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摘要：顶管施工具有场地占地面积小与开挖量小等优点，因此广泛适用于城市污水管道工程及综合性管道工程。本文介绍了城市污水处理厂主干管工程的顶管施工控制，结合工程实例，详细分析了主干管工程顶管的施工工艺，指出了施工过程中应该注意的问题，并对施工的相关参数进行了计算。
关键词：城市污水处理厂；顶管技术；施工质量控制
随着环境问题被日益重视，城市污水处理厂作为城市污水处理的重要设施，关系到城市水环境的安全，其工程施工越来越受重视。在城市污水处理厂工程建设中，顶管施工技术作为一种现代化管道敷设施工技术，以其对居民生活影响小、施工周期短、成本低、安全性好、对周边环境影响小等优点被广泛应用。鉴于此，笔者对顶管施工控制进行了相关介绍。
1 工程概况
1.1工程简介
某污水主干管工程位于城市主干道，交通流量较大，污水主管采用钢筋混凝土管 。该工程井间顶管长度为328～1076m不等，管道总长3663m；钢筋混凝土管管径为DN1800，全段采用顶管施工；钢筋混凝土工作井6座，直径9.0m，井深为9，15～10.8m不等。
1.2 水文气象条件
工程所在区属夏季多雨，冬无严寒，雨热同季，干湿两季分明。
（1）气温：多年平均温度为18.5°C，最高温度为36°C，多在5月前后出现；最低温度8.5°C，多在12月或1月出现。
（2）相对湿度：旱季平均为61%～71%，雨季平均为76%～81%。
（3）降水量：年降水量507.9～1189.9mm，多集中在6～8月三个月内，这三个月的月降水量为100_0～322.5mm，其余季节雨量甚少。
（4）蒸发量：年蒸发量2126.5～2744.2mm，蒸发量最大的是3～5月。
（5）年平均干旱度（蒸发量/降水量）：2.9，多年变化为1.5～5.4，—年之内可划分为雨季和旱季两个季节。
1.3 地质构造
设计管线区域处于扭动构造体系与西北向构造体系组合型胶结地带。在其主干断裂的旁侧尚发育着次一级东北向和西北向断裂构造，受其影响形成现今的断陷盆地。由于区间断裂构造切割破坏，使其地块完整性差。盆地间大部分被第四系松散土层覆盖。
设计管线穿越水稻田和大量鱼塘，施工时应注意采取对软土的预防处理措施。设计管线全段分布有中性膨胀土，应加强对膨胀土的处理措施，防止膨胀土特有的膨胀性对管道顶进过程带来致命的危害。该项目土质为泥炭质土、黏土等，管顶覆土3～5m，满足顶管大于等于管径1.5倍的要求，施工中未出现机头上扬、冒顶、冒浆及地面严重变形等情况。
2 施工工艺
2.1 工艺流程
测量引点—工作井施工→测量放样→井下导轨机架、液压系统、止水圈等设备安装→地面辅助设施安装→顶管掘进机吊装就位→激光经纬仪安装→掘进机出工作井正常顶进→顶管机进接收井（见图1）。
图1 污水处理厂配套主干管工程顶管施工工艺流程
2.2 操作控制系统
由一名经过专业培训的操作人员在地面控制室内操作。顶进过程中，操作人员应始终注意观察各仪表显示，发现异常及时处理。其他的工作人员则负责井内管道和顶铁的更换，以及进行进排泥管和电缆的连接。
2.3 主要施工工序
2.3.1 管节运输
根据该工程施工场地情况，管节由25t吊车卸到指定位置后，再由吊车将地面管节吊运至井下。
2.3.2 地面准备工作
（1）在顶管顶进施工前，按要求进行施工用电、用水、排水及照明等设备的安装。
（2）工作井现场应备足一定数量的顶管用管材，管材准备的余量为30～40m，以满足施工的要求。
（3）井上、井下建立测量控制网。
2.3.3 井下准备工作及井内布置
工作井井内布置主要是后背墙、导轨、主顶油缸、油泵动力站、钢制扶梯等。井下设备安装完毕后，用汽车吊将顶管机吊下工作井，置于导轨上，因导轨安装精度是严格控制的，故顶管机座上导轨就已准确定位。启动油泵伸缩千斤顶，检查千斤顶与后背墙的配合、顶管机与出口器及分压环的间隙等，准确无误后即可开始出洞顶进。
2.3.4 管节顶进
掘进机头进洞后的轴线方向与姿态正确与否，对以后管节的顶进起着关键的作用。因此在顶进时，机头与前三节管子应连在一起，用拉杆将前三节管子与机头固定，防止机头重量大而下沉。根据控制台显示屏激光点及时调节纠偏油缸，使其能持续控制在轴线范围内，并且做到勤纠偏、看趋势。严格控制机头大幅度纠偏造成顶进困难、管节碎裂。在穿越河道、鱼塘时，应放慢顶速，并严格控制注浆压力，防止贯通河床和冒顶。
2.3.5 触变泥浆减摩
触变泥浆减摩是顶管施工中减少顶力的一项重要技术措施。在顶进过程中，通过顶管机尾部的同步注浆与管道上的预留孔向管节外壁压注一定数量的减摩泥浆，采用多点对称压注使泥浆均匀地填充在管节外壁和周围土体的空隙，以减小管节外壁和土体间摩阻力，起到降低顶进时阻力的效果。
2.3.6 中继间的安装和运行
随着顶管顶进长度的增加，来自泥土包管的摩擦阻力增大，顶力也随之加大。在顶管正常顶进约100d时，需在顶管间增加中继间（助力千斤顶）以增加顶力。中继间的安装与管道安装一样，正确安装完毕后，顶管继续顶进约50d时，中继间开始工作。当中继间达到最大行程的90%时，工作井千斤顶开始工作的同时中继间开始卸载，直到中继间顶力行程回零，此时工作井千斤顶停止工作，中继间开始工作。此为一个循环工作。
2.3.7 进出洞口的措施
顶管的进出洞口作业是一项很重要的工作，施工中应充分考虑到其安全性和可靠性。
（1）顶管出洞。顶管机和第一节管子从工作井中破出洞口封门进人土中，开始正常顶管前的过程，是顶管的关键工序。
顶管出洞对操作者的要求也很高，这是因为出洞时顶管机未被土体包裹，处于自由状态，而使顶头出洞的主千斤顶顶力是巨大的，因此，控制操作哪怕出现少量不均匀或土质不均匀，使各千斤顶的行程不等，也足以使顶头和第一节管子偏离设计轴线。此时的土体难以对机头产生较大反力，难以对机头起到导向约束作用，故此时产生的偏差很难以纠正，甚至是纠不过来的。因此，出洞顶进时一定要十分小心，用激光经纬仪随时测量监控，保证顶头和第一节管子位置正确。
掘进机头顶进到位后，吊放第一管节，拼接完毕，然后在工具管后管节内安装工具管辅助设备。
（2）顶管进洞。一段管道顶完，顶管机经过进洞口封门进人接收井，并做好顶管机后一节管与进洞口的密封连接的过程。
在接收井砖墙封门破坏后，掘进机头应迅速、连续地顶进管节，尽快缩短出洞时间。掘进机整体进洞后，应尽快把机头和混凝土管节分离，并对管节和接收井的接头按设计要求进行处理，减少水土流失。
2.4 顶管施工过程中应注意的问题
（1）当掘进机停止工作时，一定要防止泥水从土层或洞口及其他地方流失，否则挖掘面就会失稳，尤其是在进洞这一段时间内，更应防止洞口止水圈漏水。
（2）在掘进过程中，应注意观察地下水压力、泥水仓水压力的变化，并及时采取相应的措施和对策，只有这样才能保持挖掘面的平衡、稳定。
（3）在顶进过程中，要随时注意挖捆面是否稳定，要不时检査泥水的浓度和相对密度是否正常，还要注意进排泥泵的流量及压力是否正常。应防止排泥泵的排量过小而造成排泥管的淤泥堵塞现象。
（4）顶管顶进完成后，对管节上的压浆孔进行封堵。
2.5 顶管施工测量和方向控制
2.5.1 测量及控制指标
根据业主提供的测量控制点布置整个工程的控制网，在工作井周围布设一个高精度的控制网，用以测放、检查和修正工作井井区和井下测量点。起始点对顶管测量精度至关重要，故井下测量平台要单独设置，不与管道、设备、后背墙接触，不受顶管操作影响，以保持其稳定性。
为了保证顶进轴线控制在设计轴线允许偏差范围内，顶进过程中要密切注意激光点的偏向，施工中需经常对控制台进行复测，以保证测量精度。
2.5.2 施工顶管测量和方向控制
顶管方向与高程测量控制，可直接用置于工作井内测量平台起始轴线控制点上的激光经纬仪照准位于顶管机头中心的光靶。激光经纬仪发射的激光束偏离光靶中心的距离，即为顶管的偏差值。每隔4d对井内、井外的轴线控制点和高程点进行校核，确保所有控制点在轴线上，水准控制点准确。
3 施工参数
3.1 顶力计算、最大顶距确定
该工程顶管单元长度根据设计图纸的井室位置、地面运输和开挖工作井的条件、顶管需要的顶力、后背与管口可能承受的顶力等因素确定。工程土质参数基本相同，顶力计算时因是同一管径，故取一个最大单元长度进行计算。
最大推力计算：按最大顶距600m，采用以下经验公式计算
F=F1+F2
式中F---总推力；
F1——端阻力；
F2——侧壁摩阻力。
F1=n/4×D×p
式中D——管外径；
P——控制土压力。
p—KoφpHo
式中Ko——静止土压力系数，一般取0.55；
Ho——地面至掘进机中心的高度，取值为4m；
p——土的表观密度，取1.9t/m3。
F2= DfL
式中D——管外径；
f——管外表面综合摩擦阻力，根据地质勘察报告，取值为4.0kN/m2；
L——顶距。
计算结果
F=F1+F2=13624kN
该工程顶管由于采用了触变泥浆，顶力远小于理论计算值，因此施工中无须增加额外的顶进系统即可满足要求，设计图纸最大顶距为600m是合理的经济距离。
该工程正常顶进速度为3～5cm/min；前200m顶力4000kN；300～600m顶力8000kN；600m以上顶力12000～16000kN。千斤顶2000kN/只，对称布置，共4只，平均顶进距离在150m左右增加一个中继间。
3.2 泥水系统和水压控制
泥浆系统的作用有：
（1）送走被挖掘机挖出的渣土和平衡地下水。泥浆系统是由密封的管道组成，通过机头循环，形成泥浆混合物，由排泥管送走，最后沉淀在地面上的泥浆池内。泥浆通过众多的排泥泵被排出，再由进水泵进水送人机头，排泥由变速的排泥泵进行控制。机坑旁通装置可控制进排泥浆的速度、方向，以防止泥渣堵塞管道，淤积现场。
（2）在有地下水存在的地方，掘进机表面的压力可以降低到小于水中的压力。这样避免了抽地下水的需要。进排泥水系统中的压力感应器可测出地下水的压力。机内泥水循环系统、电磁阀、旁通装置及截水阀可以起到调节水压的作用。机内电磁阀和旁通系统可以阻止水压的变化，保持水压，在加管道时，不至于减小机头的水压，保证内部压力平衡。
该工程300m以内土压力、泥水压力均为3MPa左右，通过进水管的量和出泥管的量来平衡泥水仓内压力，从而使机头平稳前行。泥水的稠度控制在12～14s，泥水的流量达800m3/h，顶管效果较好，设备正常。
4 顶管施工质量标准
按设计要求并参照有关工程施工及验收有关规定进行施工及验收，应达到工程设计图纸、技术文件、建设单位和监理单位提出的要求和质量标准，见表1。
表1 顶管施工质量要求
5 结语
综上所述，在顶管施工过程中，要严格遵守施工规范要求，对相关参数进行计算，采取合理的措施对施工进行控制，避免出现大角度的纠偏，严格控制管道接口的施工质量。本工程在施工过程中，进行了有效的施工控制，各项指标均符合要求，取得了良好的经济及社会效益，为类似工程提供宝贵经验。
参考文献：
[1]曹晓原.城市主干道污水管顶管工作井施工遇流砂孔洞的处理[J].中国建材科技.2015（S1）
[2]陆丽嫦.浅谈城市污水管道顶管施工工艺及问题[J].城市建筑.2014（02）
论文作者:方驰敬
论文发表刊物:《基层建设》2016年6期
论文发表时间:2016/7/5
标签：顶管论文; 机头论文; 工程论文; 工作论文; 泥浆论文; 泥水论文; 测量论文; 《基层建设》2016年6期论文;