顶管工程施工技术

任恒学

摘要：本文通过对合肥市包河大道高架工程一标段污水顶管施工技术进行讨论，对施工时顶进方案选择、顶力计算、后背计算、设备安装等几部分技术要点做了详细的解析。

关键词：包河大道高架；顶管技术；施工；技术措施

1.工程概况

合肥市包河大道高架工程第一标段位于合肥市包河区内，主线起点位于繁华大道以北约160米处，终点在花园大道以北约50米处顺接现有包河大道地面系统，全长2.549km，红线宽80米，顶管总长906米，管道最深埋深10米，都为污水管道。该区间污水管道全部采用顶管进行施工。

管道施工采用顶管施工，顶管工作坑采用砖砌倒挂井法施工。顶管施工管材采用Ⅲ级钢承插口钢筋混凝土排水管（即“F”型），管道接口承插接口。

2.工程地质及水系特征

2.1工程地质

根据现场地质调查，及设计院高架桥勘察资料，本标段土分布自上而下分为：

①1层路面结构层：灰色、杂色、灰黄色等色，表层0.18～0.25m为坚硬砼或沥青，0.25～0.8m为中密状态碎石、粉煤灰垫层主要分布在道路沿线表层。

①2层填筑土：灰黄、灰色，松散～稍密状态，主要由软塑～可塑状态的粘土、粉质粘土组成，仅在局部地段分布。

①3层填筑土：黄褐、灰褐、灰黄等色，主要为硬塑状态的粘土、粉质粘土，含石灰，砖块、碎石等。

②层耕植土：灰、灰褐、褐灰等色，分布于田地表层，干旱天气呈干松状态，雨天呈松软稀糊状态，厚度0.5m左右，局部树林分布区段该层厚度一般0.8m左右。

③层高液限粘土：黄、灰黄色，可塑～硬塑状态，局部夹低液限粘土薄层，含铁锰结核、灰白色高岭土条带，网状裂隙发育，裂隙面光滑如镜，具油脂光泽，无摇振反映，属合肥地区典型的膨胀土，分布于整个场地。属弱-中等膨胀土。

2.2水系特征

勘察期间未见稳定的地下水水位，地下水类型主要为上层滞水，主要为大气降水补给，地下水位随季节而变化。

3.分部分项施工方案

3.1工作井施工方案

1、施工方法

管网施工采用“圈井”法施工顶管工作井，圈井一般为圆形，工作井井内径4500mm，砌筑井身施工顺序为：基坑开挖——砌筑上部井身——对称向下掏挖、砌筑(圈梁浇注)——浇注后靠背及底板——安装导轨——顶管施工。

2、施工工况分析

圈井施工：基坑开挖定位后，根据土质情况及施工条件，开挖2～3m，找平。基坑找平后，用M7.5砂、MU10号砖37墙筑上部井身。工作井井口高出地面15-20cm。井口周围使用混凝土硬化，防止雨水进入或者滚入工作井。上面并且用钢管围挡，围上安全网。上部井身强度达到70％设计强度后，人工往下开挖。挖土时，先挖井中心土，每次向下挖0.5m左右，然后对称掏挖井壁下的土，每次掏挖宽度不大于0.6m，深度不大于0.5m。掏挖后，立即用M7.5砂浆砌MU10号砖砌筑掏挖部分的井身。依上述顺序循环向下掏挖，砌筑，直至设计标高。掏挖到设计标高后，井底用C15素混凝土封底。在工作井深4m处设置一道350*370钢筋砼圈梁，超过4m后，井深每2m设置圈梁一道。混凝土圈梁应设置在后背墙上方，其他根据顶管的埋深不同来确定圈梁的具体位置，施工圈井时，注意砌体应边角整齐、圆面平顺，灰浆饱满，不得留有通縫。根据本次施工情况，对圈井施工过程及施工完成后进行结构强度检算，检算时，不考虑工作井设置的圈梁的安全储备。根据本工程的情况，工作井深度取最大深度10m进行检算。

图1 平面施工顺序示意图

3、计算分析

根据地质资料的显示取γ=18KN/m3,内摩擦角φ=18°，地面以下4.5米有水。

最深段的总压力为：

P=γhtan2（45°-φ/2）+（γ-γ水）（H-h）tan2（45°-φ/2）+（H1-h）γ水

P=18×4.5×0.527+（18-10）×（12.5-4.5）×0.527+（10-4.5）×10

=131.415KN/m2

P取1.3倍的安全系数，故p取172KN/m2=0.172N/mm2

砖砌倒挂井的外径5.24m，墙壁采用M10水泥砂浆，MU10烧结普通砖砌筑，厚度暂定370mm，用30mm厚的M10水泥砂浆填实砖于土壁间空隙。

砖砌护壁承受的环向应力

σn=PD/2t=0.172×5.24/2×370=1.22N/mm2＜f=1.89N/mm2

砖砌护壁承受的径向应力

σa=P/2=0.172/2=0.086 N/mm2＜fv=0.17N/mm2

由验算可知σn、σa分别小于f和fv，故砖砌护壁满足要求。

考虑到目前砖的质量，与砌筑时的质量，会有所下降，故砖砌倒挂井上面4m采用370mm墙，以下采用370mm墙，2米设置一道C30混凝土圈梁，圈梁厚度300mm，内部设置4根和6根直径12的钢筋，及直径8mm的200mm间距的箍筋。具体见图示。

图2 结构示意图

计算结果显示，在综合考虑水、土压力作用下，工作井采用M10砂浆砌MU10号砖37墙，强度和刚度均能够满足强度要求，砌体墙身最大压应力并且该计算结果未考虑井底钢筋砼圈梁加强作用，全部作为安全储备，可确保施工安全。考虑地下水位较高，在施工时根据地下水量设置泄水管。

出土采用卷扬机架设在井口上方，但不得直接放在工作井壁上，固定好不得移动，用钢丝绳捆绑架子车然后出土，出土时人员暂停施工，不得站在小推车的正下方。

3.2顶管施工方案及技术措施

1、管道顶进方案的选择及顶进单元长度的确定

顶管方案选定：根据施工图设计，本标段管道直径为D1000及D800，管道穿越土质多为粘土土层，地下水为地表径流水，根据以上特点设计采取手掘敞开式顶进方案。

顶进单元长度的确定：根据施工现场实际情况及施工平面图设计，每一个设计单元井室距离设定为一个管道单元顶进长度。管道最大单元顶进长度为75m。

2、顶力计算

手掘敞开式顶进施工方案的顶力按下面方式计算：

根据施工方案的选择，管道采取手掘敞开式顶进施工方案，管道最大顶距为75米，管道的最大顶力可按下式计算：

F=F1+F2

F为最大总顶力kN，F1为迎面阻力，F2为顶进阻力；

F1=1/4×D2×P（D为管外径，P为控制土压力）由于采用手掘敞开式顶进，故F1=0；

F2=D×f×L（式中f为管外表面平均综合摩阻力，按最不利取值0.8/m2）；

D为管外径1.2m，L为顶距取最大距离75m；

F2=3.14×1.2×0.8×75=226.08t

考虑非正连续顶进，226.08×1.5=339.12t；采用一台顶力为400t千斤顶满足要求。

3、后背计算

后背不允许出现上下或左右的不均匀压缩。否则，千斤顶在余面后背上，造成顶进偏差。为了保证顶进质量和施工安全，施工时应注意后背的强度和刚度计算。

图3 靠背受力分析图

后靠背受力计算公式：

式中：

R-总推力之反力（一般大于推力的1.2－1.6）；

a-系数（取1.5－2.5之间），此处取2；

B-后座墙的宽度（m），此处取2米；

γ-土的容重（KN/ m3)，18KN/ m3；

H-后座墙的高度(m)，此处取2米；

Kp-被动土压系数 ，此处取1.48；

c-土的内聚力（kPa) 一般情况下取10；

h-地面到后座墙顶部土体的高度（M），此处取8米。

按上式计算，圆形工作井后靠背能承受顶力：

R=2×2×(1.8×2.0×1.48/2+2×10×8×1.480.5+1.8×8×2×1.48)=959 T＞1.6倍实际顶力226.08T 。完全能满足要求。

千斤顶支撑在厚为5cm的钢板上，钢板后紧贴截面尺寸为2 *2*0.4m的C30砼。钢板、砼自身所能承受的压力均远大于顶力。故后背满足要求。

4、顶管的工艺流程及进出洞措施

（1）顶管施工工艺流程为:

安装导轨→设置后背→安装设备(千斤顶组合)→工作井出洞→掘进挖土→接管→顶进→出土→运土→测量→纠偏→接受井进洞→竣工测量→收尾。

（2）工作井管道出洞

出洞前的准备：（1）在甲方指定的临时工作区域内，合理布置施工场地，安排好出土运输、起重机、水泵等位置。管节堆放处应事先清理平整，管节堆码应排列整齐，在堆放管节时须用专用吊具，吊放动作应平稳，就位后立即用三角木垫稳。（2）每批管节到工地后，应会同工程师或其代表逐节检查管节质量。对质量有问题的管节做好标记，通知工程师及厂方，及时采取修补、更换措施。（3）在出洞前应通电试车正常，复核导轨位置尺寸。（4）为防止工作井出洞口处的既有管道损坏，必须对工作井出洞口进行加固，洞口土体缝隙填满，保持不坍塌的情况下顺利推进。

顶进：（1）测量：水平、高程的偏差均通过激光经纬仪测定，仪器应固定在工作井的底板上，坐标中心在轴线上。顶进时激光经纬仪常开启，操作人员通过测量数据及顶进的长度分析念头发展趋势，确定应采取的纠偏方法。激光经纬仪必须按规定的顶进长度或测量时间进行水平、高程的方向校正。（2）纠偏：可采用“校正”、“恢复”两种方式 。“校正”方式是根据管道与设计中心线之间夹角大小，确定需要采取的纠偏措施。恢复是管道前端趋势恢复后要保持恢复状态。

4总结

经过多年的发展，顶管技术在我国已得到大量地实际工程应用，且保持着高速的增长势头，无论在技术上、顶管设备还是施工工艺上取得了很大的进步，在某些方面甚至达到了世界领先水平。本文通过对包河大道高架工程顶管施工技术的讨论，为顶管施工方法提供了一定的实践参考。

参考文献

[1]庞小平，翟金明.顶管施工工艺及质量控制创新研究[J].经济技术协作信息，2010.

[2]杨志贵. 顶管工程施工技术要点解析[J].甘肃科技，2011.27（95-97）.

[3]李茂丹.顶管施工在穿越城市公路干道的运用[J].企业技术开发，2011.03.

[4]杨传国.顶管施工過程中存在问题及应对措施[J].中国新技术新产品，2010.10.