顶管技术在给排水施工中的应用

摘 要：本文通过对某开发区内规划路沿线顶管施工段的工程实践经验，阐述了顶管施工技术在给排水管道工程中的应用，并取得了显著的成效。

关键词：顶管；平衡；泥水；工作井

该市政规划路给排水施工项目位于某开发区内，该工程中的W334―W337设计为顶管施工段。管材采用带橡胶圈III级钢筋混凝土承插管，管径为1500mm，总长270m。其中工作井、接收井均采用矩形钢筋混凝土沉井结构。

一、顶管施工技术方案选择

(1)经调查分析研究及结合本公司在设备和施工及相关的技术能力，采用了密封泥水平衡式顶管工艺进行施工。

(2)泥水式平衡顶管机相比于土压式平衡顶管机，能有效平衡地下水、对付流沙和淤泥质地层。同时泥水式平衡顶管施工比土压式平衡顶管施工具有以下优点：a、可连续顶进作业，施工速度快：b、人员不用进入管道作业，安全性高；c、在淤泥质和砂层中顶进，对地质环境影响小，能有效控制施工精度，而且成本低等。

(3)顶管施工主要设备

该工程选取了GTNS中1500泥水平衡顶管机，50T吊机1台、25T吊机1台，后座泵站2套、整体式顶进构架2套、泥水处理系统2套、激光水准仪1台、全站仪1台、水准仪1台、经纬仪1台，另外还有通用设备电焊机、水泵等。

(4)顶管施工工艺流程

施工前期准备测量放样、复核工作井施工搅拌桩施工工作井上下设备安装准备工具头吊装下井、全套设备调试工具头穿墙顶进后续吊放管道一管道顶进、测量控制及纠偏管道排泥和废泥浆外运下管节吊放就位下段顶管顶进一管道贯通、回收工具头闭水试验竣工验收、清场

(5)施工顺序

顶管法施工采取先施工顶管工作井及接收井，后顶进管道，然后施工检查井的施工顺序。顶管工作井及接收井施工、管节制作、顶进施工、检查井施工尽可能平行交叉进行，以缩短工期。

二、顶管工程力学参数确定

1、顶力计算

本工程采用顶管总顶力计算的经验公式进行计算：

F=F0+F1

F0=a peBC2л/4

F1=RSL

F0―始顶力(kN)

F1―管壁摩擦力(kN)

a――综合系数，本工程取淤泥质土系数值1

pe―土仓的压力(kpa)，pe=150kpa

BC=管外径(m)，取2.238m

R―综合摩擦阻力(kpa)，本工程取淤泥质土值2：

S―管外周长(m)，=3.1415*2.238=7.03m：

L――推进长度(m)，本工程考虑L=400m。

初始顶力：FO=1.5*150*2.2382*л/4=885kN

管壁摩擦力：F1=2*7.03*400=5624kN

总推力：F=885+5624=6509 kN=651T

说明：以上的管壁摩擦力计算没有考虑触变泥浆减摩效果，施工是采用触变泥浆减摩，可以有效折减管壁摩阻力。

工具头正面泥水压力：F1=л×D2/4XP

其中

F1 N管泥水阻力(t)

D―顶管外径(m)

a―顶管泥水最大压力(t/m2)

a与土层密实度、土层含水量、地下水位状况有关。根据有关工程统计资料和本工程的分析，估算工具头正面泥水压力为50t/m2左右，F1=×лD2／4×P=π×2.2382/4×50＝196T

管壁摩擦阻力：F2=S×L×f

其中

S―项管外周长(m)

L―最长一段顶管长度(m)

f―综合摩擦力系数(T/m2)

f与管道的埋设深度、土质、地下水位等因素有关。根据有关工程统计资料和本工程的分析，估算综合摩擦力系数f=1.3T/m2。F2=S×L×f=π2.238X60×1.0＝421T

在考虑一次顶进距离为60―70m时，顶管总阻力为以上阻力之和：F=F1+F2≈617t

根据该管径钢管的要求，其不能承受的以上项力，顶力较大，需要增加中继环，顶进的后座采用4个200T的千斤顶，中继环采用10+30T千斤顶，共计300T。顶管中继环布置按照 “工具头20m―中继环一后座60m” 来布置。另外，顶管过程还要采用减阻措施，通常减少管壁摩擦阻力的措施有：管壁与泥土间压触变泥浆减阻(优质膨润土拌制而成)，注浆需要管节间的密封良好，否则浆体会在管节间泄漏起不到应有的作用，减阻效果好时，f―综合摩擦力系数可以降低到0.3－0.8T/m2左右，将触变泥浆的减阻作为保险系数。

管材受力计算

钢管内径d=2220mm，厚度t=18mm，每节管长度6000mm，管的端头采用焊接接头。端面受力面积s＝π×(2.238×2.238―2.22×2.22)/4＝0.063m2

可承受的最大顶力为：F=s×5000T/m2/4＝78.8T。

三、各主要工序施工方法

1、项进前准备所有机械设备交班检查

顶进前，机械工需要进行交接班手续，将记录的设备运转情况表交给下一个班组的机械工，并进行口头的设备运转状况交班，刚上班的机械工需要对控制台、各个泥浆泵、管道、测量系统、工具头等进行例行检查。2、工具头刀盘转动、开进出渣浆泵

交班和例行检查完毕后，接通电源，将工具头的刀盘转动，当设备的参数稳定后，开进出渣浆泵，开始泥浆循环。3、调整进出渣浆泵流量达到平衡

工具头的操作全部采用在管道外(工作井上)控制台控制，只需1个机手操作，可实现对工具头刀具的转动、纠偏控制、压力显示、时时监控(工具头安装了摄像头、控制台上安装了电视机)。

4、泥水处理系统处理好砂土、装车、外运

采用泥水平衡式工具头出土，需要在工具头中注入含有一定泥量的泥浆，通过大刀盘切削工具头前方的原状土，与注入的泥水搅拌，泥水通过吸泥泵排到地表泥水处理系统处理，泥浆可以反复循环使用，处理好的泥沙用泥浆车外运。5、测量工具头的偏位、作好记录、纠偏

测量方法，在工作井后座位置设置测量机座，测量基座由地面引入地下，避免工作井的变形引起的误差，将全站仪放置在其上调平后，使全站仪发射的激光沿着顶进方向水平射出，打在工具头的测量靶位上，通过望远镜读出工具头的偏差。每隔0.5m记录一次。6、1个行程顶完后，整体式顶进构架调节顶块

当顶完1个行程后，停止顶进，调节整体式顶进构架顶块，可继续顶进下一个行程。7、触变泥浆系统

顶进过程中，需要经常进行压触变泥浆工作，以减少顶进的阻力，触变泥浆系统由拌浆、注浆和管道三部分组成。

8、顶完一节管后，拆开各管路、钢管吊装、各管路安装

顶完一节管后，拆开所有管线(电力电缆、信号线、油管、进出泥浆管、触变泥浆管)，进行钢管吊装焊接后，安装好所有管线，继续顶进。

四、总结

顶管过程是一个复杂的力学过程，它涉及材料力学、岩土力学、流体力学、弹塑性力学等诸多学科。但顶管施工必须严格控制好顶管推力，而对顶管计算复核能够准确估计顶管的推力。顶管的推力就是顶管过程管道受的阻力，包括工具头正面泥水压力、管壁摩擦阻力。泥水平衡压力：在封闭的工作仓内加泥水压力平衡地下水压力，是防止泥砂涌入的重要方法。泥水压力一定要合理。压力较小，大量的泥砂涌入，会造成路面破坏，地表设施受损；压力过大，会增大主千斤顶负荷，严重的可能产生冒顶现象。该工程通过了严密的顶管计算，采取了先进的顶管设备，成功高效地完成了该路段顶管施工的工作。