顶管技术在给排水施工中的应用
摘要：本文通过对某开发区内规划路沿线顶管施工段的工程实践经验，阐述了顶管施工技术在给排水管道工程中的应用，并取得了显著的成效。
关键词：顶管；平衡；泥水；工作井
该市政规划路给排水施工项目位于某开发区内，该工程中的W334—W337设计为顶管施工段。管材采用带橡胶圈III级钢筋混凝土承插管，管径为1500mm，总长270m。其中工作井、接收井均采用矩形钢筋混凝土沉井结构。
一、顶管施工技术方案选择
(1)经调查分析研究及结合本公司在设备和施工及相关的技术能力，采用了密封泥水平衡式顶管工艺进行施工。
(2)泥水式平衡顶管机相比于土压式平衡顶管机，能有效平衡地下水、对付流沙和淤泥质地层。同时泥水式平衡顶管施工比土压式平衡顶管施工具有以下优点：a、可连续顶进作业，施工速度快：b、人员不用进入管道作业，安全性高；c、在淤泥质和砂层中顶进，对地质环境影响小，能有效控制施工精度，而且成本低等。
(3)顶管施工主要设备
该工程选取了GTNS中1500泥水平衡顶管机，50T吊机1台、25T吊机1台，后座泵站2套、整体式顶进构架2套、泥水处理系统2套、激光水准仪1台、全站仪1台、水准仪1台、经纬仪1台，另外还有通用设备电焊机、水泵等。
(4)顶管施工工艺流程
施工前期准备→测量放样、复核→工作井施工→搅拌桩施工→工作井上下设备安装准备→工具头吊装下井、全套设备调试→工具头穿墙顶进→后续吊放管道一管道顶进、测量控制及纠偏→管道排泥和废泥浆外运→下→管节吊放就位→下段顶管顶进一管道贯通、回收工具头→闭水试验→竣工验收、清场
(5)施工顺序
顶管法施工采取先施工顶管工作井及接收井，后顶进管道，然后施工检查井的施工顺序。顶管工作井及接收井施工、管节制作、顶进施工、检查井施工尽可能平行交叉进行，以缩短工期。
二、顶管工程力学参数确定
1、顶力计算
本工程采用顶管总顶力计算的经验公式进行计算：
F=F0+F1
F0=a peBC2л/4
F1=RSL
F0—始顶力(kN)
F1—管壁摩擦力(kN)
a——综合系数，本工程取淤泥质土系数值1
pe—土仓的压力(kpa)，pe=150kpa
BC=管外径(m)，取2.238m
R—综合摩擦阻力(kpa)，本工程取淤泥质土值2：
S—管外周长(m)，=3.1415*2.238=7.03m：
L——推进长度(m)，本工程考虑L=400m。
初始顶力：FO=1.5*150*2.2382*л/4=885kN
管壁摩擦力：F1=2*7.03*400=5624kN
总推力：F=885+5624=6509 kN=651T
说明：以上的管壁摩擦力计算没有考虑触变泥浆减摩效果，施工是采用触变泥浆减摩，可以有效折减管壁摩阻力。
工具头正面泥水压力：F1=л×D2/4XP
其中
F1 N管泥水阻力(t)
D—顶管外径(m)
a—顶管泥水最大压力(t/m2)
a与土层密实度、土层含水量、地下水位状况有关。根据有关工程统计资料和本工程的分析，估算工具头正面泥水压力为50t/m2左右，F1=×лD2／4×P=π×2.2382/4×50＝196T
管壁摩擦阻力：F2=S×L×f
其中
S—项管外周长(m)
L—最长一段顶管长度(m)
f—综合摩擦力系数(T/m2)
f与管道的埋设深度、土质、地下水位等因素有关。根据有关工程统计资料和本工程的分析，估算综合摩擦力系数f=1.3T/m2。F2=S×L×f=π2.238X60×1.0＝421T
在考虑一次顶进距离为60—70m时，顶管总阻力为以上阻力之和：F=F1+F2≈617t
根据该管径钢管的要求，其不能承受的以上项力，顶力较大，需要增加中继环，顶进的后座采用4个200T的千斤顶，中继环采用10+30T千斤顶，共计300T。顶管中继环布置按照 “工具头20m—中继环一后座60m” 来布置。另外，顶管过程还要采用减阻措施，通常减少管壁摩擦阻力的措施有：管壁与泥土间压触变泥浆减阻(优质膨润土拌制而成)，注浆需要管节间的密封良好，否则浆体会在管节间泄漏起不到应有的作用，减阻效果好时，f—综合摩擦力系数可以降低到0.3－0.8T/m2左右，将触变泥浆的减阻作为保险系数。
2、管材受力计算
钢管内径d=2220mm，厚度t=18mm，每节管长度6000mm，管的端头采用焊接接头。端面受力面积s＝π×(2.238×2.238—2.22×2.22)/4＝0.063m2
可承受的最大顶力为：F=s×5000T/m2/4＝78.8T。
三、各主要工序施工方法
1、项进前准备所有机械设备交班检查
顶进前，机械工需要进行交接班手续，将记录的设备运转情况表交给下一个班组的机械工，并进行口头的设备运转状况交班，刚上班的机械工需要对控制台、各个泥浆泵、管道、测量系统、工具头等进行例行检查。
2、工具头刀盘转动、开进出渣浆泵
交班和例行检查完毕后，接通电源，将工具头的刀盘转动，当设备的参数稳定后，开进出渣浆泵，开始泥浆循环。
3、调整进出渣浆泵流量达到平衡
工具头的操作全部采用在管道外(工作井上)控制台控制，只需1个机手操作，可实现对工具头刀具的转动、纠偏控制、压力显示、时时监控(工具头安装了摄像头、控制台上安装了电视机)。顶进千斤顶，观察工作仓的土压力表，调节渣浆泵的流量达到工作仓的泥水平衡，其平衡的原理是，当进泥和吸泥泵稳定工作时，调节进泥和吸泥的泵量，使工作仓内应保持一定压力，仓内泥水压力应与地下水压力相平衡，泥水压力过大，地面隆起；泥水压力过小，地面沉陷，所以控制顶进与出泥的速度相当关键。
4、泥水处理系统处理好砂土、装车、外运
采用泥水平衡式工具头出土，需要在工具头中注入含有一定泥量的泥浆，通过大刀盘切削工具头前方的原状土，与注入的泥水搅拌，泥水通过吸泥泵排到地表泥水处理系统处理，泥浆可以反复循环使用，处理好的泥沙用泥浆车外运。
5、测量工具头的偏位、作好记录、纠偏
测量方法，在工作井后座位置设置测量机座，测量基座由地面引入地下，避免工作井的变形引起的误差，将全站仪放置在其上调平后，使全站仪发射的激光沿着顶进方向水平射出，打在工具头的测量靶位上，通过望远镜读出工具头的偏差。每隔0.5m记录一次。
6、1个行程顶完后，整体式顶进构架调节顶块
当顶完1个行程后，停止顶进，调节整体式顶进构架顶块，可继续顶进下一个行程。
7、触变泥浆系统
顶进过程中，需要经常进行压触变泥浆工作，以减少顶进的阻力，触变泥浆系统由拌浆、注浆和管道三部分组成。拌浆是把注浆材料兑水以后再搅拌成所需的浆液(造浆后应静置24小时后方可使用)。注浆是通过注浆泵进行的，根据压力表和流量表，它可以控制注浆的压力(压力控制在水深的1.1～1.2倍)和注浆量(计量桶控制)。管道分总管和支管，总管安装在管道内一侧，支管则把总管内压送过来的浆液输送到每个注浆孔上去。注浆孔布置为：工具头后3节管各设一道、之后每间距5m设一道补浆孔(间隔2节砼管)。
注浆流程：造浆静置一注浆一顶管推进(注浆)一顶管停顶一停止注浆
8、顶完一节管后，拆开各管路、钢管吊装、各管路安装
顶完一节管后，拆开所有管线(电力电缆、信号线、油管、进出泥浆管、触变泥浆管)，进行钢管吊装焊接后，安装好所有管线，继续顶进。
四、总结
顶管过程是一个复杂的力学过程，它涉及材料力学、岩土力学、流体力学、弹塑性力学等诸多学科。但顶管施工必须严格控制好顶管推力，而对顶管计算复核能够准确估计顶管的推力。顶管的推力就是顶管过程管道受的阻力，包括工具头正面泥水压力、管壁摩擦阻力。泥水平衡压力：在封闭的工作仓内加泥水压力平衡地下水压力，是防止泥砂涌入的重要方法。泥水压力一定要合理。压力较小，大量的泥砂涌入，会造成路面破坏，地表设施受损；压力过大，会增大主千斤顶负荷，严重的可能产生冒顶现象。该工程通过了严密的顶管计算，采取了先进的顶管设备，成功高效地完成了该路段顶管施工的工作。
