顶管技术在给排水工程中的应用
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顶管施工技术是指在不开挖地表破坏路面的条件下铺设各种地下公用设施的一种技术和方法。凭借其不影响交通、不破坏环境、施工周期短、综合施工成本低等优点，被广泛应用于市政工程。本文结合许昌某污水管道工程对于顶管技术的应用，对目前给排水工程中顶管技术作出了相应的阐述分析，仅供同行参考。
近年来，我国的城市建设不断发展与扩大，城市高层建筑和基础设施的也在不断兴建，地下工程的建设和应用日益广泛，在一些不允许开挖施工的路段，采用顶管技术是一种比较理想的施工工艺，它是地下管线施工中穿越障碍时常用的一种施工技术。
工程概况
许昌市某道路污水管道工程总长约2.5公里，路幅宽度36m。道路下管线分别为D300～D1200 污水管，路北侧埋设一根D1200 污水管。其中一段约486m 长紧贴路侧有大量房屋，管道埋深约为5.7～6.9m，路面下埋有雨水、电缆其它管线。管道底穿越3-1 层粉质粘土层和4-1 层粉土。根据土质等情况提出该段采用长距离顶管一次顶进补位的方案。
开槽埋管和顶管的比选
1.开槽埋管
从地质情况分析： D1200 钢筋混凝土管自重较大，管道位于3- 1 层或4- 1层埋深在5.0～6.0m，管基不易采用原状土基础，须采用钢性基础底板。考虑到地下水位较高，为保证基槽大开挖，既要考虑多种降水方式，又要考虑基槽正常围护，开槽施工时上部土层为粉质粘土层和粉土层，需要采取井点降水以防止地面发生沉降情况，这样增加了施工成本。
2.从管道地基设计方面分析： 开槽后须采用有效的管道基础。先铺设碎石层，加强地基承载力，再做砼底板基础，实施砂石坞管，由于施工中无法避免扰动地基，仍无法有效减少管道实际沉降。而顶管方法由于管与土同体积置换效应和土拱效应，则可在较大程度上减少管道沉降。
3.以施工工期分析： 在道路下开挖埋管施工，工期较长，开挖施工的土方堆放严重影响了交通环境，而且施工造成道路反复开挖，影响了道路的使用寿命，综合考虑不符合城区管道施工要求； 而采用顶管施工工期较短，且场地整洁，道路不需要整体破坏，不影响交通环境。
最后从经济性分析计入降水措施、管道基础、道路恢复、开挖土方量围护费用造价，则在城区施工覆土深度较大的管道情况下采用顶管比开槽埋管经济。
顶管施工的计算与分析
1.顶推力计算
本工程顶进施工采用F- B 型钢承口式Ⅲ级钢筋混凝土管、楔形橡胶圈接口、多层胶合板衬垫。
（1）管外壁阻力W外=NμF=MF
式中W外--管外壁摩阻力；
N--每平方管子外表面上的法向力；
μ--外表面摩擦系数；
F--管子外表面面积；
M--每平方管子外表面的单位摩阻力
M=Nμ。
法向压力： 管顶处为N顶=H有效γ；
管侧1处为N侧1=（H有效+D外/2）λ1γ；
管侧2处为N侧2=（H有效+D外/2）λ2γ；
管底处为N底=（H有效+D外）γ+G/D外。
式中，H有效为有效覆土高度。当机具头的刃脚压入土层时，在刃脚和后续顶管上将形成一个拱顶，这样压在管子上的就不是管顶上方的全部土体，而只是部分土拱。其拱高即为有效覆土高度H有效。H有效随时间增大，直到达H最大为止。最大覆土高度数值取决于土层，管子外径，总覆土高度H总，以及车荷震动等外部影响，而且与时间相关。前式中γ的取值：
当土拱整个位于地下水位下： γ水下=γ干-8
当土拱部分位于地下水位下： γ平均=（H水上γ水上+H水下γ水下）/（H水上+H水下）
当水平顶管时，把管顶、管侧、管底法向力取算术平均值：
M=μ [γ平均（H有效+D外/2）（λ顶+λ侧1+λ侧2+λ底/4）+G/（4D外）]
式中，λ为主动或被动土压力系数。顶管总长为L时，总管外壁摩阻力为：
W外总=MFL=NμFL
如设中继间时，第一个中继间的顶推力为：
P1=（D2外π/4）B+D外πL1M
式中，L1为机具头到第一个中继间的距离。
其后第二个中继间的推力为： P2=D外πL2M
式中，L2 为第一个中继间到第二个中继间距离。
（2）顶管前壁阻力：W前=（D2外π/4）B
式中D外--机具头外径；
B--前壁单位面积阻力。
（3）合计顶推力：P=W外总+W前
通过顶力计算，在顶进168m 处（即56节管接口处）设一个中继间，通过中继间再将57m 管道（19 节管）顶入接收井。施工方法采用土压平衡法顶进，采用4 个200t 千斤顶合计800t 极限顶力。实际施工中最大顶力约为700kN。
2.顶进工作坑计算
工作坑采用排水法沉井施工，兼作检查井之用。在实际顶管过程中，通常不考虑侧壁范围内摩阻力和底部摩阻力。这是因为顶力反复作用下，造成空隙水压力增大，有效应力降低，且井外壁空隙灌砂不实或土体未能完全固结E顶力偏心作用，使底部摩阻力有所减少。
P≤（Fp- Fa）/S
式中P--最大顶力值；
Fp--作用于后壁的被动土压力；
Fa--作用于前壁的主动土压力；
S--沉井稳定系数，S=1.1～1.3，粉质粘土地基宜取1.2。
3.接收坑采用沉井法施工，并兼作检查井之用。
4.钢筋砼检查井。作为中间连接支管的检查井。在井位处，采用骑马井工艺施工污水检查井。
顶管施工要点
1.采用触变泥浆，向管道外壁压入一定量的减阻泥浆，在管道形成一个泥浆套，减小管节外壁和土层间的摩阻力，从而减小顶进时的顶力，泥浆套形成的好坏，直接关系到减阻的效果。利用泥浆套的支承作用，减少粉质粘土坍塌，形成的地层流失，以控制地面沉降。对顶管机头尾端的压浆要紧随管道顶进同步压浆，在中继间和中部管节处须跟踪补浆，泥浆的实际用量要比理论用量大得多，一般可达到理论值的4～5 倍。通过以上压浆措施，达到予期效果。
2.顶进中须严格按设计线路顶进，可利用削土刀盘上可伸缩的超提刀，结合千斤顶编组进行纠偏。经常对顶进轴线进行测量，检查顶进轴线是否和设计轴线相吻合。在正常情况下，每顶进一节混凝土管节测量一次，在出洞、纠偏、到达终点前，适当增加测量次数。施工时还要经常对测量控制点进行复测，以保证测量的精度，通过及时纠偏，相邻管间错口
3.洞口止水，顶管工程中，为使管子能顺利从工作井内出洞，一般采取工作井预留洞口比管节外径略大些（一般为100mm）的方式，顶进时此间隙需采取有效措施进行封闭，我们采用的洞口止水方法是在沉井制做时，预先在洞口预埋一个10mm 厚钢法兰，在钢法兰上焊接螺栓，安装16mm 厚橡胶法兰，用10mm 厚钢压板压紧，在我们完成的顶管中，未发现地下水和泥砂流入工作井内，同时橡胶法兰和压板可以回收，效果很好。
4.进出洞是顶管施工中的一道重要工序，因为穿墙后掘进机方向的准确与否将会给以后管道的方向控制和井内管节的拼装工作带来影响。穿墙时，首先要防止井外的泥水大量涌入井内，严防塌方和流沙，本工程管道位于粉质粘土层较松散，在水位下呈流塑状，则必须在管子顶进方向距离工作井边一定范围，对整个土体进行改良或加固，采用了井点降水措施，以提高这部分土体的强度，防止掘进机出洞时塌方。其次要使管道不偏离轴线，顶进方向要准确。
5.在建筑物密集处和路面上须作监测布置，观测地表变形和土移，有效避免房屋开裂和路面沉降。
6.顶进中遇障碍物后的顶进处理，成为困扰施工的难题，如突遇大量埋木、石块及老河道驳坎等等，都需现场研究给出解决的技术措施。
结 语
总之，顶管施工相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，能从根本上改变城市管网乱挖现象，另外考虑到保护环境，加大推广顶管施工技术力度势在必行。
（作者单位：许昌市建设工程质量监督站）