呂曉娜

（山西辛安泉供水工程有限公司，山西 太原 030002）

在水利工程施工中，頂管施工目前在長距離輸水工程中起到非常重要的作用，是一種非開挖或少開挖的管道埋設(shè)施工，其中PCCP 直頂管施工技術(shù)在辛安泉供水改擴建工程中取得了較好的效果。

1 項目簡介

辛安泉供水工程為省重點工程，于2012年開工建設(shè)。建成后主要為長治市9 縣（市、區(qū)）工農(nóng)業(yè)供水。其中辛安泉供水工程中長治支線管線起點位于潞城市三井村附近，終點位于壺關(guān)縣壇坡，主要為長治市城區(qū)、郊區(qū)和長治縣供水。管線線路總長25.92km。

本管線施工需穿越一座土山，土山上部有水泥公路和耕地。頂管擬頂進長度318m，管頂覆土約45m，全段為直線施工。根據(jù)地質(zhì)情況，該處頂管施工采用手掘式的方法，該處PCCP 直頂管頂進施工距離長，是本工程的主要特點。

2 PCCP直頂管施工技術(shù)

2.1 地質(zhì)條件

實施318m 的DN 1400 PCCP 直頂管施工段地質(zhì)情況為：頂進坑處地質(zhì)為低液限粘土（含砂低液限粉土），地基為卵石混合土；接收坑處土質(zhì)結(jié)構(gòu)較為密實，局部夾鈣質(zhì)結(jié)核，厚度大于15m。該段頂管施工處，頂進坑、接收坑及頂進施工高程區(qū)域，無其它管線和地下構(gòu)筑物。

2.2 預(yù)估頂力分析

該頂管擬采用人工挖掘方法頂進，頂進阻力計算如下。

頂管頂力參考《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》（GB 50268-2008）第6.3.4 中的計算公式：

式中：FP——頂進阻力，kN；

DO——管道的外徑，m；

L——管道設(shè)計頂進長度，m；

fk——實驗確定的管道外壁與土體的平均阻力（觸變泥漿減阻技術(shù)的摩擦阻力從表1 中選用），kN/m2；

NF——頂管機的迎面阻力，kN。

表1 觸變泥漿減阻技術(shù)的管道外壁與土體的平均阻力單位：kN/m2

頂管機的迎面阻力計算公式：

式中：NF——頂管機的迎面阻力；

Dg——頂管工具管外徑，m；

t——工具管刃腳厚度，m；

R——擠壓阻力，取300～500 kN/m2。

根據(jù)該處頂管頂進坑和接收坑實際地質(zhì)勘探、頂管配件參數(shù)、頂管設(shè)計等條件，相關(guān)參數(shù)如下：直頂管外徑DO為1.82m，頂管設(shè)計長度L 為318m，因頂進坑處土質(zhì)為細沙土，故管道外壁與土的單位面積平均阻力fk預(yù)取10 kN/m2，工具管外徑Dg為1.84m，擠壓阻力R 取500 kN/m2，工具管刃腳厚度t 為0.01m。

根據(jù)公式（1）計算，當頂管全線地質(zhì)為細沙土時，得出頂進阻力為18201 kN。當頂管進入山體后，全段土質(zhì)為粘土時頂進阻力公式（1）中，摩擦阻力系數(shù)fk取5 kN/m2，擠壓阻力R 取300 kN/m2，其他套用數(shù)值不變，計算結(jié)果頂進阻力為9103 kN。

2.3 頂進坑與接收坑

因該頂管施工方向為自管線下游向上游頂進，頂進坑所在位置，原地面向下1m 段地質(zhì)為含砂粘土，再向下為卵石混合土。地下水位低于坑底，故采用淺槽式矩形頂進坑，開挖邊坡為1:0.5，且不需要支撐。接收坑地質(zhì)為低液限粘土，結(jié)構(gòu)較密實，施工方法同頂進坑。根據(jù)該處頂管施工點原地貌和設(shè)計情況，長治支線施工坑平面尺寸，頂進坑1 處6.8m×5m（長×寬）；接收坑1 處6.8m×5m（長×寬）。

2.3.1 頂進坑與接收坑開挖

頂進坑開挖時，應(yīng)按照測量時放好的控制線，用1m3反鏟挖掘機進行開挖，前后兩側(cè)應(yīng)按1∶0.3 向下挖，左右兩側(cè)按1∶0.5 開挖，后靠背與頂進方向垂直。開挖深度距設(shè)計開挖高程20 cm 時，停止開挖，人工清理場地，清理完畢后，在頂進坑的底部鋪設(shè)500mm厚的3∶7 灰土墊層，來增加抗壓強度，上部澆筑20 cm混凝土墊層，并砌筑排水槽，以保證坑內(nèi)的積水排出。開挖接收坑時，開挖深度保證頂出管道下部緊挨底面。

2.3.2 頂進坑澆筑

結(jié)合本標段土質(zhì)情況，頂進方向正面澆筑混凝土襯砌，后側(cè)澆筑混凝土靠背，基坑兩側(cè)坡度為1∶0.5，并用防雨布加蓋。

后靠背施工過程中表面要平直，并垂直于頂進管道的軸線，后靠背與坑壁土體墻面貼緊，并用砂石料填塞密實。

忽略鋼筋混凝土后座的影響，假定主頂千斤施加的頂進力是通過后座墻均勻的作用在頂進坑后的土體上，為確保后座在頂進過程中的安全，后座的反力或土抗力，應(yīng)為總頂進力FP的1.2～1.6 倍，反作用力R 的計算公式：

式中：R——總推力的反作用力，kN；

α——系數(shù)，取值范圍1.5～2.5，此處取2；

B——后座墻的寬度，取5m；

γ——土的容重，取17 kN/m3；

H——后背墻的高度，取5.5m；

KP——被動土壓系數(shù)，取3.69；

C——土的內(nèi)聚力，一般取10 kPa；

h——地面到后座墻頂部土體的高度，取3.5m。

根據(jù)公式（3）計算得，后背反作用力為23267 kN。

2.4 頂管施工設(shè)備及安裝

2.4.1 導(dǎo)軌安裝

本管道坡度為0.48%，小于1%，導(dǎo)軌水平鋪設(shè)。

2.4.2 頂進油缸安裝

該處頂管施工頂進油缸總頂力1000 t，分兩臺500 t 級的液壓驅(qū)動活塞式油缸使用。兩臺千斤頂固定在支架上，并將進油管并聯(lián)在一起，保證兩臺千斤頂活塞的行程和出力一致。

2.4.3 頂鐵的安裝及使用

頂鐵把主作用力均勻地分散到頂進管道的管端面上，不僅可以保護管端，還可以延長千斤頂?shù)男谐獭?/p>

2.4.4 工具管和導(dǎo)向油缸的安裝

工具管是放置于頂管前端的一節(jié)短管，主要是用于導(dǎo)向和掘進及密封，導(dǎo)向油缸安裝在工具管中，十字分布。

2.4.5 起重機械及安裝

該頂管施工配備25 t 汽車吊，對施工現(xiàn)場頂進設(shè)備、頂鐵及管材的垂直運輸。

2.5 中繼站安裝

長距離頂管施工中，中繼站法施工較為常用。分段頂進過程中，在管段中間設(shè)置封閉環(huán)形（外形同管件），沿管環(huán)設(shè)置小千斤。本次頂進長度達到80m 時，在機頭后設(shè)置一處中繼站，并采用觸變泥漿注漿工藝，理論上本頂管施工加裝3 處中繼站。實際施工過程中可根據(jù)掘進地質(zhì)條件和頂力反饋分析，適當調(diào)整中繼站個數(shù)。

在頂管作業(yè)結(jié)束后，將其內(nèi)部的千斤頂、連接件、均壓環(huán)和液壓管線等配件，由人工拆除回收，而中繼站前、后特殊管和鋼制外殼都留在地層中。之后將前、后特殊管和鋼制外殼焊接，探傷檢測合格后再掛網(wǎng)用高強度砂漿抹平整。

中繼站的數(shù)目和位置根據(jù)所預(yù)測頂力以及管件允許頂力來確定，計算公式如下：

式中：i——中繼站的數(shù)目（取整數(shù)）；

F——頂管總頂力；

Fpipe——管道允許頂力。

根據(jù)最大總頂力18201 kN，管道允許頂力7040 kN，得i=2.6，需安裝3 套中繼站，頂力為9103 kN 時，得i=1.29，需安裝2 套中繼站。根據(jù)預(yù)估頂力計算，該頂管施工至少加設(shè)1 套中繼站。

2.6 頂進施工

經(jīng)計算得，頂管的最大總推力為18201 kN，后靠背最大承載力為20618 kN，PCCP 頂管管件允許頂力為7040 kN，因管件允許頂力限制，剩余頂力需要設(shè)置中繼站來解決。理論上至少加設(shè)3 處中繼站，每處設(shè)計頂力為7500 kN（頂進總長318m，每80m 加裝一處），當觸變泥漿技術(shù)成熟可靠的情況下，形成漿套，潤滑頂進阻力隨頂進長度增速緩慢時，考慮適當減少中繼站個數(shù)。若進入山體后土質(zhì)為粘土，計算頂力得9103 kN，只需加設(shè)一處中繼站。在頂進時，當頂力達到中繼站設(shè)計推力的60%時（4500 kN），即需設(shè)置中繼站，當頂力達到中繼站設(shè)計推力的80%（6000 kN）時，即需啟動中繼站。

2.7 校正糾偏

在管道頂進過程中如果出現(xiàn)小范圍的偏差，應(yīng)在頂進中糾偏，本工程采用小角度逐漸糾偏。

2.8 回填注漿

頂進結(jié)束后，須立即對每節(jié)管道的外縫依次隔開注漿處理，中間隔一節(jié)或兩節(jié)管道。末端注漿完成后，對中間空開的管道注漿。最大限度地保證將空隙填充飽滿。

2.9 管縫處理

施工結(jié)束后，檢查管道、管節(jié)及管道坡度。該處頂管采用水泥砂漿密封處理。

3 控制地面隆起、沉降的措施

頂管工程的施工，要避免發(fā)生冒頂現(xiàn)象，且降低對地面附著物及周圍地質(zhì)情況的影響，采取沉降測量與相關(guān)措施防范。該處頂管下穿土山，頂進土層距山頂高差45m，若掘進過程形成土拱，理論上不會有因施工引起的地面隆起和沉降。但實際施工期間也應(yīng)對原地面進行監(jiān)測。

測量控制點應(yīng)設(shè)在方便校正且不易擾動宜于保護的地方，第一節(jié)和第二節(jié)是關(guān)鍵，所以要勤測，保持頂進30 cm 測一次，然后根據(jù)測量結(jié)果頂進管道，第二節(jié)管道進入土體后可以適當放寬測量的次數(shù)，50 cm測一次。根據(jù)實際情況，可增加和減少測量頻次。

頂管工程在頂進過程中，必須把握好適宜的速度進行連續(xù)頂進，不能中斷，以確保頂管穩(wěn)中求進。

4 結(jié)語

通過對PCCP 直頂管施工技術(shù)要點進行分析，做到規(guī)范施工，對長距離輸水工程有很大幫助。