手掘式顶管在市政排水工程中的应用.pdf

5 2 探矿工程( 岩土钻掘工程 ) 2 0 0 8年第 l 0期 手掘式顶管在市政排水工程中的应用 刘 会 ( 四川 I 建筑职业技术学院， 四川 德阳6 1 8 0 0 0 ) 摘要： 从混凝土管材的选定、 工作坑的设计及施工、 顶管顶进中若干关键问题入手， 介绍了手掘式顶管施工技术 在成都市中心城水环境综合整治工程 G标段管道排水工程中的应用。 关键词： 手掘式顶管； 后背墙； 顶推力 中图分类 号： T U 4 5 5 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 6 7 2— 7 4 2 8 ( 2 0 0 8 ) 1 0— 0 0 5 2— 0 3 Ap p H c a fi o n o f P u s h i n g P i p e C o n s t r u c t i o n w i t h Ma n u al D i g g i n g S t y l e i n Mu n i c i p a l D r a i n a g e P r o j e c t s ／ L I U H u i f S i — c h u a n C o l l e g e o f A r c h i t e c t u r e T e c h ．， S i c h u a n D e y a n g 6 1 8 0 0 0， C h i n a ) Ab s t r a c t ：B a s e d o n a n u mb e r o f k e y i s s u e s o n c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y，s u c h a s c o n c r e t e p i p e s e l e c t e d ，t h e d e s i g n a n d c o n — s tr u c t i o n o f w o r k w e l l ，a p p l i c a t i o n o f p u s h i n g p i p e c o n s t r u c t i o n i n l n a n H a l d i g g i n g s t y l e w a s i n t r o d u c e d w i t h a c a s e o f G d r a i n a g e p i p e l i n e p r o j e c t o f t h e c o m p r e h e n s i v e r e n o v a t i o n w o r k s f o r w a t e r e n v i r o n m e n t i n C h e n g d u C i t y ． Ke y wo r d s：p u s h i n g p i p e c o n s t r u c t i o n i n ma n u a l d i g g i n g s t y l e ；b a c k w all o f w o r k w e l l ；j a c k i n g f o r c e 1 工程概 况 成都市 中心城水环境综合整治工程 A线道路 宽 6 m， 长 9 1 ． 6 4 m， 污水管直径 4 0 0 mm， 主管长 9 1 m， 雨水管直径 6 0 0 m m， 主管长 9 1 m， 污 、 雨水管道 轴线距中心均为 1 m， 污、 雨水管道中的水均排入西 体路 的干管中， 雨水管需要穿越西体路才能接至雨 水干管中。业主提供 的地质资料不全 ， 施工之前通 过坑探得知 ： 本工程所在区域路 面以下 1 m左右为 回填土 ， 以下 3 m左右为连砂石。秋季地下水位在 路面以下 5 m左右。顶管深度在 2 ． 8 m以上。该区 域内有污水、 电力浅沟， 通信管道， 其深度对此次雨 水管道的顶进无太大影响。根据《 城市道路管理条 例》 规定， 此道路不准开挖 ， 另外西体路的车流量 较大。经多方综合现场实际情况 ， 决定雨水管道穿 越西体路采用顶管施工。 2 管材的选定 施工过程要确保西体路的绝对安全， 不影响穿 越地段的地层结构和交通安全。根据混凝土管预制 工艺、 起重运输设备 能力 、 工作井尺寸 和顶管设 备 ( 主要是主顶油缸的尺寸 ) ， 顶管用混凝土管管壁的 厚度一般为管 内径的 1 0 ％ ， 本工程混凝土管管壁厚 度采用 1 0 0 m m， 管道 内径为 D 6 0 0钢筋混凝土管 ， 每 根长 2 m， 每顶进 5 0 c m后 ， 管节钢筋配置可参照 已 施工的同类型、 同直径的管节配筋 ， 再由设计院根据 本工程 的施工和使用条件进行校核、 调整。管节采 用环向筋和纵向筋 2种钢筋 ， 此外 为使 内外层钢筋 连成整体 ， 其间可设撑筋。管节 的钢筋笼可直接用 钢筋笼成型机制作 ， 此种工艺制作的钢筋笼无接 口， 环向钢筋是螺旋状 的。也可先加工成钢筋网片， 再 卷制成笼 ， 此种工艺制作 的钢筋笼有搭接接 口， 接 口 绑扎时搭接长度按规范为 3 0倍 的钢筋直径⋯ 。管 节接 口在顶进前先在导轨上用沥青麻绳嵌放于接 口 处 ， 加钢内胀 圈固接 ， 利用顶进之力将 沥青麻绳 压 实 ， 再用水泥砂浆勾缝 ， 保证接 口的密实性。 3 顶管施工工艺 施工工艺采用手掘式液压顶管法 ， 管道接 口处 作防腐处理。工作流程为： 现场勘察与探测一测量 放线一工作坑设置一设备进场安装一顶管一基坑回 填一场地清理一竣工验收。 3 ． 1 测量放线 根据规划施工 ， 先用经纬仪在现场地面上准确 放出管道铺设的中线控制桩 ， 控制桩必须用混凝土 保护好， 待工作坑挖好后， 再用经纬仪将管道中线控 制桩引至工作坑并保护好 ， 确保施工使用时管道 中 线的准确度。 3 ． 2 工作坑设置 收稿 日期 ： 2 0 0 8— 0 4— 2 2；改回日期 ： 2 0 0 8— 0 9—1 5 基金项 目： 重庆市科技计划项 目( 编号： 7 1 9 5 ) 作者简介： 刘会( 1 9 7 7一 ) ， 女( 汉族) ， 湖北荆州人， 四川建筑职业技术学院讲师， 桥梁与隧道工程专业， 博士， 从事隧道及地下工程施工技术 研究工作 ， 四川省德阳市嘉 陵江西路 3 2 5号 ， l y z l i u h u i @1 2 6 ． c o rn 2 0 0 8年第 1 0期 探矿工程( 岩土钻掘工程) 5 3 根据施工场地与顶管设备操作条件 ， 开挖一个 4 m 5 m( 底部长 宽 ) 的工作坑 ， 由于施工场地狭 窄 ， 适 当放坡 ， 深度 以设计管道底面标高为依据 ， 结 合管道壁厚、 导轨 承台枕木厚度及导轨高度等因素 决定 ， 作业坑挖掘支护 完成后 ， 立 即进行彩钢板 围 挡 ， 并设置醒 目安全警示标识。 根据《 给水 排水 管 道 工程 施 工及 验 收 规 范》 ( G B 5 0 2 8 3— 9 7 ) 的相关规定 J ， 顶管的顶力可按照 下式求得 ： P = f r o 1 [ 2 日 + ( 2 H + D 1 ) t a n ( 4 5 。 一 等) + ] + P F - 一1 ( 1 ) 式中： P 一计算的总顶力， k N； ——管道所处土层的 容重， 取 1 8 ． 5 k N ／ m ； D ——管 道 外 径 ， 取 0 ． 8 m； 管道顶部覆土层厚度 ， 取 2 ． 8 m； ——管道所处 土层 内摩擦角 ， 取 2 0 。 ； ∞ ——管道单位长度 自重 ， 取 5 ． 5 k N ／ m； ￡ r 一 管道的计算顶进长度， 取 9 2 m 顶进时管道与周围土体的摩擦系数， 取 0 ． 3 5 ； P F ——顶 管工具管迎面阻力 ， P = w D t R； D ——工具管刃脚直 径， 取 0 ． 8 4 m； ——工具 管 刃脚 厚 度， 取 0 ． 0 5 m； —— 工具管迎面平均阻力值 ， 取 5 0 0 k N ／ m 。 计算得 ： P= 4 4 2 1 k N。 利用坑壁土体作后背， 加 2 0 c m 2 0 c m方木作 两层满铺后加垫 2 0 e m厚钢板组成装配式后背墙 。 组成的后背墙要有足够的刚度 ， 后背土体壁面应与 后背墙贴紧 ， 如有孔隙时采用砂石料填塞密实。 工作井后背墙承 载力验算 。后座宽 5 m、 高 4 m， 假定土反力呈线性分布、 2层方木和钢板做成 的 背墙是完全刚性的 ， 工作井侧壁与土体无摩擦力 ， 根 据朗肯被动土压力理论可得 ： P =( 1 ／ 2 ) T H 2 t a n [ 4 5 。+( 2 ) ] ( 2 ) =0 ． 5 1 8 ． 54． 0 t a n 2 5 5~：3 01 ．8 k N／m 后座宽 5 m， 作为后背 的坑壁所能承受 的最大 被动土压力为 53 0 1 ． 8=1 5 0 9 k N， 不能满足顶管 的最大顶力 ， 需要处理坑壁后一定范围土体 。措施 主要是改 良其工程性质或在后背墙后堆砌重物。先 对后背墙土体 宽 6 ． 0 m、 长 Ht a n [ 4 5 。+( ／ 2 ) ]： 5 ． 7 1 m、 深 5 m范 围进行高压注入水泥浆加 固( 为 保险起见， 验算时不计改 良后的土体 C 、 值的增 量 ) ， 然后在此范围上放置一个大小 6 m 6 m 7 m 充满水 的水箱 。加 固后被动土压力为 ： P =( 1 ／ 2 ) T H z t a n [ 4 5 。 +( 2 ) ] ( 3 ) = ( 0 ． 51 8 ． 5 4 ． 0 + 7 0 4 ) t a n 5 5 o =8 72 ． 6 k N／m 后座宽 5 m， 作 为后背 的坑壁所能承受 的最大 被动土压力 为 58 7 2 ． 6=4 3 6 3 k N， 大于顶管施工 最大顶力 4 4 2 1 k N， 工作井后 背墙后 土体提供的被 动土压力满足最大顶推力需要。 顶管选用 2 5 0 0 k N、 最大行程 5 0 c m的液压千斤 顶 2台。 3 ． 3 导轨安装 基坑导轨是安装在工作坑内并为管子出洞提供 一 个基准的设备 ， 是顶管工程关键 ， 要求设置牢固可 靠 ， 轨距高程正确 ， 须在轨底下浇注 C 2 0垫层 ， 厚 2 0 m m并预埋螺栓 ， 以便通过扣件扣紧导轨 ， 并保证水 平 ， 导轨高程偏差 ≯ 3 m m， 中线位移≯ 3 m m。 基 坑导轨铺设应注意管线轴线、 导轨标高和导 轨支排稳定性几个方面的问题 。 ( 1 ) 管线轴线 ： 根据管线轴线设计 位置进行 放 样测量， 铺设轨道将轨道 中线与管线轴线重合 。 ( 2 ) 管线标高 ： 由于采用 的是复合型轨道 ， 因此 铺设轨道时必须 了解轨道 的基本结构。 ( 3 ) 与导轨焊牢 ， 轨倾斜面是与管子接触 的， 设 计时 ， 导轨上水平面与钢筋混凝 土管 内底标高在一 个水平面 ， 因此在铺设导轨时 ， 根据设计侧得的管内 底标高 以调整导轨标高即可。 ( 4 ) 导轨与井底 的间隙应用钢板垫牢或用混凝 土浇注 ， 导轨标 高和轴线确定好后 ， 即可进行导轨的 支撑 ， 由于导轨在顶管顶进时不允许有位移 ， 因此支 排必须嵌 固在井底混凝土 中， 一般在导轨与工作井 井壁间用多根型支排 ， 同时把型钢与导轨焊牢。 4 掘 进 与顶进 顶管施工如图 1所示。人工掘进 ， 用小 回轮车 拖出， 集中后提升外弃 ， 每次挖掘长度 >5 0 e m， 采用 顶一节挖一节的手掘式液压顶管法 。顶铁与管口之 间采用缓冲材料衬垫， 当顶力接近管节材料的允许 抗压强度时 ， 管端应增加环形顶铁 。顶进中必须做 好高程 、 中线控制 ， 作好顶进压力、 方位 、 高程记录。 在允许超挖的稳定土层 中正常顶进 时， 管下部 1 3 5 。 范围内不得超挖 ， 管顶以上超挖量 ≯1 ． 5 e m， 超前超 挖视具体土质情况确定。 4 ． 1 进洞技术 穿墙进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土塌人井 内； 其次要使管道不 偏离轴线 ， 顶进方向要准确 。 防止井外泥土塌人井 探矿工程 ( 岩土钻掘工程) 2 0 0 8年第 l 0期 l 9 1 8 l l 6 t 5 l 4 1 3 1 2 图 1 顶 管施工设备简图 l 一混凝土管 ； 2 一 运输车 ； 3 一扶梯 ； 4 一 主顶油泵 ； 5 一行车 ； 6 一安全扶栏 ； 7 一 润滑注浆 系统 ； 8 一操纵房 ； 9 一配电系统 ； 1 O 一操纵系统 ； 1 l 一后座 ； 1 2 一测量 系 统 ； 1 3 一主顶 油 缸 ； 1 4 一导轨 ； 1 5 一弧形 顶铁 ； 1 6 一环形 顶 铁 ； l 7 一混凝 土 管 ； 1 8 一运土车 ； l 9 一机 头 内可在施作工作井时先在洞 口处砖砌挡土墙。若土 质较软或有流沙， 则必须在管子顶进方 向距离工作 井边一定范围， 对整个主体进行改良或加 固， 视情况 一 般采用注浆 、 旋喷桩 、 深层搅拌幕墙等措施 ， 以提 高这部分土体的强度 ， 防止工具 管出洞时塌方 。当 工具管准备出洞时 ， 应先破除砖封 门并将杂物清理 干净 ， 将工具管切人工作井井壁 中， 当止水橡胶法兰 与工具管充分结合后 ， 观察穿墙进 口处地面变形情 况 ， 若无明显隆起或塌陷， 方可继续顶进。 4 ． 2 顶管顶进施工 从理论上讲 ， 掘进机在顶进过程中， 其中的土仓 压力如果小于掘进机所处土层 的主动土压力 ， 地面 就会下沉 ； 反之 ， 如果土仓压力大于被动土压力 ， 地 面就会产生隆起。只有把土压力控制在主动土压力 与被动土压力之 间， 才能达到土压平衡 。正常顶进 过程 中， 迎面压力控制在 0 ． 0 2～ 0 ． 2 MP a 之间， 即当 土压力随主顶油缸的推进 ， 逐步升高到 0 ． 2 MP a时 开始出土， 当土压力下降到 0 ． 0 2 M P a 时停止出土。 管道顶进过程 中遇到特殊情况应暂缓顶进， 及时处 理。当机头顶入土中后 ， 留其尾部约 3 0 c m长搁在 导轨上 ， 收回顶进油缸 ， 卸走顶铁 ， 安装连接第一节 混凝土管， 开始管道 的正常顶进。顶进 中必须控制 好机头出土量， 出土过多会造成地面沉降， 出土量过 少会使地面隆起。出土量的多少应根据地质土层情 况及地面监测资料进行试验分析确定。机头出土要 从管道内运送至工作井 ， 再提升至地面堆放。 4 ． 3 轴线及高程控制 此工作事关工程质量 ， 要求在工作坑内安置好 s 3水平仪、 J 2级经纬仪 ， 每次顶进观测后作好记 录， 计算其方位、 高程 ， 如发生偏离 ， 应及时纠正 ， 不允许 超出设计要求( 中线允许偏差 3 0 m m， 管内高程 3 0 m m) 。根据设计坡度在导轨上作好调整 ， 通过测量 无误后才能 固定导轨 ， 并在坑 内部设 2个可供相互 检校的临时水准点 ， 以随时控制管道顶进坡度。在 测量中如发现管位偏差达 1 c m， 应校正。 4 ． 4注浆 顶管施工中注浆作用机理为 ： 一是起润滑作用 ， 将顶进管道与土体之 间的干摩擦变为湿摩擦 ， 减小 顶进时的摩擦阻力 ； 二是起填补和支撑作用 ， 浆液填 补施工时管道与土体之间产生的空隙 ， 同时在注浆 压力下 ， 减小 土体 变形 ， 使洞体稳 定 J 。注浆使顶 进管道与土壁四周填充密实 ， 并使铺设管道与周围 地层形成整体 ， 增加铺设管道的稳 固性 ， 确保外接 口 衔接完善。在每次顶进之前和顶进中压注具有支撑 和润滑作用 的触变泥浆 ， 顶完后通过预埋在管道顶 部外侧 的钻有蜂窝状小孔的压浆管压人水泥浆。压 浆分次进行 ， 每次稳压 5～1 0 mi n再进行二次压浆 。 4 ． 5 出洞技术 工具管就位后 打开接收井穿墙挡板 ， 然后凿除 穿墙挡板砖砌体 ， 安装控制工具管进洞方向的导轨， 安装密封圈和密封装置。在密封圈内两道钢丝刷 中 间涂抹盾尾密封油脂 ， 根据测量结果调整基座和扇 形压板位置 ， 然后将 机头缓慢、 均匀 地推入穿墙挡 板 ， 为防止止水橡胶圈外翻 ， 确保工具管刃脚距接收 井墙壁有一定的距离 ， 对工具管刃脚考虑一定的保 护措施。 针对天气正遇雨季的情况 ， 为确保顶管安全及 顶进质量 ， 要求坑 内干燥无水 ， 须在坑四周挖一条宽 0 ． 3 r n 、 深 0 ． 4 m的排水沟， 将水排入集水坑 ( 0 ． 8 m X 0 ． 8 m X 0 ． 8 m) ， 再用 0 5 0 m m潜水泵抽水。 5结语 根据 国务院令的要求以及西体路的车流量较大 的实际情况 ， 成都市 中心城水环境综合整治工程 G 标段道路 、 排水工程采用手掘式混凝土顶管施工， 在 污 、 雨水管道穿越既有城市道路施工 中达到了准确、 迅速的预期效果 ， 且西体路道路变形控制在规范允 许范围内， 未对交通造成任何 明显影响， 取得了 良好 的社会效益和经济效益。 参考文献 ： [ 1 ] 王静 ， 杨转 运 ， 尹 洪 明． 大直 径 混凝 土 顶管 管节 优 越性 探讨 [ J ] ． 探 矿工程 ( 岩土钻掘工程) ， 2 0 0 6， ( 儿) ： 3 6— 3 8 ． [ 2 ] G B 5 0 2 8 3— 9 7， 给水排水管道工程施工及验收规范 [ S ] ． [ 3 ] 钱家欢． 土力学( 第二版 ) [ M] ． 南京 ： 河海大学 出版社 ， 1 9 9 5 ． [ 4 ] 魏纲， 徐 日 庆， 邵剑明， 等． 顶管施工中注浆减摩作用机理的研 究 [ J ] ． 岩土力学 ， 2 0 0 4， 2 5 ( 6 ) ： 9 3 0— 9 3 4 ．