摘要：顶管施工技术作为一种非开挖施工技术，在城市市政工程施工中具有广阔的应用前景，对其展开探讨十分必要。本文结合花都工业大道污水管道下穿京广铁路工程，分析了市政排水管网工程顶管施工中的相关参数计算，并对顶管施工的操作要点进行了详细的介绍，为类似工程施工提供参考。
关键词：市政工程；顶管；施工技术
0 引言
随着城市化建设的不断发展，市政工程建设的数量也日益增加。在市政工程施工中，顶管施工技术具有省时高效、施工安全、综合造价低、对周围环境影响小等优点，得到了广泛的应用，其施工技术水平的高低直接影响到市政工程的的施工质量及效益。而排水管网工程是市政工程中的重要组成部分，对其顶管施工技术展开探讨具有十分重要的意义。
1 工程概况
该项目为广州市花都区工业大道污水管道下穿京广铁路工程，在城市发展中起到不可或缺的作用。该排水管网工程设计顶管管材Ⅱ级钢筋混凝土管DN2000mm、壁厚120mm，顶管埋深3.5m，顶管长度44m。土层性质:粘土，上部可塑，下部硬塑。根据土体情况，从经济角度考虑采用手掘式顶管施工工艺。
2 顶管工作井施工
2.1 工作井设置
现场设置了顶管工作坑做临时性设施。工作坑包括了后背、导轨和基础等。它是人、机械、材料较集中的活动场所。因此根据施工现场情况，顶管工作坑设置在工业大道，接收坑设置在工业大道，在施工中特别注意以下两点:
(1)交通条件。本工程顶管位于十字路口两侧，施工期间应特别注意防止路面沉陷对交通的影响。
(2)地下管线情况。本工程地下管线较多，进行管线探测，标明了位置，确保顶管不与任何已有管线冲突。
2.2 工作坑尺寸确定
该工程顶管施工选择单向顶进施工，顶进长度为46米，工作坑尺寸依据管径2000mm、管节长度2000mm、操作方式、出土方式(人工挖掘，垂直吊运)及背后长度而确定。开挖宽度(B)=管外径+2×管两侧操作空间(取1.2～1.6m)+2×撑板厚度(取0.2m)。开挖长度(L)=管节长度+顶管机长度+出土工作长度+后背墙的厚度+0.5m。因此，工作坑内工作面的尺寸规格为6m×4.4m
2.3 工作坑基础、背后墙的要求及制作
工作井底部浇筑C25钢筋混凝土底板，钢筋网为双层ф15@200，混凝土底板顶面高程为管底标高下1m，底板厚度为30cm。在工作井前端设集水坑，集水坑底高程为底板标高下0.5m，采用厚30cm的C25混凝土护底，集水坑底部宽度为1.0m；工作坑后背采用1m厚C30钢筋混凝土结构，钢筋网采用三层ф18@200，背墙顶高程高于管顶面上1m，其总高度为2.5m，其余三面采用30cm厚C25钢筋混凝土墙，钢筋网采用双层φ12@200，其顶面高程为原地面高程下1m。
3 顶力计算与后背力计算
后背作为千斤顶的支撑结构，要有足够的强度和刚度，且压缩变形要均匀，所以，应进行强度和稳定性计算。
3.1 顶力计算
推力的理论计算:
F=F1十F2
其中:F——总推力，Fl——迎面阻力，F2——顶进阻力。
F1＝π/4×D2×P(D为管外径1.44m，P为控制土压力)
P＝Ko×γ×Ho
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厚度，取最大值4m；γ——土的湿重量，取1.9t/m3。
P＝0.55×1.9×4＝4.18t/m2
F1=3.14/4×1.44×2×4.18＝9.45t。
F2＝πD×f×L
式中:f——管外表面平均(根据顶进距离平均淤泥土)综合摩阻力，取0.6t/m2；D——管外径1.44m；L——顶距，取最大值46m。
F2＝3.14×1.44×0.6×46＝124.80t。
因此，总推力F=9.45+124.80＝134.25t。
根据总推力、工作井所能承受的最大顶力及管材轴向允许推力比较后，取最小值作为油缸的总推力。工作井设计允许承受的最大顶力为400t，管材轴向允许推力300t，主顶油缸选用2台100t(1000kN)级油缸。每只油缸顶力控制在80t以下，通过油泵压力来控制，千斤顶总推力160t。
3.2 后背的计算
后背在顶力作用下产生压缩，压缩方向与顶力作用方向一致。当停止顶进，顶力消失，压缩变形随之消失。这种弹性变形现象是正常的，顶进过程中，后背不应当破坏，产生不允许的压缩变形。
后背不允许出现上下或左右的不均匀压缩。否则，千斤顶在余面后背上，造成顶进偏差。为了保证顶进质量和施工案例，施工时应进行后背的强度和刚度计算。
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后靠背受力计算公式
R=aB(λH2Kp/2+2Ch +λhHKp)
式中:
R——总推力之反力(一般大于推力的1.2～1.6)；
a——系数(取1.5～2.5之间)，此处取2；
B——后座墙的宽度(m)，此处取4m；
γ——土的容重(kN/m3)粘土取1900；
H——后座墙的高度(m)，此处取2.5m
Kp——被动土压系数tg2(45°+0/2)，此处取2.04；
c——土的内聚力(kPa)一般情况下取10kPa；
h——地面到后座墙顶部土体的高度(m)，此处取1m。
按上式计算，工作井加护套后能承受174.648t顶力＞实际顶力160t。完全能满足要求。
4 顶进操作实施要点
4.1 下管就位
工程顶进管材为钢筋混凝土管DN1200，每节管长度2000mm，管材在工厂完成蒸汽养护后运至施工现场。施工前先对管子进行外观检查，主要检查管子有无破损；端面要平直；管壁无坑陷、裂纹，应光洁。检查合格后的管子用20t起重机吊到工作坑的导轨上就位。施工将第一节管放到导轨上，测量管子中心及前端和后端的管底高程，在确认合格后进行顶进。第一节管作为工具管，确保顶进方向与高程的准确，以保证整段顶管质量。
4.2 顶进操作
管道顶进时千斤顶进行同步顶进，千斤顶不同步或千斤顶相差较大或安装精度不够，造成顶力合力偏差。工程采用2台100t/台的液压千斤顶作为主顶，顶进中控制速度并缓慢进行，待各接触部位密合后，再按正常速度顶进。其顶力、行程、顶速相一致，这样保证顶力合力与管道中心线相重合，保证管道轴线不由于顶力相差而产生偏差。
主油缸合力中心与顶进方向一致。两台主油缸左右对称分布，由于合力中心直接影响顶进管道顶进的方向，在管道进洞时，工具管入土较浅，土的支撑面较小，支撑面的应力就较大，工具管头部易下沉。入土深度增加后支撑面应力很快减小，工具管不再下沉，防止在进洞初期工具管下沉，顶力的合力中心也应偏下，顶力合力中心低于管中心R/5～R/4。
挖出的土应及时外运、及时顶进，尽可能使顶力限制在较小的范围。为了确保工程进度，每班两个人轮流开挖，管内采用人力斗车进行运输，当管内土方运至工作坑时采用电动葫芦再进行垂直运输。
4.3 测量、校正(纠偏)
(1)顶管时的测量工作是非常重要，随顶随测随校正。测量采用激光经纬仪和水准仪配合进行，机头前方安固定光靶，测量时将油缸缩回。在下管前和下管顶进都进行测量，随时观测是否发生管位偏移。在顶第一节管(工具管)时，以及在校正偏差过程中，测量间隔控制300mm，保证管道入土的位置正确；管道进入土体正常顶进，测量间隔控制1000mm。
(2)顶管误差纠偏校正要逐步缓缓进行。常用的方法有，①超挖纠偏方法:偏差为10～20mm时，可采用此方法，即在管子偏向的反侧适当超挖，而在偏向侧不超挖甚至留坎，形成阻力，使管子在顶进中向阻力小的超挖侧偏向，逐渐回到设计位置；②顶木校正法:偏差较大时或采用挖土校正无效时，用圆或方木，一端顶在管子偏向一侧的内管壁上，另一端支撑在垫有木板的管前土层上，开动千斤顶，利用顶木产生的分力，使管子得到校正；③千斤顶纠偏法:方法基本与顶木纠偏法相同，只是在顶木上用小千斤顶强行将管慢慢移位校正。
(3)偏差产生的原因分析，通过工具管及调节千斤顶的伸缩量进行纠偏，利用两段式工具管内的纠偏千斤顶使偏斜一侧的千斤顶出缸口即可对管道偏差进行校正，让偏差值逐渐减小使管子回至设计轴线位置，施工时每个步骤都不能忽视，才能保证工程施工质量。
5 施工中观察顶管洞口、周围地表情况并进行预防措施
(1)由于顶管地段地层土质为粘性土，粘性土层中土体密实坚硬，上部可塑，下部硬塑，为泥质砂岩风化残积而成，因此导致人工开挖速度慢，顶进速度为2.3～3cm/min。
(2)采用先顶后挖的掘进方式操作，工具管前段的管帽较长，直接切入粘性土中，这样，再进行挖土工作。由于有了管帽的保护，一方面工作人员能在安全保护下进行，另一方面，由于管帽的阻挡，又防止流砂坍塌或出砂量过大，引起地面沉降等问题。
(3)顶进铺设的管材设置注浆孔，顶进时通过注浆孔注入膨润土泥浆，使其管壁外侧与土体之间形成圆筒形泥浆套，管道推进时减小摩擦阻力，填充土体与管道之间的缝隙，并防止超挖产生土体塌落。顶进时全程进行注浆，保证管壁外侧的土体出现流失时很快会有新的泥浆注入，将孔隙填充。注浆时的液体压力传递到土体颗粒之中，成为压实土体的压力，泥浆的液压起到支撑作用，使土体保持稳定，不造成地面沉陷。全部顶进完成时，通过这些注浆孔注入水泥、粉煤灰浆，使土体中的全部空隙最终被水泥填充，防止路面的后续沉陷。
6 结语
综上所述，顶管施工技术是市政工程施工中的主要技术之一，具有不破坏地面建筑物、不影响原有管网、施工造价低等优点。在市政排水管网工程施工中，施工人员要结合工程的实际情况，选择合理的顶管施工方案进行施工，并掌握相关顶管施工技术操作要点，促进工程施工的顺利进行，提高工程施工的社会效益及经济效益。
参考文献
[1]冯树文.市政道路排水工程污水管顶管施工技术[J].黑龙江水利科技.2016(06)
[2]赵东峰.非开挖顶管技术在市政排水管线施工中的应用[J].企业技术开发.2015(24)
论文作者:毛星宇
论文发表刊物:《基层建设》2016年第33期
论文发表时间:2017/3/6
标签：顶管论文; 千斤顶论文; 工作论文; 推力论文; 后背论文; 管道论文; 高程论文; 《基层建设》2016年第33期论文;