論頂管工程的施工技術

1 引言
 隨著現(xiàn)代施工地質(zhì)及自然環(huán)境的條件惡化，現(xiàn)代化城市對城 市環(huán)境的要求逐年增加，不開槽施工方法在城市管道施工中越來 越受到人們的重視。本文就頂管施工的類型及適用條件以及施 工中應注意的要點進行了闡述。
 1 頂管工程工作原理
 頂管施工是繼盾構(gòu)施工之后而發(fā)展起來的一種地下管道施 工方法，它不需要開挖面層，并且能夠穿越公路、鐵道、河川、地面 建筑物、地下構(gòu)筑物以及各種地下管線等。頂管施工借助于主頂 油缸及管道間中繼間等的推力，把工具管或掘進機從工作井內(nèi)穿 過土層一直推到接收井內(nèi)吊起。與此同時,也就把緊隨工具管或 掘進機后的管道埋設在兩井之間，以期實現(xiàn)非開挖敷設地下管道 的施工方法。
 2 頂管施工的分類
 1) 按頂管直徑大小可分為:大直徑頂管、中直徑頂管、小直徑 頂管。
 2) 按頂進距離可分為:短距離頂管、長距離頂管和超長距離 頂管。
 3 ) 按管材可分為:鋼管頂管、混凝土管頂管、玻璃鋼管頂管和 其他管材頂管。
 4 ) 按有無地下水可分為:干法頂管和水下頂管。
 5) 按管軸線可分為:直線頂管和曲線頂管。曲線又分為水平 曲線和垂直曲線，不同材質(zhì)的管材和管節(jié)長度有不同的曲率半徑 的要求。
 3 工作井和接收井的設計與施工
 3.1 形狀的選擇
 工作井平面形狀一般分為矩形、圓形及多邊形幾種。由于矩 形工作井內(nèi)部空間能較好的被充分利用，且井壁可直接作為頂管 后背墻使用，故矩形工作井為最常用的工作井形式。
 3.2 工作場地選擇
 工作井選址應遠離房屋、地下管線、架空線路等不利于施工 的場所，同時應滿足堆放管道、注漿材料和泥漿沉淀池、渣土運輸 設備及運輸線路的要求。
 3.3 工作井的尺寸確定
 工作井的尺寸應滿足管道下放所需長度、機頭進出洞所需安 全距離、人員上下及施工操作所需空間，以及排放泥漿或棄土設 施的位置等。
 工作井按深度可劃分為淺工作井和深工作井,當井底至地面 高度大于1〇 m 時稱為深工作井，反之稱為淺工作井。其深度涉 及吊裝的工作量及工作井的大小尺寸要求。
 1) 工作井長度。
 a. 按設備長度計算：
 L≥L1+L2+K 
 b. 按管段長度計算：
 L≥L2+L2++L3+K 
其中,L為工作井最小長度為頂進設備長度 ;L2 為管段長度 ;L3 為千斤頂長度;L4 為境內(nèi)保留管段最小長度 K為后座、鋼 頂鐵、環(huán)形頂鐵厚度之和。
 2 ) 工作井寬度。
 B=D+(2.0~2.4)
 其中為工作井寬度 ;D為管道外徑。
 3) 工作井深度。
 H = Hl +D + h 
其中，H1為管頂覆土厚度;D 為管道外徑;h 為管道連接操作空間高度。
 4 頂管設備的選擇
 1) 氣壓平衡頂管機:其原理是使挖掘面與一定壓力的壓縮空 氣相接觸,以疏干挖掘面土體內(nèi)的水分，同時達到穩(wěn)定挖掘面的 要求。該工法缺點是:勞動條件較差，施工速度較為緩慢，同時施 工安全性較差。
 2 ) 泥水平衡頂管機:其原理是通過帶壓力的泥漿與開挖面接 觸 ，通過泥漿與接觸面的壓力平衡達到施工頂進目的。該工法缺 點是:a.泥漿的存放和運輸較困難。b. 由于為泥水施工，對環(huán)境 影響較大，故在市區(qū)內(nèi)不宜采用。c.不適用于有大塊石或障礙物 的土層。d.對滲透性較大的土質(zhì)需加人一定數(shù)量的穩(wěn)定劑，否 則 ，易出現(xiàn)塌方。
 3 ) 土壓平衡頂管機:其原理是通過土倉內(nèi)壓力和排土來平衡 地下土壓力和水壓力。該工法缺點為:a.在粒徑較大或砂礫石土 質(zhì)中必須添加粘土或土體改良劑。b.遇較大障礙物則無法施工， 開工前需對地質(zhì)進行詳細調(diào)查。
 5 頂管工程施工主要施工設備
 1) 工作井軌道。
 主要起到對管道的導向及控制平面及高程位置的作用，同時 對鋼管還起到托架作用，主要由軌道支撐、導軌、整平螺栓組成。
 2) 后靠板。
 也稱為“后靠背”，主要起到傳遞油缸反力，同時使其均勻分 散至后背墻，不讓后背墻因為應力集中而遭受破壞。 安裝時要注意與油缸軸線保持垂直，同時后背板與后座墻之 間要緊貼，若有空隙則需用素混凝土或細砂填實。
 3) 油缸及千斤頂。
 小直徑頂管油缸規(guī)格推力以 150 t ~ 200 t 為宜，油缸行程以 1500 mm ~1800 mm為宜。大中直徑頂管油缸推力以200 t ~ 300t為宜，油缸行程以3000mm ~ 3500mm為宜。
 選擇油缸推力太小則油缸布置數(shù)量過多 ,油缸推力過大，推力過于集中，則管材易破碎。
 4 ) 頂鐵。
 頂鐵的目的是保護頂進管材管口不受破壞，同時可彌補油缸行程不足，因此，頂鐵必須有足夠的強度和剛度。
 泥水平衡頂管時頂鐵大多是倒扣在導軌上，土壓平衡頂管時 頂鐵開口都是朝上的。 
5) 輸土和輸泥設備。
 土壓平衡頂管時是用螺旋輸送機排土的，當距離短時可用人工手推車進行棄土工作，距離較長時采用電瓶車牽引運土車將土 運至坑外。當土質(zhì)塑流性滿足要求時，可用土砂泵直接將棄土通 過輸送管道排至地面上。
 泥水輸送設備主要由排泥栗、進水泵、中間泵、管道、閥門等 組成。切除土體通過泥土倉不斷粉碎、加水、揉和 ,其中被粉碎的 進人泥水倉，通過輸泥管道排至地面。
 6 ) 注漿潤滑設備。
 注漿設備包括盛漿設備、拌漿設備、注漿設備三類。一般注漿泵工作壓力僅在1MPa以下，即使長距離頂管注漿泵壓力亦不會超過2MPa ~ 3MPa。如果注漿壓力過高將會增大管道頂力。
 7 ) 長距離頂管的通風與換氣設備。
 一般可選壓人式或抽吸式通風、換氣裝置。常用通風設備有 軸流式抽出式風機和羅茨鼓風機等。
 8) 長距離頂管的供、配電設備。
 長距離頂管的供、配電設備可分為兩種方式:一種是用全自 動補償式電力穩(wěn)壓器來穩(wěn)定電壓，另一種是用1000V 高壓向管內(nèi)供電，再用干式變壓器降為380 V。
 6 頂管工程施工要點
 1)減阻技術。
 最常用為膨潤土觸變泥漿減阻。其作用機理是根據(jù)管徑不 同，后續(xù)管節(jié)直徑一般比頂管機直徑小20 mm ~ 50 mm，管道與周 圍土體之間存在間隙;糾偏對土體一側(cè)產(chǎn)生擠壓作用，而另一側(cè) 由于應力釋放也會形成空隙，因此在頂管過程中會產(chǎn)生許多空 隙。注漿時，從注漿孔注人的泥漿首先填補管節(jié)與周圍土體之間 的空隙，抑制地層損失造成的地面變形。泥漿與土體接觸后在壓 力作用下向地層內(nèi)滲透和擴散，短時間泥漿會變成凝膠體，充滿 空隙,在注漿壓力的擠壓下，會形成相對密實、穩(wěn)定的泥漿套從而 減少頂進過程中的摩擦阻力,減少地面變形，增加施工安全性。
 2 ) 頂力估算。
 施工過程中的阻力由兩部分組成:a.頂管機迎面阻力；b.管 體外壁與土體之間的摩阻力。頂管距離越長管壁所受的摩阻力越大。
 頂進鋼筋混凝土管時，頂力按下式計算:P=其中，P為頂力;i為計算頂進長度為管道長度單位自重 ; ? 為土質(zhì)系數(shù)。 3)頂管進出洞施工技術。
 a. 出洞施工要點。
 對埋深小于 10 m 的沉井，可在沉井外側(cè)設置鋼板樁,同時在洞口進行磚封堵，頂管機出洞時先拆除臨時磚封堵，待頂管機進 洞后再拆除鋼板樁。
 為保證出洞口施工順利進行，可對土體進行加固措施，控制 土體的均勻性和強度，必要時在出洞口兩側(cè)采用將水法疏干地下水,以穩(wěn)定土體。
 機頭出洞時，要將機頭和前幾節(jié)管道上端用拉桿連接好，并調(diào)好油缸編組，以防機頭出洞后磕頭。
 b. 進洞施工要點。
 覆土深度較深或土質(zhì)較軟時，應防止頂管機和前幾節(jié)關節(jié)后 退的情況發(fā)生。一旦發(fā)生后退現(xiàn)象，管道前方土體會發(fā)生塌陷。
 通?？稍诙纯诎仓秒妱雍J，在油缸回縮時用葫蘆拉近頂管 機不讓其產(chǎn)生后退現(xiàn)象。對于含水量較大的土質(zhì),在機頭進洞前 必須做好必要的加固和降水工作，確保土體穩(wěn)定，在有含承壓水 的土質(zhì)中，還應做好深井降水措施。
 4 ) 測量。
 頂進前需檢查基礎導軌的高程、平面布置尺寸，確定后背位 置,需不斷對管節(jié)的軸線、高程進行測量。同時需對管線經(jīng)過區(qū) 域地表變化進行及時測量，提供精確數(shù)據(jù)，對地面沉降及時分析， 才能對可能發(fā)生的不確定情況做出精準判斷，及時控制。
 7 結(jié)語
 頂管工程作為地下管道非開挖施工的一種，對交通繁忙、人 口密集、地面結(jié)構(gòu)較多及管線較為復雜的市區(qū)施工有很重要的實 際施工價值。在施工中需嚴格施工工藝、控制風險源、加強施工 單位技術力量、創(chuàng)造安全文明的施工環(huán)境。