顶管施工技术在西非供水工程中的应用

刘伟丽 温贵明

顶管施工技术在西非供水工程中的应用

刘伟丽 温贵明

顶管施工技术作为不开槽施工方法，在非洲铝红土地区得到成功应用。不仅有效避免了施工对地面建筑物的破坏以及对交通的影响，将施工影响降低到了最小，也有效排除了施工环境对工程的干扰和影响。为类似项目的实施积累了经验。

顶管施工 技术 西非 供水工程 应用

1 背景介绍

顶管施工技术是一种不开挖或者少开挖的管道埋设施工技术，属于不开槽非开挖施工方法。利用工作坑内的顶进设备产生的推力，克服管道与周围土壤的摩擦力、管节自重等，将管道按设计的坡度顶入土中，完成最终管道埋设。掘进顶管法是应用比较广泛、技术较为成熟、可靠性较高的一种技术。

顶管施工可不阻断交通，不破坏道路和植被，因而可以避免开挖施工所带来的居民生活和交通干扰，以及对环境建筑基础的破坏影响，无污染，无噪音，减少了开挖施工的地下作业工程量。加快了非开挖工程施工进度，缩短了施工工期，作业面小，综合施工成本低，有利于文明施工，是重要的管道铺设方法之一。

西非某供水工程位于非洲西部加纳共和国境内，由新建取水口、净水厂、输水管线、中途加压泵站、终端高位水池、输电线路以及新建变电站等建筑物组成。设计日输水能力18.6万m3，输水管道全长71.5 km。

该工程共有2处涉及使用顶管技术，2处都为城市的主要交通干道，交通繁忙。经过方案比选后，认为掘进顶管法施工相对于开挖敷设，可以有效降低施工对交通的影响，确定采用顶管施工技术穿过2处路段。本文以其中1处穿路顶管施工技术为例，介绍掘进顶管施工技术在本工程的应用。

2 应用简介

在该穿路点输水管线为DN900 mm球墨铸铁管,穿路长度为14 m。施工采用DN1 400 mm钢管做套管，内铺设DN900 mm钢管，输水管道埋深为2.5 m。根据现场地质勘察，本处土质为铝红土，土质坚硬。

3 施工过程

3.1 施工准备

（1）调查研究，熟悉要求。在开工前对相关技术文件、图纸等进行熟悉，充分掌握相关技术要求。并实际调研，掌握地下土质、水位等相关水文地质资料。并充分了解地下管线交叉情况，得到相关单位的准许或取得有关单位的配合。并熟悉现场施工环境、运输、电源等情况。

（2）制定可行的施工方案。在充分理解设计意图和掌握现场实际情况的基础上，制定切实可行的施工方案。比如确定工作坑的位置和尺寸、推力计算、顶进设备选择、顶管后背的结构和验算以及应急措施、安全技术措施和资源安排调配以及进度计划等等。

3.2 参数计算

顶管施工的成败在于顶管的顺利与否，而其最重要的就是保证在合适的顶推力下将管节安全顺利推进到位。选择合适的掘进方式及出土路径，选择合适的顶进设备和推力，适宜的工作环境和场所，牢靠的后背等是掘进顶管施工的关键。计算确定各技术参数是开展施工的基础。

3.2.1 工作坑尺寸的确定

工作坑一般选在检查井的位置，并与建筑物有一定的安全距离。其工作坑底长、宽尺寸按以下公式计算。见图1。

式中W——工作坑宽度，m；

D——钢套管外径，m；

图1 工作坑剖面图

B——工作面净宽，一般为1.2～1.5 m；

b——支撑厚度，m。

式中L1——后背结构厚度，取0.85 m；

L2——千斤顶长度，本次使用推进设备长度约为0.6 m；

L3——出土工作面长度，一般取1.0～1.5 m；

L4——每节管长，管长为2 m；

L5——顶进管口尾端压在导轨上的最小长度，一般为0.3～0.5 m。

则根据式（1）及式（2），分别计算工作坑的宽度和长度：

W=1.420+2×(1.5+0.3)=5.02 m，取宽度为5 m。

L=0.85+0.6+1+2+0.5=4.95 m，取长度为5 m。即工作坑底部尺寸为5 m×5 m。

3.2.2 工作坑底基础和导轨

（1）为保障良好的作业环境和防止工作坑地基沉降，工作坑采用混凝土底板。基础尺寸应根据地基承载力、施工荷载、操作要求而定。基础宽度应大于管外径，长度宜为工作坑长度，基础厚度为150～250 mm。

（2）导轨的作用是控制管节按照设计的中心和高程顶进，保证管节在顶入之前位置符合设计要求。导轨安装的准确和牢固与否，直接影响顶进质量。导轨间净距与管径大小有关，可根据直角三角形计算。导轨采用20 cm槽钢焊结而成，H=200 mm，经计算导轨面净间距取922 mm。

3.2.3 顶力计算

通过层次分析法确定招聘需求人数规模指标、招聘需求覆盖度指标和发布频率指标3个指标的权重，用来计算岗位紧缺度指数，通过计算，三者的权重分别是：招聘需求人数规模指标的权重为0.2583，招聘需求覆盖度指标的权重为0.6370，发布频率指标的权重为0.1047。最终，岗位紧缺度指数=100*（0.2583*招聘需求人数规模指标+0.6370*招聘需求覆盖度指标+0.1047*发布频率指标）。

顶推力是管节推进的唯一动力。顶管的顶力包括正面阻力和四周的摩擦阻力两部分，F总=F1＋F2。其中正面阻力F1的计算，根据管节前端型式的不同而各不相同。本工程采用人工挖土的简易工具管，采用公式F1＝π（D-t)tR进行计算，其中D为管外径（m），t为管刃脚厚度（m），R为挤压阻力（kN/m2），可取R=300～500 kN/m2；摩擦阻力F2是指管壁与土之间的摩擦阻力，按公式F2＝f2×L进行计算，f2为单位长度管道摩擦阻力（kN/m)，L为管道长度（m）。经计算F总=1 542.45 kN。

根据计算结果，顶管所需推力需大于1 542.45 kN。选用2台推力为1 000 kN的千斤顶，取1.25倍系数，合计推力为：F=1 960 kN＞1.25 F总（1 928.06 kN），故可满足要求。

3.2.4 后背

后座墙与后背是顶力的支撑结构，通常采用原土做后座墙。根据施工经验，管顶覆土2～4 m时，原土后背墙的长度需要4～7 m。根据顶进需要的总顶力，核算后背受力面积及允许承载力。所需承压面积为：A=F总/P=1 542.45 kN/200=7.71 m2，取后背断面尺寸为:H=4 m,B=2 m，A=HB=8 m2，满足承压面积要求。后背下部埋深1.0 m，高出管底面标高1.5 m，与千斤顶接触受力面预埋2.0 cm厚钢板。

3.3 顶进设备

（1）千斤顶是顶管施工工艺的主要设备之一，目前通常采用液压千斤顶，本工程也选用千斤顶作为顶进设备。

（2）高压油泵一般选用额定压力为32 MPa的柱塞油泵。若装有2台以上千斤顶时，需将进油管并联在一起，以使各千斤顶活塞行程一致（2个千斤顶活塞必须同步运行）。

（3）顶铁是传递顶力的垫铁，根据放置位置的需要，有横顶铁、顺顶铁等。其中顺顶铁应有多种长度尺寸，以便随着管子顶进，将顺顶铁放入顶进空隙之内继续进行顶进。

（4）其他：包括搭设工作坑的工作平台，作为下管、土方运输等使用，或准备汽车起重机等设备进行吊运。工作平台搭设应经过技术验算，确定搭设材料和平台尺寸，坑口位置设置防护栏杆、防雨等安全措施。

3.4 顶进施工

（1）顶进前，全部设备要经过检查和试运行。试顶完成，管道中心线和高程符合设计要求，开始正式顶进。正式顶进时，先将钢套管对准顶入土的接触面，检查拟顶入的钢管中心线与高程是否符合设计要求。管前人工开挖0.1～0.2 m，逐步启动油泵，活塞伸出一个工作行程，将管道顶进。停止油泵，活塞回缩。顶进完成后进行高程及中心复测，满足要求则可继续进行施工作业。

（2）管内施工作业面狭窄，2人轮班作业，洞内采用人工挖土方法，1人在工作面上开挖，1人用小车收土并运至管外。再利用吊车吊出工作坑。严格控制开挖尺寸，每次开挖长度为30 cm，最多不超过50 cm。

（3）管前人工开挖完成后进行顶进。添加顺顶铁，在其后加塞钢垫铁块（分别为0.15、0.3、0.45、0.9 m）挤牢，重复上述操作，直至本节钢套管完成顶进。前一节钢套管顶入工作面土层后，土层外预留0.2～0.3 m，方便下节对接。

（4）管周围超挖：管顶与两侧不允许超挖，施工要求土方内壁与管内壁一致，在管节底部135°范围不得超挖，保持管壁与土基面的吻合。工作面的土方开挖顺序是自上而下，控制好管周围土的开挖，严格控制超挖，开挖时使用直尺等工具控制工作面的开挖，掌子面土方侧壁与钢套管的内壁保持顺直，避免造成管道偏斜。

（5）由专人操作千斤顶，施工顶进时同时启动千斤顶，顶进动作同步协调，同时要监测顶管是否有横向位移，如有横向位移要及时纠正。工作坑及顶推设备布置示意图如图2。

图2 工作坑及顶推设备布置示意图

（6）套管偏差纠正措施：①左右偏差，可在钢套管偏向设计中心的一侧适当超挖，以使该侧阻力减小，在相对侧欠挖留坎，以增加该侧的阻力，同时增加单侧顶力，偏顶纠正。②两侧挖土不够宽，易造成“抬头”现象。可在套管两侧适当超挖，或在管节底部适当超挖，使其下降。③套管出现吃土顶进的“扎头”现象时，开挖面基底保持在套管底面以上8～10 cm，在管节头部增加垫木、垫石等来纠正“扎头”，亦可采用斜顶的方式纠正“扎头”。

（7）顶管顶进的注意事项：①顶进时先挖土后顶进，随挖随顶。应连续作业，不宜中途停止，增加顶进难度。②顶铁的安放应平顺，不得歪斜，每次加放顶铁时，使顶铁连接块数最少为宜。③顶进过程中，发现管前土方坍塌、后背倾斜、偏差过大和油泵压力表指针升高等情况，应停止顶进，查明原因，排除故障后，再继续顶进。④顶进偏差超过允许值后，应进行校正，校正方法可用挖土纠偏法、顶木纠偏法。如管端偏向中心左侧，可在中心右侧超挖或支顶方木，逐步纠偏，不得猛纠硬调。

4 结语

顶管施工技术在非洲铝红土地区的成功应用，有效地解决了工程难题，在不中断交通和不破坏地面建筑物的情况下成功完成管道穿路。有效地排除了施工环境对工程的干扰和影响，为类似项目的实施积累了经验。

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2015-05-28）

刘伟丽 女 工程师 中国水利水电建设咨询渤海公司 天津 300222

温贵明 男 工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222