損壞接頭及防水性能的要求下, 根據(jù)《市政工程施工及驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》中“ 頂管允許偏差表” 中高程及軸線(xiàn)位移的參數(shù), 制定本工程的允許偏差。本工程允許偏差與《政工程施工及驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》要求對(duì)比示于表1。

(2)頂進(jìn)和糾偏的示位系統(tǒng)：本工程在管道頂進(jìn)的過(guò)程中利用激光系統(tǒng)作為示位系統(tǒng)。激光系統(tǒng)由激光經(jīng)緯儀、激光架和標(biāo)靶組成。激光架的幾何軸線(xiàn)和頂進(jìn)軸線(xiàn)垂直，便于經(jīng)緯儀對(duì)中。同時(shí)在激光架旁做好激光經(jīng)緯儀的對(duì)中點(diǎn)，確保激光經(jīng)緯儀架好后在頂進(jìn)軸線(xiàn)上。

(3)頂管定位控制的實(shí)際效果:根據(jù)實(shí)際測(cè)量控制的結(jié)果看,管道D1400的軸線(xiàn)最大正誤差為73mm, 軸線(xiàn)最大負(fù)誤差75mm;污水管道D800的軸線(xiàn)最大正誤差為77mm, 軸線(xiàn)最大負(fù)誤差為120mm,以上控制均符合要求。測(cè)量控制是有效的, 達(dá)到了預(yù)定要求。

3頂管技術(shù)的施工措施

3.1潤(rùn)滑材料的選用

潤(rùn)滑材料一般選用粘土和膨潤(rùn)土等材料制成的泥漿液體。本工程采用膨潤(rùn)土制成泥漿作為潤(rùn)滑材料。泥漿濃度在5%-15%, 使用量控制在≤100L/m3，必需使膨潤(rùn)土泥漿套隨頂管機(jī)向前移動(dòng)，形成連續(xù)的環(huán)狀漿套。出洞時(shí)，洞口土體較穩(wěn)定的情況下，降低潤(rùn)滑材料的濃度，在離洞口約6m時(shí)，采用清水，并且把泥水壓力降到最低，防止由于正面土壓力減小，過(guò)大的泥水壓力造成對(duì)洞口土體的擾動(dòng)。

3.2止水圈的安裝

對(duì)于泥水平衡式頂管機(jī)而言，頂管機(jī)本體通過(guò)洞口完全進(jìn)入土體的全過(guò)程中，頂管機(jī)與洞口建筑空隙的止水密封，是保證頂管機(jī)順利出洞的先決條件，洞口圈的止水密封一旦失去作用，不僅開(kāi)挖面土體平衡遭到破壞，而且將導(dǎo)致泥水的流失，造成頂管機(jī)周邊的土體損失，從而引起洞口土體坍塌等嚴(yán)重后果，故必需在洞口設(shè)置密封性能良好的止水裝置――止水圈。

止水圈由三個(gè)部分組成：橡膠圈、壓環(huán)、壓板。首先打好膨脹螺絲，然后將橡膠圈套在膨脹螺絲上，再將壓環(huán)壓在橡膠圈上，最后將壓板壓在壓環(huán)上，并上緊螺絲。壓板共有36塊，可以沿徑向在50mm的范圍內(nèi)移動(dòng)，從而控制橡膠圈的壓緊程度。壓板可以保證壓緊止水橡膠圈，并在地下水壓力太大時(shí)防止橡膠圈翻出。

4施工過(guò)程中幾個(gè)控制參數(shù)的確定(以DN1400污水管道為例)

(1)刀盤(pán)扭矩和頂進(jìn)長(zhǎng)度的計(jì)算

刀盤(pán)扭矩。刀盤(pán)扭矩設(shè)計(jì)值TC按下述經(jīng)驗(yàn)公式確定: TC=αD3。式中D為頂管機(jī)外徑。α根據(jù)粉質(zhì)砂土含礫石等雜質(zhì)較多, 取α=1.35。則TC=1.35x1.53=4.56(kN.m)。這一計(jì)算考慮支撐形式的影響(即土體切削阻力扭矩、刀盤(pán)與土體之間的摩阻力扭矩、荷載作用下機(jī)械自身阻力的扭矩的影響), 應(yīng)乘以系數(shù)β(取β=1.1)于是TC設(shè)計(jì)=4.56x1.1=5.01 kN.m。

最大頂進(jìn)長(zhǎng)度的計(jì)算。頂管機(jī)頂進(jìn)時(shí)依靠安裝在工作井內(nèi)的千斤頂提供推力，以克服外壁與周?chē)馏w的摩擦阻力,開(kāi)挖面土體作用于頂管機(jī)的正面阻力,管面的摩擦阻力等。采用慣用頂推公式計(jì)算: F=πDlc。式中D同前;l為頂進(jìn)長(zhǎng)度。c為地層土體的內(nèi)聚力, 根據(jù)地質(zhì)報(bào)告取c=11.80kpa。由于管材允許的最大推力[F]=8000kN 取安全系數(shù)K=1.2, 求出最大的頂進(jìn)長(zhǎng)度

L== =120m

本工程采用工作井和接收井間隔100m。但根據(jù)施工過(guò)程中的實(shí)際情況來(lái)看，由于一次性頂進(jìn)距離過(guò)大(沒(méi)有布置中繼站)，管道的高程和軸線(xiàn)的偏差會(huì)隨著頂進(jìn)管道長(zhǎng)度的增加而增加，所以建議頂進(jìn)長(zhǎng)度不宜超過(guò)80m。

(2)泥水艙壓力值的計(jì)算

D1400污水管頂管施工中泥水壓力大小控制分析。泥水壓力大小的確定是泥水平衡頂管工藝的關(guān)鍵。泥水艙內(nèi)壓力大于地下水壓力，泥水艙泥水向地層空隙滲漏，在泥水艙與土層之間形成泥膜，且泥水艙壓力托住土層，使切削面穩(wěn)定不塌陷。地下水壓力隨深度的增加呈三角形分布,計(jì)算圖式如圖1所示。采用泥水壓力值為管道底部起三分之一直徑處的地下水壓力值。則泥水艙管道基準(zhǔn)面泥漿壓力P按以下計(jì)算:

式中D同前, 為1500; γω為水的重度。由于軟土中滲透系數(shù)較小, 取理論計(jì)算值的65%作為實(shí)際施工中的壓力值，即64.5×65%=42KPa。泥水艙壓力高于地下水壓力值一般設(shè)為20KPa，最終泥水壓力值為62 KPa。

五、掘進(jìn)速度與進(jìn)出洞控制

排土量的計(jì)算與掘進(jìn)速度控制。掘進(jìn)的速度控制以保持開(kāi)挖面土平衡為依據(jù), 對(duì)排土量計(jì)算及施工掘進(jìn)速度進(jìn)行管理與控制。

泥水平衡法頂管工藝的一個(gè)特點(diǎn)就是，挖掘出的土經(jīng)過(guò)和水的混合后形成泥漿排出。排泥管內(nèi)的流速必需控制在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，過(guò)大的流速不僅沒(méi)有必要，而且會(huì)對(duì)管道造成損害;過(guò)小的流速又容易形成淤積。本工程中排泥管的流速控制在2m/s～4m/s。排泥管的內(nèi)徑控制在5D最大顆?！?D最大顆粒，D最大顆粒是經(jīng)過(guò)篩選后的最大土壤粒徑。由排泥管的流速以及斷面面積即可得出排土量的理論值。和根據(jù)排土量的理論計(jì)算, 由頂管機(jī)掘進(jìn)速度和排泥的效率予以控制。實(shí)際挖掘量可以由受控制的推進(jìn)速度與頂管機(jī)斷面面積確定。排土量可由排泥管的流量計(jì)、密度計(jì)的讀數(shù)來(lái)確定。

進(jìn)出洞控制。頂管機(jī)進(jìn)出洞是頂管法施工的最重要的工序之一。在工作井內(nèi), 頂管機(jī)按設(shè)計(jì)高程及方向推出預(yù)留孔洞, 進(jìn)人正常土層的過(guò)程稱(chēng)為出洞;反之,頂管機(jī)在地層中完成某一區(qū)間的隧道的施工后進(jìn)人接收井的過(guò)程稱(chēng)為進(jìn)洞。在掘進(jìn)過(guò)程中,頂管機(jī)推進(jìn)的方向偏差的施工監(jiān)控是頂管工藝的另一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，由于頂管法施工工藝在糾偏過(guò)程中會(huì)造成土體過(guò)量缺失，從而引起地層移動(dòng)而使地表隆起或沉降，因此在掘進(jìn)過(guò)程中制定量測(cè)值信息反饋及施工參數(shù)(如正面艙壓力、出土量、灌漿壓力和灌漿量等)的計(jì)劃是很有必要的。采用泥水平衡式頂管技術(shù)進(jìn)、出洞時(shí), 一般先將工作井、接收井預(yù)留孔前一定范圍內(nèi)的土體進(jìn)行改良, 使土體透水性減小(), 并在開(kāi)挖后靠自身能力保持穩(wěn)定。本工程在施工初期，曾因地下水位過(guò)高，在頂管機(jī)出洞時(shí)，地下水涌入接收井，造成井內(nèi)部分設(shè)施被破壞。后續(xù)的施工過(guò)程中，采取了高壓注漿的方法(漿液注入率15%，水灰比1.0)對(duì)預(yù)留孔前約15m的范圍內(nèi)進(jìn)行了土體改良，效果良好。

結(jié)束語(yǔ)

頂管施工工藝具有以下特點(diǎn)：通過(guò)刀盤(pán)以及頂速平衡正面土壓力，調(diào)節(jié)循環(huán)水壓力用以平衡地下水壓力。采用流體輸送切削入泥倉(cāng)的土體，頂進(jìn)過(guò)程中不間斷，施工速度快。由施工引起的地面沉降較小, 有利于保護(hù)環(huán)境。無(wú)需地盤(pán)改良或降水處理，施工后地表沉降小。

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