顶管技术在管道穿堤工程施工中的应用

（广东省梅州市华宏水利水电工程有限公司梅州市514000）

顶管技术在管道穿堤工程施工中的应用

陈红根

（广东省梅州市华宏水利水电工程有限公司梅州市514000）

顶管技术在管道工程的施工中得到广泛的应用，具有良好的应用价值。文章结合工程实例，对顶管技术在管道穿堤工程施工中的应用展开研究，根据其工程概况，对其机械选型及顶力计算进行分析，并介绍工程施工的关键技术措施，可为类似工程施工提供参考。

顶管技术管道穿堤工程应用

随着我国社会经济的快速发展，城市化建设也取得了巨大的进步，市政工程的施工越来越多。在市政管道工程施工中，顶管技术具有十分重要的作用和意义，并以其施工影响小、噪音小、深入地下作业等优点得到了广泛的应用[1]。因此，对顶管技术在管道穿堤工程施工中的应用展开研究具有十分重要的理论价值和实际意义。

1 工程概况

在某个穿越管道中，有1%的向下坡度、应急排放管终点有-16.6的管中高程，主排放管终点有-17.2的管中高程。此穿越管道中使用的是Q235材质、DN1800壁厚22螺旋钢管作为顶管管材，两根钢管的间隙是5.25m[2]。此穿越管道有10m×10m净尺寸的工作井截面、26.2m的沉井总高度、－19.5m的刃脚标高，其结构是钢筋混凝土[3]。按照管线设计单位的要求，将进厂主干管的报警值设为1.5cm、管线变形值设为2m。按照管理部门的要求，将报警值设为大堤的变形值是70%、大堤的沉降值低于2cm、大堤的隆起值低于1cm。此工程有（－15.0～－17.5）m的管道底标高[4]。图1为该工程的地质剖面图。

图1 工程地质剖面图

2 选择顶管机械型号和计算顶力

2.1 选择顶管机械型号

按照《给水排水工程顶管技术规程》CECS246: 2008的参考表，因为淤泥质粉质粘土夹粉土层主要是由排江管道顶进，所以对于各土层中顶管机的选型标准，选择泥水平衡式的顶管机型[4]。下面则是泥水平衡式的顶管机型工具管的性能：

DN1800泥水平衡顶管掘进机被使用在管道施工中，由于陆域管道先行施工，其穿越地质变化成粉砂土，而粉砂土一旦遇到流水就会变成流砂，必须使用平板刀盘，防止涌入流砂，更好地控制沉降地面[5]。如果淤泥质粘土夹粉砂作为排江管道穿越地质，那么在排江管道顶进前，必须提高其开口率，因此必须改装顶管机刀盘，并加装合金钢刀具，有利于清除孤石等障碍[6]。

该工程选择的DN1800泥水平衡顶管掘进机的性能参数是：

（1）顶进速度：（0～200）mm/min；

（2）切削刀盘。电机功率：30×2kW、转矩：300 kN·m、转速：2.0rpm；

（3）纠偏系统。电机功率：2.2kW、油压：31.5 MPa、纠偏角度：3.27°、纠偏油缸：4个、纠偏油缸拉力：600kN·m、纠偏油缸推力：1000kN·m[7]。

2.2 计算顶力

按照《给排水顶管技术规程》CECS246:2008，计算顶管顶力的公式是:

式中F0——总顶力；

D1——管道外径；

L——管道长度；

fk——穿越土层摩阻力；

NF——工具管迎面阻力，10kN/m为排江管道[8]。

式中Dg——工具管外径，此工程为1.85m；

γs——土体重度，此工程为18kn/m；

Hs——覆土厚度，此工程为20m[9]。

计算排江管道的顶力:

迎面阻力:

应急排放管:

排江主管:

此工程的顶力都高于9000kN（沉井后的允许顶力），8195kN是管材允许的顶力，因此8195kN是管道最大的顶力控制值，必须设置中继环[10]。

2.3 布置中继间

选择可以安装15个顶力为800kN的千斤顶，总计顶力是12000kN，转角允许为1°的中继环，止水性能良好[11]。

2.3.1 计算中继环的顶力

第一环NF正面阻力顶管机的顶进距离，排江管道:

式中D——顶管掘进机外径，此工程为1.85m；

γs——土体重度，此工程为18kN/m3；

Hs——覆土厚度，此工程为20m12]。

第一环L′顶进距离，排江管道:

式中T——中继环设计顶力，此工程为12000kN，需用顶力是8000kN；

F——掘进机正面阻力；

D——管外径，此工程为1.85m；

f——管壁摩阻力，此工程的排江管道是10kN/ m2，陆域管道是20kN/m2[13]。

2.3.2 计算中继环的间距

排江管道:

式中L——每环间距；

T——中继环设计顶力8000kN；

K——顶力系数；

D——管节外径，此工程为1.85m。

排江管道的中继环间距可以推进为138m，按照设计总标准，每隔100m设置一道中继环，因此按照100设置中继环的间距[14]。

后座顶进距离:

布置中继间如下:

必须在工具管仓板向后的48m处布置主排放管道的第1道中继间，在第1道中继间向后的97m处布置第2道中继间，在第2道中继间向后的97m处布置第3道中继间，主排放管道一共有3道中继间，后座顶进70m[15]。

必须在工具管仓板向后的60m处布置应急排放管的第1道中继间，在第1道中继间向后的97m处布置第2道中继间，应急排放管道一共有2道中继间，后座顶进105m。

2.4 计算钢管的允许顶力

该工程选择DN1800壁厚22钢管，按照《给水排水工程顶管技术规程》CECS246:2008的8.1.3式，计算钢管允许顶力的公式是:

式中Fds——钢管允许顶力值；

Nφ1——钢材受压强度折减系数，此工程为1.0；

φ3——钢材脆性系数，此工程为1.0；

As——钢材顶力受力面积，mm；

φ4——钢材稳定系数；

fs——钢材受压强度设计值；

γQd——顶管分项系数，此工程为1.3，此工程的钢材稳定系数是0.36；

3 主要的施工技术措施

3.1 安装顶管机的措施和出洞措施

将顶管材料和顶管设计准备充分后，在轨道上吊装顶管机，然后调整其位置、垂直度、标高，将电缆、排泥、水安装至顶管机内，安装结束后即可试运行顶进系统，当顶进系统正常运行后，顶管机将会对墙洞口闷板处进行穿入，而闷板必须与顶管机刀盘保持0.3m的间距才能保证闷板安全起吊。当一切顶进准备工作完成后，开启闷板，闷板顺利吊起后，立即推进穿入墙洞口内，使用高压旋喷桩加固穿墙洞口处的土体，导致不能正常施工，必须将顶进速度减慢，通过刀盘对加固土体进行切削，才能穿越加固区，穿越加固区后方能进行施工[16]。

3.2 止水措施

复合橡胶止水作为排江管道的止水装置，按照水头压力在1～3层可以自由选择，而此排水管道选择了1层的止水橡胶圈，此止水橡胶圈装置了穿墙管装置系统，可以在穿墙管间和管段间进行轴向止水，也可以在法兰和闷板间进行平面止水，图2为此排江管道的止水装置。如果工具管要进行穿墙，则开启闷板，使工具管穿入墙管进行止水。为了避免机头在出洞时涌入井外的水和土，必须根据设计图纸加固穿墙洞口外侧的地基[17]。

图2 排江管道的止水装置图

3.3 穿越管线措施和控制大堤沉降措施

（1）根据实际情况设置土压力控制值。

（2）为了防止大角度的纠偏，可以在穿越管线和道理前对机头的姿势进行调整，因为在穿越区不能发生大纠偏，防止超出土的情况发生。

（3）对顶管轴线的上方设定一定的距离并设置注浆孔，地面到管道上方大约0.3m为注浆孔深度，通过沉降观察顶管通过区域的沉降情况，一旦发现超值，立即对沉降区域进行注浆。

（4）实施泥浆置换，尤其注意把控注浆量、注浆压力。

通过压力注浆工艺进行深层注浆，水泥浆作为注浆材料，设定0.3MPa的注浆压力，因为此工程的施工区域靠江，必须在浆液例注入适量的水玻璃，保证注浆效果。图3为注浆布置图。

图3 注浆布置图

3.4 监测施工措施

在顶管进行施工前，施工单位必须委托第三方监测单位监测构筑物的沉降情况和顶管轴线管线。在顶管施工的过程中，根据监测结果改变施工参数，使穿越施工的影响力降低。为保证数据的及时性，测量频率设定为1日4次[18]。选择DS1级别水准仪进行观测，管线处沉降2cm、地面沉降5cm为警戒值，警戒值的70%为报警值。

4 结语

在管道工程施工中使用顶管技术，可以提高管道工程的施工效率和施工质量，促进市政工程建设的发展。因为管道穿堤工程难度比较大，所以施工人员必须掌握主要的施工技术要点，依据施工方案施工，加强控制施工质量。此工程顶管施工成效良好，具有重要的参考价值。

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2017-01-09）

陈红根（1964-），男，广东五华人，中专，工程师，从事自来水供排水及水利工程等工作，手机：13710892427，E-mail：360960252@qq.com。