以某工程为例分析手掘式顶管施工技术

　　摘要：在市政排水工程中，合理运用手掘式顶管不仅可以对城市的水环境进行综合整治，使其得到相应的改善，达到市政排水工程的预期效果，而且海还降低了成本，节省工期。本文结合手掘式顶管施工技术的原理，以某污水管网工程为例，
　　关键词：手掘式顶管，市政管网，顶进力，工作坑，顶管误差
　　
　　1引言
　　手掘式顶管施工以其低廉的施工成本、操作简便、设备少、施工进度快和巨大的社会效益更是让人们青睐。在施工实践中，一方面施工前应对地下障碍物进行排查清理，另一方面地下障碍物探查技术的局限性无法将地下障碍物一一探出，顶管顶进过程中常会遇到障碍物，如何经济有效地处理这些问题仍是目前顶管施工技术亟待研究的问题。
　　手掘式顶管施工的原理足借助于主顶油缸以及中继间的顶进力，把工具管或顶管掘进机从工作坑内穿过土层一直顶进到接收坑内吊起。与此同时，把紧随在工具管或掘进机后的管道埋设在两个工作坑之间。
　　2工程概况
　　我市某工园区污水管网工程需要穿越已建成的高等级公路，为提高工效减少对已建公路的损坏，决定采用手掘式顶管施工，该工程成为污水管网工程的关键性控制工程。本段管道施工长度57m，覆土深度4m左右。
　　2．1顶管施工地质条件
　　顶管施工的区域范围内，土质均为人工素填土和杂填土，土层分布在高等级公路路基范围内，密实而均匀。
　　2．2施工设备
　　根据技术规范要求，并结合现场实际地质条件。本工程选用一台200t双液压千斤顶；在手掘式顶管施工中，用一只工具管。该工具管是钢制的，并带有刃口，具有挖土保护和纠偏功能；顶管内输土装置采用简易四轮小车出土；地面起吊设备采用8t汽车式起重机；测量装置采用经纬仪和水准仪，经纬仪用来测量顶管
　　的左右偏差，水准仪用来测量顶管的高低偏差；设备用电采用
　　380V／50Hz的电源；顶管内的通风采用鼓风机。
　　3顶管施工中的有关计算
　　3．1工作坑的平面尺寸
　　1)工作坑的宽度B。
　　B=D1+2b+2c=1．5+2×1．4+2×0.2=4．7m。
　　其中，D1为顶进管的外径，m；6为管两侧的操作空间，m；c为撑板的厚度，m。
　　2)工作坑的长度L。
　　L=L1+L2+L3+L4+L5=3．0+1．1+1．0+0．4+1．2=6．7m。
　　其中，L1为管节的长度，m；L2为千斤顶的长度，m；L3为后座墙的厚度，m；L4为前一节已顶进管节留在导轨上的最小长度，m；L5为管尾出土所留的工作长度，m。
　　3)后座墙的计算。后座墙在顶进过程中承受全部的阻力，故应有足够的稳定性。为了保证顶进质量和施工安全，应进行后座墙承载能力的计算。计算采用以下公式：
　　Fc=Kr×Bo×H×(h＋H／2)×γ×Kp=1250．37kN。
　　其中，Fc为后座墙的承载能力，kN；Kr为后座墙的土坑系数，当埋深较浅，不需打钢板桩且墙与土直接接触时，Kr=0．85；Bo为后座墙的宽度，m；H为后座墙的高度，m；h为后座墙顶至地面的高度，m；γ为土的容重，kN／m3；Kp为被动土压力系数，与土的内摩擦角拳有关，其计算公式为：Kp=tan2(45°+φ／2)。
　　3．2顶进力的计算
　　在本工程中根据顶管施工的实际情况，顶进力主要为土体对顶管的阻力和顶管自重产生的阻力之和。计算采用以下公式：
　　F=(π×Bc×q+W)×μ1×Ld=1161．35kN。
　　其中，F为顶迸力，kN；Bc为顶进管外径，m；q为顶进管管顶上方土的垂直载荷，kPa；W为每米顶进管的重力，kN／m；μ1为顶进管与土之间的摩擦系数，μ1=tanφ／2；Ld为顶进长度，m，Ld=57m。
　　Bt=Bc+0．1=1．5+0．1=1．6m。
　　其中，Bt为挖掘的直径，m。
　　Be=Bt×{[1+sin(45°-φ／2)]／[cos(45°-φ／2)]}=2．95ITI。
　　其中，Be为顶进管顶土的扰动宽度，m。
　　μ=tanφ=tan24°=0．45。
　　μ1=tanφ／2=tan24°／2=0．21。
　　其中，μ为土的摩擦系数。
　　Ce=Be×[1-e-2KμH／Be]／(2Kμ)=2．31。
　　其中，Ce为土的太沙基载荷系数；K为土的太沙基侧向土压系数，K=1；H为顶进管管顶以上覆土深度，m。
　　q=(γ一2c/Be)×Ce=17．27kPa。
　　其中，c为土的内聚力，kPa。
　　W=S×ρ×g=[π×(1．5／2)2-π×(1．2／2)2]×2．5×103×9．8／103=15．68kN／m3。
　　其中，S为顶管横截面积(除去空心部分)，m2；JD为顶管(钢筋混凝土管)密度，kg／m3；g=9．8N／kg。
　　结论：计算出的顶进力F=1161．35kN<后座墙的承载能力Fc=1250．37kN。
　　3．3项进工作坑的结构形式
　　本工程采用钢筋混凝土基础。结合现场地质条件，选用的工作坑结构形式如图1所示。
　　
　　图1工作平面图（单位：m）
　　3．4顶管内挖土和运土
　　工作坑布置完毕，即开始挖土和顶进。在允许超挖的稳定土层中正常顶进时，管顶以上的超挖量不得大于1．5cm，以减小顶进阻力；管中心下部135．0范围内不得超挖；管前超挖应根据具体情况确定，并制定安全保护措施。每次挖土深度，一般可等于千斤顶的顶程，根据各地段地质情况，每次挖深在0．5m～1．0m范围内。每次开挖纵深应严格控制不得超挖。顶管内运土采用简易四轮小车运输，及时运出管外，用8t汽车式起重机吊运出坑，避免顶管内因堆土过多而导致下沉。
　　3．5钢筋混凝土管接头的连接
　　1)环形顶铁与钢筋混凝土管之间的连接，应垫油毡作为缓冲材料，使顶力均匀地分布在管端，避免应力集中对管端的损伤。
　　2)钢筋混凝土管接头的槽VI要求尺寸准确、光洁平整且无气泡。
　　3)一节钢筋混凝土管顶完后，再将另一节钢筋混凝土管吊入工作坑，继续顶进前，将两节管连接好，以保持管道的整体性和减少误差。
　　4)顶进结束后，按设计要求在管内间隙嵌以水泥砂浆填料，与两管口抹平。
　　3，6顶管测量及顶管误差校正
　　1)地面桩引入工作坑内，在坑内设置管道中心桩和高程桩以校测顶进管道位置。
　　2)安装导轨时严格控制中线和高程。顶进过程中的测量工作主要是对工具管和首节管进行测基，首节管在顶进过程中起导向作用，要求质量高，需频繁观测。正常顶进每顶进30cm～40cm测量一次，顶进首节管时，每20cm左右测量一次。
　　3)每顶进40cm～60cm需对整个顶管段进行复测，以检查中线管节有无下沉现象。本工程在工作坑内采用能固定方向的经纬仪进行顶进中线和高程的测量控制，并做到随顶随测。当顶管误差超过允许值时，应根据实际情况采用下述方法进行校正：
　　a．挖土校正法：通过增减不同部位的挖土方量进行校正。当管的头部抬高时，则多挖管前方下半圆的土；当管的头部下垂时，则多挖管前方上半圆的土。
　　b．支顶法：应用支柱或千斤顶在管前设支撑，斜支于管口内的一侧，以强顶校正。
　　4结语
　　通过对该施工工艺的研究总结，具体得出以下结论：
　　1)本文从施工角度计算了该工程进行顶管施工理论的正确性，并结合实际得出了一套具体的施工方法。
　　2)本工程施工需要的机具简易，主要有一台200t双液压千斤顶、自加工工具管、简易四轮小车、一台8t汽车吊及鼓风机，极其适合在重庆这种地形条件复杂，大型机具不能展开的条件下施工。
　　3)用自加工工具管代替掘进机施工，同样能达到挖土保护和纠偏功能，极大降低了施工成本。
　　参考文献：
　　[1]余彬泉．顶管施工技术[M]．北京：人民交通出版社，2003．
　　[2]宁文国，谭果祥．顶管施工技术在复杂地质条件下的应用[J]．山西建筑，2008，34(26)：159—160．

《以某工程为例分析手掘式顶管施工技术》

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