浅谈给排水管道的顶管施工技术应用

该市政规划路给排水施工项目位于广东某开发区内，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。

1顶管施工技术方案选择

1.1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。

1.2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：①可连续顶进作业，施工速度快；②人员不用进入管道作业，安全性高；③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。

1.3顶管施工主要设备该工程选取了GTNSΦ1500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。

1.4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→管道顶进、测量控制及纠偏→管道排泥和废泥浆外运→下一管节吊放就位→下段顶管顶进→管道贯通、回收工具头→闭水试验→竣工验收、清场。

1.5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。

2顶管工程力学参数确定

2.1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=αpeBC2π/4

F1=RSL

F0——初始顶力（kN）

F1——管壁摩擦力（kN）

α——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：F0=1.5*150*2.2382*π/4=885kN

管壁摩擦力：F1=2*7.03*400=5624kN

总推力：F=885+5624=6509kN=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=π×D2/4×P其中

F1——顶管泥水阻力(t)

D——顶管外径(m)

σ——顶管泥水最大压力(t/m2)

σ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=π×D2/4×P＝π×2.2382/4×50＝196T

管壁摩擦阻力：F2=S×L×f其中

S—顶管外周长(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=π×2.238×60×1.0＝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，其不能承受的以上顶力，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个30T千斤顶，共计300T。顶管中继环布置按照“工具头20m—中继环—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。

2.2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。

3各主要工序施工方法

3.1顶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。3.2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。

3.3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。

3.4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。