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城市供水管道工程顶管施工技术初探

  摘要:在城市供水管道工程建设中,顶管施工显示出极大优越性,具有开挖量少,交通干扰小、工期短等优势,因此,顶管施工技术得到了广泛的应用。本文结合应用实例,探讨了城市供水管道工程顶管施工方案、施工技术及质量控制措施,给同类工程提供参考。 

  关键词:供水管道工程:顶管施工;顶力计算;纠偏;质量控制 

  中图分类号:P756.2 文献标识码: A 文章编号: 

  城市供水管道工程是重要基础设施,其建设受到了人们的广泛关注。传统的挖槽埋管地下管线施工技术对地面交通有很大影响,因此,受到了逐渐受到限制。而顶管施工技术与传统的施工技术相比,对地面活动影响较小,施工控制严格可保证交通畅通,日常活动正常,特别是在穿越铁路、公路、河流、建筑物等障碍物时可减少沿线的拆迁工作量,节约资金和时间,降低工程造价。因此,顶管技术在城市供水管道工程施工中得到广泛的应用。 

  1工程概况 

  1.1工程简介 

  某城市供水管道工程,在穿越市政道路采用顶管施工技术,工程长59.6m,埋设深度为4~6m。管道采用内径DN2000的“F”形Ⅲ级钢筋混凝土管材,混凝土等级为C50级。 

  1.2场地工程地质情况 

  顶管段地质情况为黏性土、回填土,管线主要在黏性土中穿过,经讨论决定,采用人工开挖与机械顶进两种方法相结合施工。 

  2主要施工方法 

  由于穿越距离短且工作坑土质较好,因此,采用组合道轨枕木作后背。为了保证顶进质量,施工时应进行后背的强度和刚度计算。 

  3 手掘式机械顶管施工方案 

  本工程顶管单一,结合现场实际情况和地质勘察报告,施工方拟定采取手掘式机械顶管施工方法。 

  3.1 手掘式顶管施工工艺流程(如图1所示) 

   

   

  3.2 顶力计算与后背设计 

  本工程将枕木组合作为千斤顶的后背墙。 

  1)后背结构及抗力计算 

  (1)后背结构 

  后背作为千斤顶的支撑结构,要有足够的强度,且压缩变形要均匀。因此,应进行强度和稳定性计算。本工程采用组合枕木后背,这种后背安装方便,安装时应满足以施工千斤顶的着力中心高度不小于后背高度的l/3的要求。 

  (2)顶力计算 

  推力的理论计算公式如式(1): 

  F=Fl+F2(l) 

  式(l)中,F为总推力;Fl为迎面阻力;F2为顶进阻力。 

  F1=π/4×2D×P (2) 

  式(2)中,D为管外径,取2m;P为控制土压力。 

  P=K0×γ×H0 (3) 

  式(3)中,K0为静止土压力系数,一般取0.55;H0为地面至顶管中心的厚度,取平均值6m;γ为土的湿重量,取1.5t/m3。将相应数值代人式(2)、式(3),得: 

  P=0.55×2×6=6.6t/m2 

  F1=3.14/4×2×2×6.6=20.724 

  F2=πD×F×L (4) 

  式(4)中,F为管外表面平均(根据顶进距离平均淤泥土)综合摩阻力,取0.8t/m2;D为管外径,取2m;L为顶距,取60m。将相应数值代人式(4),得: 

  F2= 3.14×2×0.8×60=301.44 

  因此,总推力F=20.724+301.44=32.164t。根据总推力!工作坑所能承受的最大顶力与管材轴向允许推力相互比较后,取最小值作为油缸的总推力。主顶油缸选用2台320t(3000kN)级油缸。通过油泵压力将每台油缸顶力控制在200t以下,千斤顶总推力为400t。因此,无需增加额外的顶进系统即可满足施工要求。 

  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,顶管中后背不应被破坏,不能产生不允许的压缩变形。 

  后背不允许出现上下或左右不均匀的压缩,否则千斤顶在余面后背会造成顶进偏差。为了保证顶进质量,施工时应进行后背的强度和刚度计算。后背受力计算公式如式(5): 

  式(5)中:R为总推力之反力(一般大于推力的1.2~1.6倍);a为系数(取1.5~2.5之间),此处取2;B为后座墙的宽度(单位为m),此处取4m,γ为土的容重(单位为kN/m3);H为后座墙的高度(单位为m),此处取2m;Kp为被动土压系数tg2(45°+Φ12);C为土的内聚力(单位为kPa),一般情况下取10kPa;h为地面到后座墙顶部土体的高度(单位为m),此处取2m。 

  按式(5)计算,后背能承受2623t顶力(>实际顶力400t),完全能满足要求。 

  3.3主要设备的选择 

  顶进设备主要包括千斤顶、高压油泵、顶铁、工具管及运出土设备等。 

  1)千斤顶:千斤顶是掘进顶管的主要设备,本工程每个工作井拟配置2台320t液压千斤顶。 

  2)高压油泵:由电动机带动油泵工作,选用额定核动力为31.5MPa的液压油泵,控制阀经分配器进人千斤顶,各千斤顶的进油管并联在一起,保证各千斤顶活塞的出力与行程一致。 

  3)顶铁:顶铁是传递和分散顶力的设备。要求顶铁能承受顶进压力而不变形,并且便于搬动。根据顶铁位置的不同,可分为横顶铁、顺顶铁和、“U”形顶铁3种。 

  4)其他设备:在工作坑上设置固定的工作平台,平台用直径超过30cm的普通圆木作支架,上铺厚度超过5cm的木板作为出土使用。在工作平台上设起重架,上装电动卷扬机,其起重量应大于每出土斗车满载的重量。 

  3.4顶进设备的选择 

  本工程根据顶力计算结果,结合实际情况,采用工作顶力为320t活塞式双作用液压千斤顶。千斤顶布置采用单列式。顶进时着力点位置在顶管全高的1/2~1/3之间比较合适。千斤顶与顶管之间采用顶铁传送顶力。顶铁用型钢焊拼成各种结构的传力形式,根据顶铁安放位置和传力作用不同,采用横铁和立铁组合的方式。 

  3.5管前挖土与顶进 

  1)管前挖土:管前挖土是控制管节顶方向和高程!减少偏差的重要作业,是保证顶质量及管上构筑物顺利安装的关键施工环节。 

  2)下管:挖土之前应先进行下管施工,并做好以下工作。 

  (l)下管前应先对矽管进行外观检查,主要检查砼管有无破损及裂缝,端面要平直。检查合格后的硅管方可用起重设备吊至工作井的导轨上就位。 

  (2)检查起重设备。全面检查起重设备并试吊,确认安全可靠后方可下管。下管时工作井内严禁站人。当距导轨小于50cm时,操作人员方可就位工作。 

  (3)砖管就位。第一节管放到导轨上后,测量管子中心及前端和后端的管底高程,确认安装合格后方可顶进。第一节管作为工具管,顶进方向与高程的准确性是保证整段顶管质量的关键。 

  3.6管前挖土的长度控制 

  通常安排一个人挖土。为加快工程进度,每班安排2个人轮流开挖。在管内采用人力斗车进行土方运输;在工作井采用电动葫芦进行垂直运输土方。 

  3.7顶进 

  采用2台30/台的液压午斤顶作为主顶。顶进开始时应缓慢进行,待各接触部位密合后,再按正常速度顶进。顶进若发现有油路压力突然增高,应停止顶进,找出原因并经过处理后方可继续顶进,回镐时油路压力不得过大,速度不得过快。挖出的土方要及时外运,及时顶进,使顶力限制在较小范围内。 

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