顶管工艺在污水处理工程中的应用
摘 要：顶管施工技术近年来在我国发展迅猛。市政工程中采用顶管施工可以将作业面 移入地下，从而避免了对地面交通的影响。只要施工前选线合理，施工方法恰当，构筑物并不妨碍施工的正常进行。本文就顶管施工工艺以及在污水处理中的应用作了简要阐述，并展望以后顶管法日渐成熟，可成为市政建设中的一种常用工艺。
一、引言
随着人们环保意识的提高，城市对污水处理的要求越来越严格，污水处理厂外收集系统 工程截污管道大量增加，由于截污管道较长，经过的地质条件以及现场条件较为复杂，施工 时无法明沟开挖埋管时，顶管法可成为有效的补充。我司在顺德区大良施工地下排污管采用 此方法施工，不但能保证施工安全，而且集市区旧房不受任何影响，达到预期的效果。
二、顶管法施工适用条件
在污水管道直径较大（Φ600mm以上），施工现场无法有采用明沟开挖埋管施工而管道 沿线又无其它建筑物基础时，可考虑采用使用顶管法施工。
三、顶管法施工的原理
顶管法施工原理是在管道的沿线按设计的方案设置工作井和接收井，工作井内设置坚固 的后座，吊进油压千斤顶以及要顶进的钢管或混凝土管，接好照明，泥浆管，油管等管线， 然后用油压千斤顶缓慢顶进，通过压浆系统使管节周围形成泥浆套，管道在泥浆套中滑行， 在顶进的过程中通过激光经纬仪测量顶管的方向，边顶进边排土边调整，直至将钢管或混凝 土管顶至接收井内。
四、顶管的施工
1、工作井及接收井、检查井施工，根据地质情况及现场条件，采用合适的支护方式开 挖，然后尽快做好底板及壁板混凝土，并进行顶管所需的后靠背混凝土以及土体的强度复核 ，确定混凝土以及钢板垫块的厚度。这是管节能否顺利顶进的关键。
2、油压千斤顶吊放就位，轨道安装。
3、管节的选用、安装：管节必须全面检验，发现外观有缺陷的一律禁止使用。管道吊 放前上好橡胶止水圈。将管节吊放在轨道上，安放环形顶铁，缓慢推进，让接头平顺对接。 如发现有破坏、翻转、出槽等现象，必须退出管节重新更换、调整橡胶圈，重新安装对接。 接头对好后，继续开动液压千斤顶将管节顶进。
4、管节顶进
a.顶进的流程为：
b.顶进的阻力主要为正面阻力、管道周边摩阻力两部分组成。
为减少顶进正面阻力，顶进的机头可改良为尖钻头。
随着顶管距离的增长，推力上升很快。为避免管节超过受压极限破坏，管壁外的减阻是 工程顺利完成的必要措施。施工时采用管节周围注触变泥浆，将管节与土之间的干摩擦变为 湿摩擦，达到减阻的目的。触变泥浆按膨润土：烧碱：CMC：水=0.3：0.2：0.01：1的配比 配制后静置24小时后使用。施工时通过压浆系统从机头，前三节管的注浆孔压入触变泥浆， 形成约10mm厚的泥浆套，使顶管在泥浆套中滑行，减少摩阻力。根据压力表和流量表，控制 压浆的压力约为自然地下水压的1.1～1.2倍。
在施工操作时，必须“先压浆后顶管，边压浆边顶进，停顶进勤补浆”的办法维持泥浆 套的性能。
c.顶进线路的控制
机头自身有一段纠偏段，纠编最大角度范围能够达到上下1.7°左右1.2°。顶进线路的 控制主要依靠设备的正确操作以及预见性。
为了使管道按照设计要求的高程和方向顶进，在顶进过程中应不断对工具管的高程方向 转动进行测量，“勤测勤纠”，根据测量反馈结果，调整纠偏千斤顶，使机头改变方向，从 而实现顶进方向的控制，确保管道按设计轴线顶进。
纠偏贯穿顶进施工的全过程，尽量做到纠偏在偏位发生的萌芽阶段。
测量是采用2″激光经纬仪进行方向的测量的，对于扭转，则由机头的角度仪测出。激 光经纬仪经校正后，牢固固定在千斤顶端，然后管道的机头端安装反射玻璃，并将测量的结 果直接输出至控制液压千斤顶的电脑上，方便操纵。
顶管穿墙时要防止工具管发生偏差。在穿墙的初期，因入土较少，工具管的自重仅由两 点支承，其中一点是导轨，另一点是入土较浅的土体。土体支承面上承载力较低，使机头容 易下沉。因此，机头穿墙时，在穿墙管下部要有支托，工具管的推进要迅速，缩短穿墙管内 的土体暴露时间，以减少安全隐患。
管道顶出穿墙管及在长度3－4m范围内的偏差是影响全段偏差的关键，特别是出墙洞时 ，由于管段长度短，机头重量大，近出洞口土质容易受扰动等因素的影响，往往会导致向下 偏，此时，应该综合运用机头自身纠偏和调整千斤顶的作用力合力中心来控制顶管方向。
d.泥土外运
泥屑由泥水系统随泥浆管排出，在泥浆池过滤土渣并及时外运。
e.管内动力及照明
管内动力主要用来掘进、纠偏、出土及顶进，选择380V动力电源。由于管内环境潮湿， 照明必须采用安全低压照明。采用变压器变为36V安全电压照明。
f.顶管注意事项
注意防止地面的沉降或隆起：在顶管施工沿线按一定间距布设沉降观测点，监测顶管顶 进施工期间的地面沉降量。
开挖端面的取土过多或过少，会造成地面的沉降或隆起。为避免这种不良影响，可采取 以下措施：在压浆时要控制好压力，恰好能平衡“泥浆套”以上土体的压力。严格控制管道 接口的密封质量，防止渗漏。在某些管节埋藏较浅，离地面不足1.5米的位置，可采用沿管 线局部压钢板，上堆砂包加载的形式，防止管节顶进时触变泥浆上浮使到泥浆套失效。
工具管纠偏后，刃脚后形成一个空隙，管道顶进时周围的土体会塌入空隙，造成地面沉 降。为避免这种情况，在顶管顶进时，要及时测量，勤测勤纠，避免大角度纠偏。五、结束 语
社会发展，人们环保意识不断加强，城市的规划越来越严格，城市污水处理量越大，需 要建设的污水管道不断增加。过去，人们受施工现场条件控制，很多时候很难开挖，或无法 穿过河道等困难，污水管道敷设处处受制。随着顶管法的日渐成熟，以上问题可迎刃而解， 污水管道的布置可以越来越灵活，可极大满足人们对污水处理的要求。顶管法施工将成为市 政工程施工中的一种常用工艺。
手掘式机械顶管施工方案(节选）本工程由于顶管种类较多，本方案以单项数量较大具有代表性的D2000mmF型Ⅲ级钢筋混凝土管为例进行施工方案的编制，我方拟定为手掘式机械项管施工。
3．1手掘式项管施工工艺流程
3.1.1顶力计算与后背设计
本工程是将壁板加厚作为千斤顶的后背墙。
l后背结构及抗力计算
后背作为千斤顶的支撑结构，要有足够的强度和风度，且压缩变形要均匀。
所以，应进行强度和稳定性计算。本工程采用组合钢结构后背，这种后背安装方便，安装时应满足下列要求：使用千斤顶的着力中心高度不小于后背高度的1/3。
顶力计算
推力的理论计算：（以Φ2000mm计算）
F=F1十f2
其中F—总推力
Fl一迎面阻力 F2—顶进阻力
F1＝π/4×D2×P (D—管外径2.5m P—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6m
γ—土的湿重量，取1.9t/m3
P＝0.55×1.9×7＝7.31t/m2
F1=3.14/4×2.5×2×8＝31.4t
F2＝πD×f×L
式中f一管外表面平均（根据顶进距离平均淤泥土）综合摩阻力，取0.8t/m2
D—管外径2.5m
L—顶距，取最大值100m
F2＝3.14×2.5×0.8×100＝428t。
因此，总推力F=31.4+428＝459.4t。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（Φ2000mm顶管）设计允许承受的最大顶力为800t，管材轴向允许推力700t，主顶油缸选用2台(或4台，根据现场实际情况定)300t(3000KN)级油缸。每只油缸顶力控制在250t以下，这可以通过油泵压力来控制，千斤顶总推力500t。因此我们无需增加额外的顶进系统即可满足要求。
l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。这种弹性变形即象是正常的，顶管中，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，施工时应后背的强度和刚度计算
后靠背受力计算公式
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4米
γ－土的容重（KN/M3)
H－后座墙的高度(m) ，此处取4.5米
Kp-被动土压系数
c-土的内聚力（kPa) 一般情况下取10
h-地面到后座墙顶部土体的高度（M），此处取5米
按上式计算，圆形工作井加护套后能承受1591.5T顶力＞实际顶力500T。完全能满足要求。
3.2．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4台300t液压千斤顶。
千斤顶的工作坑内的布置采用四台组合式，顶力全力作用点与管壁反作用力作用点应在同一轴线，防止产生顶时力偶，造成顶进偏差。根据施工经验，采用机械挖运土方，管上半部管壁与土壁有间隙时，千斤顶的着力点作用在管子垂直直径的1/4~1/5处为宜。
(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液压油泵，经分配器，控制阀进入千斤顶，各千斤顶的进油管并联在一起，保证各千斤顶活塞的出力和行程一致。
(3) 顶铁
顶铁是传递和分散顶力的设备。要求它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形顶铁三种。
(4) 其它设备
工作坑上设活动式工作平台，平台用30号工字钢梁，上铺15×15cm方木。工作坑井口处安装一滑动平台，作为下管及出土使用。在工作平台上设起重架，上装电动卷扬机，其起重量应大于管子重量。
3.3垂直运输工具的选择
工作坑的垂直运输地面与工作坑的土方，管道与顶管设备的垂直运输采用简易龙门和卷扬机（电动葫芦），并搭设工字钢梁作为地面工作平台。下管采用汽车式起重机吊装。
3.4、顶进设备的选择
本工程根据顶力计算，并结合实际情况，采用工作顶力为300t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管子全高的1/2～1/3之间比较合适。千斤顶与管子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，根据安放位置和传力作用不同，用横铁和立铁组合。
3.5、管前挖土与顶进
3.5.1、管前挖土
管前挖土是控制管节顶方向和高程、减少偏差和重要作业，是保证顶质量及管上构筑物安装的关键。
3.5.2、下管
挖土之前应先下管，并做好以下几项工作：
a、检查管子
下管前应先对管子进行外观检查，主要检查管子有无破损及纵向裂缝；端面要平直；管壁无坑陷或鼓泡，管壁应光洁。检查合格后的管子方可用起重设备吊到工作坑的导轨上就位。
b、检查起重设备
起重设备以检查、试吊，确认安全可靠方可下管。下管时工作坑内严禁站人。当距导轨小于50㎝时，操作人员方可进前工作。
c、管子就位
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，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，是保证整段顶管质量的关键。因此，必须认真对待此项工作。
3.6、管前挖土的长度控制
一般是安排一个人挖土。为加快工程进度，每班两个人，轮流开挖。
土方在管内可采用电瓶车进行，也可采用人力斗车进行运输。
土方在工作坑采用电动葫芦进行垂直运输。
在一般地段，土质良好，挖土时可超挖30～50㎝。在铁路道轨下不得超越管端经外10㎝，在道轨以外最大不得超过30㎝，同时应遵守管理单位的规定。
3.6.1、管子周围超挖的控制
在不允许土下沉的顶地段（如上面有重要建筑物或其它管道），管子周围一律不得超挖。
在一般顶管地段，上面允许超挖1.5㎝，但在下面135°范围内不得超挖，一定要要保持管壁与土基表面吻合。
3.7、顶进
采用2台300t/台的液压千斤顶作为主顶。顶进开始时，就缓慢进行，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，检查原因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。
3.8安装工具胀圈
为了有利于导向，顶进的前数节管中，在接口处应安装内胀圈，通过背楔或调整螺栓，使用胀圈与管壁紧成为一个刚体。胀圈一定要对正接口缝隙。安装牢固，并在顶进中随时检查调整。
3.9测量与校正
a、测量
在顶第一节管（工具管）时，以及在校正偏差过程中，测量间隔不应超过300㎜，保证管道入土的位置正确；管道进入土书面通知后的正常顶进，测量间隔不宜超过1000㎜。
中心测量：顶进长度在600㎜范围内，可采用垂球拉线的方法进行测量。要求两垂球的间距尽可能的拉大，用水平尺测量头一节管前端的中心偏差。一次顶进超过600㎜采用经纬仪测量。
高程测量：用水准仪及特制高程尺，根据工作坑内设置的水准点，标高（设两个），测头一节管前端管内底高程，以掌握头一节管子的走向趁势。测量后应与工作坑内另一水准点闭合。
激光测量：用激光经纬仪安装在工作坑内，并按照管线设计的坡度和方向调整好，同时在管内装上标示牌，当顶进的管道与设计位置一致时，激光点即射到标示牌中心，说明顶进质量无偏差，否则应根据偏差量进行校正。
全段顶进完后，应在每个管节接口处测量其中心位置和高程，有错口时，应测出错口的高差。
b、校正（纠偏）
顶管误差校正是逐步进行的，形成误差后不可立即将已顶好的管子校正到位，应缓缓进行，使管子逐渐得位，不能猛纠硬调，以防产生相反的结果。常用的方法有以下2种：
超挖纠偏方法：偏差为10～20㎜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。
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。
3.10管道内辅助管道的辅设
管内的辅助管道设置于管道内壁，用钢架将其有序地固定在管壁上。
a、通风设施：
由于管道顶进距离长，埋置深度深，管道内的空气不新鲜，加上土体中会产生有害气体，因此，必须设置供气系统。通风设施用一台柴油空压机将压缩空气输入空气滤清器，再进入储气桶，经过气压调节阀，将压缩空气传输至管道最前端，并将管道最前端的空气排出，以此进行空气循环。
b、电源布置：
在顶管过程中，主要的电源为动力用电和照明用电。
●动力用电
由于顶管机械设备采用380V 动力电，因此，动力电必须做到二级保护和接地保护措施，动力电源线设置在操作人员不易接触处，并在电源线外增设护套，保证用电安全。
●照明用电
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F型钢承口Ⅲ级顶管
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产品规格：
Φ800×80×2000
Φ900×90×2000
Φ1000×100×2000
Φ1200×120×2000
Φ1350×135×2000
Φ1500×150×2000
Φ1650×165×2000
Φ1800×180×2000
Φ2000×200×2000
Φ2200×220×2000