顶管技术在东圳灌区排水涵管施工中的应用.pdf

2 0 1 2年第 7期 ( 第 4 0卷 ) 黑龙江水利科技 H e i l o n g j i a n g S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f Wa t e r C o n s e r v a n c y No 7 2 01 2 ( T o d a l N o 4 0 ) 文章编号： 1 0 0 7 7 5 9 6 ( 2 0 1 2 ) 0 7 0 0 3 3 0 3 顶 管技术在 东圳灌 区排水涵管施工 中的应 用 陈 锋 ( 福建省莆 田市东圳水库管理 局。福建 莆 田 3 5 1 1 3 7 ) 摘 要 ： 顶管施工技术具有不开挖地面， 缩短管道铺设工期等优点， 该技术在道路、 市政工程中应用较普遍， 但在水利工程较少采用。 通 过福建省 莆田市东圳灌 区干渠水利工程顶管施工技术的实践应用 ， 分析 和总结 了顶管施 工工序 、 施 工技术要 点等施工技 术及若干事故 问题 的处理方法 。 关键词 ： 渠道； 顶管技术； 施工工序； 总推力； 东圳灌区 中图分类号 ： T U 9 9 2 文献标识 码 ： B 0引 言 福建省莆田市东圳灌区渠系工程于 1 9 5 9年动工兴建 ， 1 9 6 0年 4月建成通水 ， 1 9 7 9年进行渠系改造扩建， 灌区总耕 地面积 3 1 7万 h m ， 设计灌溉 面积 2 0万 h m ， 有效 灌溉 面积 1 5万 h m ， 灌 区受 益 范 围包 括 ： 秀 屿 区 、 荔 城 区 、 城 厢 区 的 1 7个 乡镇 ， 2 5 0多个行 政村 ， 受益人 口 1 5 8万人 。渠 系工程包 括一条长8 9 k m的干渠和 2 4条总长 2 4 2 k m的支渠， 其 中大 部分骨干渠道工程盘山而建， 穿越沟壑采用开挖的砂质黏土 人工夯填而成 ， 造成内山坡部分土地、 建筑物、 居民区和单位 地面 高程低于 渠堤而成低洼地 ， 其 区间径流采 用穿渠排水 涵 洞排洪， 因近些年灾害性天气引起的超设计洪水频繁发生， 为 解决渠道 内山坡居 民区和有关单 位经常受 淹问题 ， 需要对排 水涵洞增扩建， 在这些工程建设中， 相关建设单位采用了道 路、 市政工程建设的顶管施工新技术， 值得我们学习、 借鉴和 探讨 。 1 工 程实例 1 1 延寿 山庄排水顶管涵管 该涵管位于东圳灌区干渠 4 K+ 3 0 0处， 因渠道内坡莆田市 延寿山庄酒店开发 ， 需改变原山坡径流走向而增建。涵管下穿的 渠道水力要素为： Q 设= 3 0 m a s ， i =1 5 1 0 0 0 0 ， 内边坡 m= 1 5 ， 外边坡 m= 2 0 ， 渠底宽b = 5 8 m， 渠顶宽曰= 5 0 m， h 设= 3 4 m， Ah 超= O 7 5 m， = 4 1 5 m 。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。涵管管材为玻璃钢 管成品， 涵管内径 1 6 m， 外径 1 7 m， 每节长 3 0 m， 总长度 3 3 0 m， 涵管管顶距渠底2 5 m， 工作坑形状为圆形， 采用沉井法 施工， 后座墙采用现场浇筑整体式混凝土墙， 施工顶进方向从接 收井向集水井进行。施工中碰到的问题： 施工中遇到“ 孤石” 障 碍无法穿过使涵管被迫改线。 1 2 广化寺排水顶管涵管 该涵管位于东圳灌区干渠 1 0 K+5 5 0处， 因保护渠道 内 坡广化寺宋代释迦文佛塔而扩建。涵管下穿的渠道水力要素 为： Q 设= 3 0 m s ， i =1 5 1 0 0 0 0 ， 内边坡 m=1 5 ， 外边坡 m= 2 0， 渠底宽 b = 5 8 I n ， 渠 顶宽 B= 5 0 m ， h 设= 3 4 m， Ah 超： 0 7 5 m， H 总= 4 1 5 m。管线地质为利用渠道开挖的砂质黏土 人工 夯填 而成 ， 涵管管材 为混凝 土管成 品 ， 涵管 内径 1 0 i n ， 外径 1 2 m， 每节长 2 0 m， 总长度 4 0 0 m， 涵管管顶距渠底 2 5 m， 工作坑形状为圆形 ， 采用沉井法施工， 后座墙采用整体 式现场浇筑的混凝土， 施工顶进方向从集水井向接收井进行。 施工中碰到的问题 ： 施工因中途过春节停顿， 渠道水下渗引 起渠底坍塌； 进洞洞口没有对土体进行封门加固， 使涵管进 洞时管顶带出土方 ， 造成渠 堤有一深 8 I n左右的不规则坍洞 ， 较难修复， 影响了涵管施工进度 ， 给渠道留下安全隐患。 2 采用主要施工技术 顶管施工是一种不开挖沟槽而敷设管道的工艺 ， 它运用 收稿日期 2 0 1 2 0 6 0 1 作者简介 陈锋( 1 9 6 7一 ) ， 男， 福建莆田人， 工程师， 从事水利工程建设与管j -r _ 作。 一 3 3 2 0 1 2年第 7期 ( 第 加 卷) 黑龙江水利科技 H e i l o n g j i a n g S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f Wa t e r C o n s e r v a n c y No 7 2 O1 2 ( T o d a l N o 4 0 ) 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， 以上两顶管施工均采用手掘式顶管作业 ， 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 现场调查一工程降水一测量放线一工作坑定位与开挖一 工作坑基础、 导轨及附属设施施工一后背设计与施工一顶进 设备与设施准备一渠道必要的加固或停水一下管一挖土一顶 进一测量校对一 接 口一 附属工程施 工一压浆 。 2 2 施工准备 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。 顶进设备应做 预顶试 验。 制定好 防止开挖面涌水或塌方的防范和应急措施。 工作坑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 51 0 m， 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。 对涵管轴线左右各 5 11 1 范围内的渠道边坡和渠底采用 1 0 0 m m厚的 C 2 0钢筋混凝土衬砌加固， 钢筋直径 8 mm， 采用 2 0 0 m m 2 0 0 m m网格布设， 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( F型) 接 口形式， 钢套环与 混凝土管( 玻璃钢管) 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 - 3 4 - 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= riD 2 H+( 2 H+D) t a n ( 4 5 。 一 o 2 ) +e ( m) L 式中： P为计算总顶力， k N； r 为管道所处土层的重力密度 ， k N 11 1 3 ； D为管道的外径 ， m； H为管道顶部以上覆盖土层的厚 度 ， m； 妒为管道所处土层的内摩擦角 ， 。 ； s为管道单位长度的 自重， k N m； L为管道的计算顶进长度 ， m 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 1 m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， 1 m宽度土壤的总被动 土压力计算公式为： P： 0 5 r h 2 t a n 2 ( 4 5 。+ 2 ) + 2 C h t a n ( 4 5 。 +妒 2 ) 式中： r 为土壤的重度， k N m ； 为天然土壁后背的高度。 m； 为土壤的内摩擦角， 。 ； C为土壤的黏聚力， k N m 。 管材所能承受的最大顶进力( 许用顶力) 计算公式为： F d = 式中： n 为许用顶力 ， k N； o r 为管体抗压强度， k N m ； A为 加压面积， m ； s为安全系数 ， 取 S= 2 53 0 。 2 4 施工技术要点 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 7 5 ， 轴线超挖 量 O 3 in ， 渠底下适当减短， 管节上部超挖量 1 5 m m， 管节 下部 1 3 5 。 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 5 01 0 0 i n处设置导向墩 ， 陈锋 ： 顶管技术在东圳灌区排水涵管施工中的应用 第 7期 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。 顶进施工前应先在顶管尾部安装承口钢环， 防止管端面 的破坏 。 液压设备启动时应空转一段时间， 检查系统无异常后试 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 ( 51 0 MP a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问断连续进行， 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： 顶进力； 管道在垂直高程和侧向位置的偏离情 况； 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。 管道顶进完成后 ， 应对涵管与土体间缝隙采用水泥浆进 行压浆充填施工， 防止沿涵管外壁集中渗流破坏， 消除因顶管 施工造成的地面沉降， 压浆通过每节管道预留的压浆孔进行， 注浆材料以低标号水泥为主， 为节约材料可适当添加粉煤灰， 具体注浆材料的配比按水泥： 粉煤灰 =1 ： 1 ( 重量比) ， 加水量 以目测稠度适当( 约水： 灰 =1 ： 1 ) ， 满足注浆泵注浆要求即 可。水泥浆充填可以有效地补偿顶管管体外侧空隙部分， 从 而达到管体外侧土体密实。待压浆体凝结后( 一般 2 4 h ) 方 可拆除注浆管路， 并换上闷盖将注浆孔封堵。 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。 涵管顶进完成后应有专人进行全线巡查， 顶进管道应满 足管节不错 口， 管节接 口内侧表 面齐平 ， 接 口应 填料饱 满 、 密 实 ， 管道接头密封 良好不渗水 ， 遇有施工时造成的管材损坏应 立即进行修补， 管节接口的内侧间隙应用水泥砂浆密封 ， 填塞 物应抹平 ， 不得突入管内。 对涵管进洞时管顶带出土方， 造成渠堤有一深 8 m左右 的不规则坍洞问题， 采用 C 2 0埋石混凝土挡土墙封闭后用砂 土压实回填， 并用水泥浆进行造孔补强灌浆。 每节管道顶进结束， 必须进行复测， 绘制管道顶进轨迹图 ( 含管道高程、 方 向、 顶进力曲线等) ， 填充完毕后 ， 做好施工 记录， 并保存有关资料。 3结语 顶管施工技术具有不开挖地面， 缩短管道铺设工期， 不破 坏地面建筑物 ， 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。顶管施工要有较详尽完整的地质 勘探资料， 防止遇“ 孤石” 等障碍使工程失败； 在下穿渠道工 程时， 涵管与土体间缝隙应加强水泥浆压浆充填施工 ， 防止沿 涵管外壁集中渗流对渠道工程的破坏 ； 加强渠道水下渗水土 流失观测控制 ， 防止渠道水下渗使开挖面涌水对渠道造成破 坏， 影响管道施工； 进洞洞口土体进行加固封门， 防止产生坍 洞破坏 。 参考文献 ： 1 中国非开挖技术协会 顶管施 工技术 及验收 规范 ( 试 行 ) S 北京 ： 人民交通出版社 ， 2 0 0 7 一 3 5