要:
随着我国现代化城市建设的不断发展,水利工程基础建设步伐的逐步加快,地下空间开发工程逐步增多,各种地理环境的特殊性也增加了地下工程建设的难度。本文结合工程实例对水利工程中的顶管施工技术进行了阐述。

关键词:水利工程;顶管技术;设计;施工

顶管技术又称非开挖管道敷设技术,它具有不需要开挖面层,就能穿越地面构筑物和地下管线吸公路、铁路、河道的特点,相比开挖敷设技术,投资和工期将大大节省。同时,顶管施工技术可以降低噪音,减少粉尘,减轻对城区的交通条件和环境状况的干扰和破坏,属于真正的无污染、高效率的施工技术,故顶管施工必将在城市建设中得到广泛的应用和发展。为了更好地保护城市环境,方便居民,生活,减少施工造成的交通影响,目前各个城市都在积极推行顶管施工技术。

1 工程实例

正坑排洪渠整治工程三标松山湖大道处,因渠道经过松山湖大道,需下穿松山湖大道而建。涵管下穿的渠道水力要素为:Q设=30m3/s,i=1.5/10000,h设=3.4m,△h超=0.75m,H总=4.15m。工程地质为坡残积砂质黏土,外堤为利用渠道开挖的砂质黏土人工夯填而成。涵管管材为钢筋砼管,涵管内径2.4m,每节长3.0m,总长度66.0m,涵管管顶距渠底2.5m,工作坑形状为方形,采用沉井法施工,后座墙采用现场浇筑整体式混凝土墙,施工顶进方向从工作井向接收井进行。

2 主要工程技术

顶管施工是一种不开挖沟槽而敷设管道的工艺,它运用液压传动产生强大的推力使管道克服土壤摩阻力顶进的施工技术,主要难点是临近渠道水体,渠道水下渗引起的开挖面涌水或塌方破坏问题。
2.1 施工工序
现场调查→工程降水→测量放线→工作井定位与开挖→工作井基础、导轨及附属设施施工→后背设计与施工→顶进设备与设施准备→渠道必要的加固或停水→下管→挖土→顶进→测量校对→接口→附属工程施工→压浆。
2.2 前期准备
顶管施工属于地下工程,影响施工的因素很多,施工前应探明地质,组织施工人员认真学习施工技术文件,了解施工范围、管道沿线的地形、地质水文地质条件,完成作业范围内地下管线等调查并保护,编写好顶管施工技术组织设计,制定好可靠的进洞措施。
顶进施工前应根据设计资料,结合地形、地质情况,对涵管位置、方向、长度、出入口高程等进行校对,施工期应避开渠道供水高峰期和雨期。
工作井要保证施工期间连续排水要求,顶进作业应采取降水措施,地下水位应降至基底以下0.5~1.0m,经常保持顶管掘进机底部无积水现象,如遇积水,应及时排除,以防止土体基底软化,雨期施工还应做好地面排水。
对涵管同时布置监测点,必要时监测顶进施工期间的渠底沉降量。管道接口形式选择钢承口管接口形式,钢套环与混凝土管处采用水膨胀橡胶止水圈止水,以防止结合面产生渗漏。施工前应检查管道接口处护口铁和承插口,钢套环接口无疵点,焊接接缝平整,并经防腐处理,承插口处不得有缺棱掉角,对外观质量及回弹强度不合格的管材应予立即退场。
2.3 总推力复核
总推力的大小确定,是以工作井能承受的最大推力、管材所能承受的最大推力和全程顶进所必须具有的推力这三者中的最小值为依据的,顶进施工前应进行复核。
根据地质勘探的结果确定管线穿越的土层的最大顶力计算公式为:
P=frD[2H+tan2(45°-φ/2)+ε/]L
式中:P为计算总顶力,kN;r为管道所处土层的重力密度,kN/m3;D为管道的外径,m;H为管道顶部以上覆盖土层的厚度,m;φ为管道所处土层的内摩擦角,°;ε为管道单位长度的自重,kN/m;L为管道的计算顶进长度,m;f为管壁与土间的摩擦系数。
考虑到顶管顶进采用人工在管前端开挖,因此,计算最大顶力时只考虑管道自重及土的侧面土压力和管道与土的摩擦力即可。
核算后背1m宽度上土壤的总被动土压力,使土壁单宽上受力不大于土壤的总被动土压力,1m宽度土壤的总被动土压力计算公式为:
P=0.5rh2tan2(45°+φ/2)+2Chtan(45°+φ/2)
式中:r为土壤的重度,kN/m3;h为天然土壁后背的高度,m;φ为土壤的内摩擦角,°;C为土壤的黏聚力,kN/m2。
管材所能承受的最大顶进力计算公式为: 式中: [Fr]为许用顶力,kN;
σc为管体抗压强度,kN/m2; A为加压面积,m2; S为安全系数,取S=2.5~3.0。

3 技术要点

管涵顶进采用前高后低,坡度控制在3%左右,地下水位以下顶进时,工作坑要设在涵管下游,逆管道坡度方向顶进,有利于施工期间管道排水需要。
顶管采用在管前先挖土,后顶进的手工掘进顶管法作业,开挖从上往下开挖,开挖面的坡度控制在1:0.75,轴线超挖量≤0.3m,渠底下适当减短,管节上部超挖量≤15mm,管节下部135°范围内不应超挖,严禁扰动基底土壤,在顶进过程中应采取随挖随顶的原则和“勤测量、多微调、紧封闭”的操作方法。
为控制顶进方向,应在涵管外50~100m处设置导向墩,控制点应设在不易扰动、视线清楚、方便校核、易于保护处。管节顶进中,每一顶程都要对中线和高程进行观测,发现偏差及时纠正,左右偏差可采用挖土校正法和千斤顶校正法调整,上下偏差可采用调整刃脚挖土量或铺筑石料等方法调整。
液压设备启动时应空转一段时间,检查系统无异常后顶,顶进开始时,应缓慢进行,待各接触部位密合后,再按正常顶进速度顶进,液压千斤顶顶紧后(顶力约为0.1倍结构自重),应检查顶进设备、后背设施和工作坑周围土体稳定情况,无异常后分级加压(5~10MPa为一级)试顶,并严密监测,当顶力达到0.8倍结构自重时涵管未启动,应停止顶进,待找出原因采取措施后才可以重新加压顶进,顶进中若发现油压突然增高,应立即停止顶进,检查原因并经处理后方可继续顶进,顶进作业面上还应设专人监护。
顶进作业应昼夜三班不间断连续进行,不得长期停顿,防止造成阻力增大,增加顶进难度,或因中途停置地下水渗出,造成坍塌破坏。涵管顶进作业停顿时应使刃角有足够的吃土量,当停顿时间较长,为防止开挖面的松动或坍塌,应对挖掘面及时采取正面支撑或全部封闭措施。
在管道顶进施工中,应不间断的测量并详细记录以下工艺参数:①顶进力;②管道在垂直高程和侧向位置的偏离情况;③管道顶进长度等。记录数据中必须包括如下信息:施工时间、施工现场的详细位置、地层和地下水条件等,异常应停止顶进,分析原因并处理后方可继续顶进。顶进中的施工记录是提高顶进质量的保证,每班组按规范要求真实、清晰、完整地填写好顶管记录表格和施工中的情况,交接班时,必须认真交接清楚记录,交清管道轨迹和纠偏趋向,并说明在顶进操作中所出现的问题及处理情况。
为了顺利完成顶管接收工作,进洞口土体应采用门式加固法进行加固封门,即对所顶管道破堤处两侧和顶部一定宽度和长度范围内的土体进行加固,以提高这部分土的强度,从而使涵管在进洞中不发生坍洞或涵管管顶不带出土方现象。洞口加固采用低标号混凝土砌堵砖封门,也可用低标号的混凝土取代砖头,涵管到达时把封门拆除。

4 结束语

顶管是非开挖埋设地下管道的工程技术之一,
对于开槽埋管从社会效益与经济效益上来讲更具有优越性。不需要修建围堰或断水进行施工,不破坏环境,施工受气候和环境的影响较小,不影响管道的段差变形,降低工程造价显著等优点,加强对工程实施过程中的监督管理,抓住关键问题和重要工序,严格遵守设计,旨在不断地加强施工技术水平及保证工程的质量。

参考文献 [2] 马奋涛等.
市政给排水工程中的顶管施工技术[J].科技创新报,2009,