某市政给排水工程的顶管施工技术

　　摘要：顶管施工技术近年来在我国发展迅猛。市政工程中采用顶管施工可以将作业面移入地下，从而避免了对地面交通的影响。只要施工前选线合理，施工方法恰当，构筑物并不妨碍施工的正常进行。本文就顶管施工工艺以及在市政给排水管道工程的应用作了简要阐述，并展望以后顶管方法日渐成熟，可成为市政建设中的一种常用技术。
　　关键词：市政工程、给排水施工、顶管施工、沉井措施
　　一、工程概况
　　某市政排污管道工程位于市中心繁华地带，交通繁忙且疏解困难，地下管线密集，渠箱明挖施工无法进行。采用两条直径2m混凝土管，顶管长度约80m，管距0.5m，流水位标高为3.1m，埋深约5.5m。
　　1、地层自上而下依次为杂填土、粉土、粉质粘土和泥质粉砂岩，部分地段厚度为2m～10m中砂层。
　　2、管道沿线水文地质资料表明：该工程场地地质结构复杂，管道穿越土质主要有杂填土、含砂粘土、中细砂层和强风化岩等，地下水在地表以下2m左右，管道处于地下水位以下。
　　二、施工方案的确定
　　（1）顶管法施工的原理
　　顶管法施工原理是在管道的沿线按设计的方案设置工作井和接收井，工作井内设置坚固的后座，吊进油压千斤顶以及要顶进的钢管或混凝土管，接好照明，泥浆管，油管等管线，然后用油压千斤顶缓慢顶进，通过压浆系统使管节周围形成泥浆套，管道在泥浆套中滑行，在顶进的过程中通过激光经纬仪测量顶管的方向，边顶进边排土边调整，直至将钢管或混凝土管顶至接收井内。
　　（2）顶管法施工适用条件
　　在污水管道直径较大（Φ600mm以上），施工现场无法有采用明沟开挖埋管施工而管道沿线又无其它建筑物基础时，可考虑采用使用顶管法施工。由于周边地下管线繁多，车流量大、交通繁忙，为降低施工影响，尽量减少开面，同时为防止流砂，选择沉井法构筑工作坑。
　　三、顶管施工工艺流程
　　施工准备→测量放线→工作坑构筑→工作坑设备安装→管道出洞准备→挖土掘进→压力推进→接口安装→进洞→砌筑检查井→竣工验收。
　　四、工作井设计与施工
　　4.1工作坑的设计要求
　　（1）工作坑尽可能选在检查井处，待顶管施工完成后直接构筑检查井；（2）单向顶进时，应选在管道走向下方；（3）根据地形和土质情况，充分考虑原土靠背的抗压能力；（4）工作坑与周边或需穿越的建筑物、构筑物应有一定的安全距离。
　　4.2工作坑尺寸的确定
　　工作井井底长、宽尺寸可按式（1）、式（2）确定。
　　W=D+（2．4～3．2）→（1）；
　　L=Ll+L2+L3+L4+L5→（2）；
　　（1）式中W为工作井底宽度，m；D为被顶进管外径，m；（2）式中L为工作井底长，m；L1为管节顶进后，尾端压在导轨上的最小长度，混凝土管一般留0．3m；L2为每节管长度，m；L3为出土工作间隙，一般为1．0～1，5m；L4为千斤顶长度，m；L5为后背墙厚度，m；
　　本工程工作坑和接收坑采用6m×4m矩形坑，工作井护壁为厚0．4mC30钢筋混凝土，底板为厚0．5m钢筋混凝土，井内设集水井。其中接收坑内不设置靠背系统，混凝土墩台加受力面铺设钢板并灌注水泥浆加固做靠背。
　　4.3工作坑施工
　　（1）工作坑采用沉井法施工。考虑到此处地下水位较高，且需穿越砂层，为防止流砂，采用不排水下沉的施工方法，必要时向井内注水，使井内水位稍高于地下水位，保持水压平衡。①具体要求(a.井内挖土深度，一般根据土质而定，最深不应低于刃脚下2m。b.尽量加大刃脚对土的压力。c.通过粉砂，细砂等松软地层时，不宜以降低井内水位而减少浮力的办法，促使沉井下沉。应保持井内水位比井外高1—2m以防止流砂涌向井内，引起沉井倾斜。
　　d.除了纠偏外，井内的土应由各井孔均匀清除，各孔内高差不超过50cm)；②抓土下沉施工(抓土一般锅底比刃脚低1—1.5m，刃脚周边不易坍落时，应采用高压水抢冲刃脚部位辅助下沉，多孔井时，每个井孔需配备一套抓土设备。出土方式可采用特制的挂勾甩土或利用井顶运输轨道)
　　（2）为防止井筒倾斜，挖土时注意对称均衡挖土。为防止突沉，坑底开挖深度一般不得超过0.5m。
　　（3）待下沉到施工所需高程后，立即铺垫碎石垫层，浇筑水下混凝土进行封底，并留钢封水管，待混凝土达到应有强度后将水抽去，封闭钢封水管，再做底板。
　　（4）根据地质情况，坑底铺设50cm片石垫层，10cm素混凝土防水垫层，50cm厚C20钢筋混凝土底板，基坑采用DN600钢支撑支护。
　　4.5沉井的施工测量
　　（1）沉井顶面中心测量
　　在岸上导线点利用红外线测距仪，直接测出沉井中心位置或利用预先设置的基线三角网进行交汇法测出沉井中心位置，根据中心位置检查沉井各点下沉中的偏差，在施工中予以纠正。
　　（2）刃脚标高测量
　　a.沉井下沉前求出刃脚假定标高，下沉接高时，将刃脚底面标高返至井顶面。b.接高测量：沉井接高时，其基准面也要逐节向顶面返，保持上、下基准面平行，竖向轴线垂直。c.下沉深度测量：按实测顶面标高和量得的沉井高度，计算下沉深度标高。d.当最后一节沉井，下沉至顶面露出水面0.5m时，应设置防水挡土墙围堰，再继续下沉至设计标高。
　　4.5、沉井施工过程中的质量控制措施
　　（1）井筒倾斜的观测及校正
　　在沉井施工过程中，必须随时观测倾斜情况。井筒倾斜可由以下因素造成：刃脚下面的土质不均匀、井壁四周的土体侧向压力不均衡、挖土进尺不对称以及刃脚下有障碍物等。因井筒内四周挖土进尺或土质不均，土体耐力不一致导致的井筒倾斜，可采用不均衡挖土法或采用加载法加以校正。
　　（2）井筒不沉
　　如土体摩擦阻力较大，导致下沉缓慢或不能下沉时，宜采用高压水枪沿四周均匀冲射土体，以减小摩擦阻力，使井壁下沉。因物体阻碍，则应及时挖除障碍物。
　　（3）井筒裂缝
　　因四周土压力不平衡或挖土时障碍物支撑井筒的若干点，而混凝土强度不足时，可能产生裂缝。施工时应使井筒达到规定强度后，方可下沉；也可在井筒内安设钢支撑支护加固。井筒产生裂缝后，应尽快分析产生的原因，如由土体压力不均造成的应在裂缝面井筒外侧挖土，以减少该向的土体压力；如果是障碍物造成的应及时拆除障碍物，以减小局部应力，防止裂缝继续扩大。采用水泥砂浆，环氧树脂或其他补强材料对裂缝进行补强处理。
　　（4）沉井的抗浮
　　由于沉井位于地下含水层内，可能产生上浮。施工过程中，可采取增加构筑物的附加荷载，增加下沉摩阻力，减少刃脚开挖深度，防止地面水流入等措施抗浮。封底时结构重量应大于地下水产生的浮力。
　　五、顶管顶进压力的确定
　　1、顶管施工的关键问题是准确估算顶管施工所需的推力（顶进压力）。顶管推力的主要组成是推进过程管道所受的阻力，包括工作管切土正压力、管壁摩擦阻力及泥水平衡压力。
　　2、工具管切土正压力F1与地质情况及工作管形式有关。一般情况下软土层土体正压力为20t/m2～30t/m2，硬土层为30t/m2～60t/m2。
　　3、管壁摩擦阻力F与管壁土体间摩擦系数及土体压力大小有关。管壁摩擦阻力在100kg/m2～500kg/m2。
　　4、泥水平衡压力F3穿越流砂层，工作管密封，水力出泥。采用泥水压力平衡地下水压力，防止泥砂涌入。泥水压力选择应合理。压力过小，泥砂易涌入，造成路面破坏，压力过大，则增大设备负荷。一般取10t/m2～20t/m2。
　　5、根据上述受力分析，该工程管道在顶进过程中管道所受阻力约为：F=F1+F2+F3=（30～60）×1×3.14+（0.100～0.500）×2×3.14×80+（10～20）=155t～459t。
　　6、考虑不可预见因素，顶管设备推力按其计算最大阻力的1.5倍取值，应选择设备顶进推力不小于700t。
　　六、靠背结构及靠背的承载能力
　　1、靠背承载能力，根据顶进需要的总顶力，运用靠背土压力公式核算后背受力及挡桩的长度，使土体所受的力小于土壤的允许承载力。
　　2、靠背作为千斤顶的支撑结构，要有足够的强度和刚度，且压缩变形要均匀。顶力反作用力下，不应产生塑性变形。
　　3、该工程选用人工挖孔桩做靠背，桩长应大于10m，桩前构筑50cm钢筋混凝土墩台，并在受力面采用55mm钢板敷垫。
　　4、为保证受力均匀，应严格控制墩台的平面度和垂直度，应与管线中心垂直；人工挖孔桩应与桩芯咬合，桩芯强度达到强度要求后，方可进行顶管施工。
　　七、顶管施工
　　1、顶管施工出土方法
　　顶管施工采用人工掘进顶管施工，人工挖土，小型手推车运土，卷扬机垂直提升出土。如遇流砂层，则将工具管密封，加气排水，水力出泥。
　　2、工作坑内设备安装完毕，经检查符合要求后，进行管道顶进施工
　　首先将管子下到导轨上，就位以后，装好顶铁，校测管轴线和管底标高，其符合设计要求后，进行管端挖土。安装好顶铁，挤牢，管前端掘进一定长度后，启动油泵、千斤顶组成的液压系统，将管子推进一定距离。停止油泵，打开回油控制阀，千斤顶活塞顶杆回缩。添加顶铁，重复上述操作，直至安装下一节管子。
　　八、结语
　　本工程在采用顶管施工技术后，减少了大量的土方开挖量，缩短了工期，减小了对周围建筑物和周边居民影响。取得了良好的经济效益和社会效益。掌握工艺设计与施工技术要点有助于合理选择市政排水施工工艺，更好地为市政工程服务。
　　
　　
　　参考文献：
　　[1]现行市政工程规范大全【M】．北京：中国建筑工业出版社，2003．
　　[2]周民强.顶管施工技术[J].甘肃水利水电技术,2005(1).