非开挖钢管顶进技术在大兴新城滨河森林公园引水工程中的应用.pdf

设计施工 水利规划与设计 2 0 1 3年第 3期 非开挖钢管顶进技术在大兴新城 滨河森林公园引水工程中的应用 张君伟 葛会志魏陆宏 ( 北京市水利规划设计研究院 北京 1 0 0 0 4 8 ) 【 摘要】 顶管技术作为较早使用的一种非开挖施工方法，由于其施工精度高，适用范围广、综合成本低，工 程干扰少、环境影响小，能穿越江河、公路、铁路、机场跑道、建筑物或障碍物等优点而得到广泛应用，钢管顶 进技术作为一种新型的顶管技术也正被逐步引入管道工程领域。 作为钢管顶进技术在北京市水利行业的率先应用， 本文结合大兴新城滨河森林公园引水工程的实例，对非开挖钢管顶进技术在设计与施工过程的要点予以介绍。 【 关键词】 钢管顶进防腐施工控制 DO I 编码】 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 6 7 2 2 4 6 9 2 0 1 3 0 3 0 2 3 【 中图分类号】 T v5 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 6 7 2 2 4 6 9( 2 0 1 3 )0 3 0 0 6 8 0 3 1 引言 为了适应和满足城市管道设施建设中日益提 高的技术性、环保性、安全性和经济性的要求 ，非 开挖技术尤其是顶管技术 由于施工便利、高效、工 程干扰少 、环境影响小、成本适 中等优点，正广泛 应用于穿越公路、铁路、建筑物 、河流以及文物保 护区等复杂条件下的管道铺设。对于北京地区顶管 工程来讲，目前普遍采用的是混凝土管顶进工艺， 而钢管顶进技术仅在较少的市政工程中有所运用， 其在北京水利工程中的应用尚属首次。本文结合大 兴新城滨河森林公园引水工程的实例，对非开挖钢 管顶进技术在设计与施工过程的要点予 以介绍，为 该技术在同类工程的运用提供借鉴与思考。 2 工程背景 伴随北京郊区新城的快速发展，北京市政府按 照环境先行的新城建设理念，提出了建设新城万亩 滨河森林公园的总体构想，以穿城或环城水系为主 线，以水系两侧大规模林木为主体，充分利用沿河 河滩地、荒滩地和现有林地，在全市各区县新城兴 建 l l 处滨河森林公园。 大兴新城滨河森林公园即是 该项 目 2 0 1 0年新建的公 园之一 ，园区总面积 5 3 8 3 k in2 ，涵盖南、北两座公园以及连通公园的城 市水系的建设，其 中水系面积达 6 5 k m2 ，蓄水量超 1 0 0万方， 犹如一 串绿色明珠妆 点在首都的南大 门。 公园水源全部采用再生水，为满足公园生态需水量 的基本需求，配套建设本引水工程，将大兴黄村再 生水厂的再生水引入公园项 目区。 3 工程布局与地质条件 根据 公园环境需水量与黄村再生水 厂出水量 分析， 再生水引水干管输水量按 8 万 m 3 d 设计， 设 计流量为 l ma s 。引水管道采用 DN1 0 0 0 钢管 ， 设计 工作压力 0 6 MP a ，试验压力 1 1 MP a 。管线起 自黄 村再生水厂输水泵站，穿越新凤河后沿南六环北侧 绿化带向西行至小龙河，沿小龙河左岸折往西北后 再折向西直至京开高速路，总长 6 4 k in。管线沿途 穿越新凤河 、大龙河 、小龙河 3条河道，还穿越了 京九铁路、京开高速公路等重要交通要道，以及大 兴城区 7 处现状公路和货运物流中心 5 条铁路支线。 管道平均埋深约 5 m，根据地勘结果，管身基 本置于细砂层上， 地基承载力标准值为 8 0 1 1 0 k P a 。 管顶土质为细砂和粉土填土，有利于顶管施工，但 细砂呈松散状态，填土松散不均匀，应注意塌顶现 象发生。施工区域大部分地下水低于管底，不存在 作者简介：张君伟 ( 1 9 8 2年一)，男，工程师。 设计施工 水利规划与设计 2 0 1 3年第 3期 施工降水 问题。但应注意管道在穿越新凤河、大龙 河 、小龙河时存在的上层滞水 ，以及局部地段上层 滞水对管道施工造成的影响。 4 非开挖钢管顶进技术 为尽量避让拆迁 ，减少工程实施难度，经明挖 与顶管方案比选后选用非开挖顶管技术，原初步拟 定为顶进 D N1 5 5 0 混凝土管后内穿 D N1 0 0 0 钢管的 常规方案。为进一步优化工程设计，节约投资并提 高施工效率，设计人员在多方调研的基础上，结合 管道穿越的地质条件，最终确定采用钢管直接顶进 工艺，该工艺不仅能节约原混凝土管顶进方案 中的 外套管材，而且省去了钢管固定和混凝土 回填环节 ， 减小了管道顶进过程中的摩擦力 ，为工程按时高效 完成打下了良好的基础 。 原混凝土顶管内穿钢管方案 t 一一 = i = 优化后钢管直接项进方案 图 1 混凝土管内穿钢管顶进方案与钢管直接顶进方案对比 图 4 1 顶管用钢管结构设计 依据 给水排水工程管道结构设计规范 ，钢 管结构设计采用以概率理论为基础的极限状态设 计方法，以可靠指标度量管道结构的可靠度。钢管 管道结构按承载能力极限状态和正常使用极限状 态两种极限状态进行设计，计算内容包括强度验算、 稳定验算、抗浮验算和变形验算等。顶管用钢管结 构设计的具体计算内容文中不再赘述，仅针对其区 别于常规直埋式钢管计算的一些细节做部分介绍。 对于顶管施工，管顶覆土 的竖向土压力与侧 向土压 力规范 中都有单独的规定 ( 参见 给水排水工程管 道结构设计规范附录 B) ，其竖 向土压力标准值 F k 由太沙基计算模型给出。此外 ，顶管施工形成 土弧基础是在原状土层中开挖形成 的土弧，在设计 计算时，从保证管道结构的土弧基础支承要求出发， 规定顶管施工时， 土弧基础的支承角2 0 【 按 1 2 0 。计 算。 图2 太沙基计算模型简图 本工程钢管材质选用 Q 2 3 5 A，由钢板卷制、焊 接而成。在管道埋深为 5 m 的前提下，经各工况综 合计算，选用壁厚为 1 2 m m的钢管。同时，按顶管 施工构造经验公式复核管壁厚度，顶管用钢管采用 1 2 mm壁厚亦能满足要求。 公式：户 D + 式中： 卜 一钢管的壁厚 ( n n ) ； 经验系数 ，取 0 0 1 - -4 ) 0 1 5之间 ( 由于管 道埋深较深 ，此处系数取 0 0 1 ) ； D钢管的内径 ( I 姗 ) ； f 一一腐蚀余量，取 2 m m。 4 2 管材内外防腐设计 管材 内外防腐 的选择是钢管顶进技术 的一大 难题。由于钢管顶进过程中与土体产生摩擦，势必 将常规外防腐层破坏，普通的水泥砂浆内防腐层也 容易崩裂脱落，从而影响钢管使用寿命。经过多方 案比较论证，采用环氧玻璃鳞片重防腐涂料与环氧 树脂玻璃钢分别作为钢管内外防腐层材料，顺利解 决了项管用钢管的防腐问题。 设计施工 水利规划与设计 2 0 1 3年第 3期 ( 1 )顶管用钢管 内防腐设计 目前，钢管普遍采用水泥砂浆作为 内防腐层 ， 其材料弹性模量、延伸率等指标与钢管所具有的相 应指标相差较大， 在顶进过程中易产生空鼓、 开裂、 脱落等现象，且修复难度较大，质量不易保证，存 在一定程度的质量隐患。 环氧玻璃鳞片重防腐涂料是以环氧树脂为主 要成膜物，薄片状的玻璃鳞片为骨料，配以各种添 加剂组成的重防腐高固体分涂料。该涂料具有优异 的耐水性和耐化学品渗透性，附着力强，柔韧性和 耐冲击性能好 ，防腐蚀期效长 ，适用于腐蚀严重的 钢结构表面涂装，比水泥砂浆 内防腐更为适用于钢 管顶进工艺，本工程采用 l O 0 0 tm厚环氧玻璃鳞片 作为钢管的内防腐涂料。 ( 2 )项管用钢管外防腐设计 环氧树脂玻璃钢防腐就是用环氧树脂和玻璃 纤维布复合贴衬在钢管外壁 的一种新型防腐材料 ， 具有耐腐蚀性、耐磨性高和附着力强的特 点，与钢 管结合性良好，其延伸率指标与钢材相近，很好地 保证了管道运输及施工过程中的防腐层安全 。根据 给水排水管道工程施工及验收规范 ，本方案钢 管选用 3 m m 厚环氧树脂玻璃钢作为外防腐结构， 钢管顶进时，光滑坚固的玻璃钢外防腐薄层不但减 小了管壁摩擦力，有效保护管材，而且由于其薄壁 结构的特点，能更好地与钢管结合，避免顶进过程 中外防腐层的脱落。 ( 3 )防腐补涂 为 了保证质量，本工程要求管道 内、外防腐在 工厂完成， 但管节两端各留 l O O r n m 的宽度暂时不做 防腐层，便于顶进 中对 口焊接，焊缝检验合格后再 补做。补 口部位 的表面预处理按 涂装前钢材表面 处理规范 的规定方法 ， 用手工工具除锈至 S t 3级， 焊缝应处理至无焊瘤、无棱角、无毛刺。焊接及除 锈检验合格后，对接口进行内外防腐处理。 4 3 施工控制 钢管项进工艺虽同一般顶管原理有所类似，但 在钢管变形控制、纠偏控制、顶力控制等重要工序 上又有一定差异。首先，管壁较薄的钢管，如果受 力不均匀就会导致变形；其次，钢顶管接头是用电 焊刚性焊接，可弯曲的幅度小，施工中可纠偏的余 地较小，决定了钢顶管不可转弯，只能直线推进不 能曲线顶管，同时，决定了其顶进特点：如初始项 进方向性好，则偏差小，易顶进；反之，方向掌握 不好难纠偏， 管子易变形， 接口易断开， 甚至报废。 因此，施工中对顶管轴线偏差 的要求相应较高。 ( 1 )允许顶力控制 与同口径的混凝土管相 比，因钢管管壁与土的 磨擦系数较小，管重轻，直线性好 ，顶进阻力相对 较小。顶进阻力可根据经验公式或按 给水排水管 道工程施工及验收规范进行计算。 F e = Ir Do L f k + N r 式中： 一一 顶进阻力 ( k N) ； D0 一一管道外径 ( m) ； 一一 管道设计顶进长度 ( m) ； 一一 管道外壁与土的单位面积平均摩擦力 ( m 2 ) ： F 一一顶管机的迎面阻力 ( 1 (N)( 不同类型顶 管机的迎面阻力可按规范相应公式计算) 。 本工程采用手掘敞开式顶管，千斤顶固定在支 架上，并与管道中心的垂线对称 ，要求其合力的作 用点与管壁反作用力作用点在同一轴线上，防止产 生顶进偏差和受力不均产生的钢管变形 。 ( 2 )注浆减磨 随着顶程的延长，管节和土体的摩阻力将逐步 上升，降低顶进阻力最有效的方法是进行注浆。使 管周外壁形成泥浆润滑套，从而降低顶进时的摩阻 力。在首节管上预埋压浆孔，压浆孔的设置要有利 于在管道周围形成均匀的浆套。注浆设备和管路需 可靠，并具有足够的耐压和 良好的密封性能。为使 注浆产生 良 好的效果，保证注浆质量，从施工开始 到注浆结束，对注浆过程的每个环节都需要严格控 制。 ( 3 )纠偏控制 当发现 前端管节顶进 的方 向或 高程偏 离原设 计轴线时，要及时地调整管节姿态 ，使其回到原设 计的位置上 ， 之后再继续顶进。 在顶管施工过程中， 必须贯彻 “ 勤测微纠 ”的纠偏原则，可通过激光经 纬仪和接收靶盘定时监测顶进质量情况，为纠偏提 供数字依据。对于微小偏差，可采用在开挖面的不 同部位增减挖土量，改变顶管机正面的土体压力， 使顶进管向土压小的地方行进的纠偏方法。 5 结论 地下管线是工程设施 的重要组成部分，担负着 城市的信息传递、能源输送、排涝减灾、废物排放 的功能。面对愈发浩大的地下管线工程，随着城市 化的进程和人类对环境保护意识的( 下转第 7 8页) 设计施工 水利规划与设计 2 0 1 3年第 3期 得 3 P E防腐生产 的资源消耗大为降低。 可见 3 P E防 腐钢管的先进性。 永定河循环管线工程铺设了总计约 2 2 k m 的钢 管，管径 由 D N5 0 0至 DN1 6 0 0 ，在施工招标阶段 ， 工程设计组与北京市水利建设管理中心一同考察 了钢管制造、防腐厂家。经过对施工质量、技术指 标、制作周期、投资各方面比较，最终选择了螺旋 钢管 ( 以带钢卷板为原材料，经常温挤压成型，以 自动双丝双面埋弧焊工艺焊接而成 的螺旋缝钢管 ) ： 外防腐采用 3 P E( 挤压聚 乙烯 ) ；内防腐采用液体环 氧涂料。 ( 上接第 7 0页)增强，非开挖技术的发展已经成 为必然 的趋势。在地下有压输水管道工程领域，相 对于传统混凝土项管内穿压力管道 的输水方案，钢 管顶进工艺秉承非开挖技术低碳环保的建设理念 ， 规避了复杂的管道间回填固定的施工环节，能够节 省工程投资、节约工期、提升施工效率 。相信随着 技术的不断完善，其必将迎来更为广泛的应用 。 作为钢管顶进技术在北京市水利行业 的率 先 应用，本工程设计人员对该技术进行了细致深入地 研究，采用了环氧玻璃鳞片与环氧树脂玻璃钢的内 外防腐组合型式，并在工程实践中得到了验证。希 望通过本文的介绍，能抛砖引玉，吸引更多工程技 ( 上接第 7 5页) 目前，土压盾构除大断面不易都市市区使用以 外，大有取代泥水盾构之势。料想不久的将来，土 压盾构将全面取代泥水盾构。 ( 2 )盾构设备的发展 随着盾构技术的日趋完善， 盾构设备的发展逐 渐趋向于微型化和超大型化、形式多样化、高度自 动化和高适应性。主要体现在断面形状多样化、刀 盘刀具及其他材料强度和耐久性提高、盾构机姿态 控制 自 动化程度提高、推进速度提高、管片制造和 拼装技术提高等几方面。 ( 3 )盾构输水隧洞的发展 3 结语 传 统的钢 管防腐技术主要采用水泥砂浆 内防 腐， 环氧煤沥青外防腐， 制造复杂， 质量不易保证。 本工程采用的先进防腐技术在我国的石油化工领 域得到了广泛应用。 目前，3 P E防腐钢管在国际上被认为是最先进 的管道外防腐技术。但是在我国水利领域应用较少 。 应用新型钢管防腐技术，通过防腐工艺的更新提高 了输水效率 ，保 证了工程质量 ，缩短 了施工时间， 将成为今后管道外防腐层的发展方向。 术人员对钢管顶进技术的关注 ，在理论探讨和工程 实践中促进钢管顶进技术 的完善和发展 。 参考文献 给水排水工程结构设计手册编委会 给水排水工程结构 设计手册 川 北京：中国建筑工业出版社， 2 0 0 7 ， 1 3 4 4 1 3 4 5 韩选江 大型地下顶管施工技术原理及应用 M 北京： 中国 建筑工业 出版社。 2 0 0 8 文建国 环氧玻璃鳞片重防腐涂料 J 】 东莞理工学院学报， 2 0 0 0 ， 7 ( 2 ) ： 3 9 41 葛金科， 等 现代顶管施工技术及工程实例 M 北京：中国 建 筑工业 出版社 2 0 0 9 由于盾构输水隧洞距离长、内水压力大、埋深 大及城市供水工程的重要特性， 使得盾构工法在结 构设计上有更严格的要求 。目前采用的设计理论基 本都是对双层复合衬砌的受力情况进行分析 ，通过 计算选择断面结构形式。如何使盾构管片、内衬结 构体量更小，防水措施更简便有效是亟待解决的重 点问题。如果能减少复合衬砌结构的体量，将更充 分地利用盾构隧洞开挖断面，从而增加单延米盾构 施工的经济性。目前，国内部分机构正在着手研究 采用预应力钢筋混凝土管片直接防内外水土压力， 用以代替传统的双层复合衬砌结构。如该研究成功， 盾构输水隧洞的发展将进入一个全新的时代。