1、浓海水输送管线工程中顶管工程的运用技巧摘要：顶管工程是一门综合地质学、电子技术、机械、冶金、液压控制及化学等多门学科的综合性土建工程，顺利完成顶管工程必须进行线路及井位设计、顶力计算及管材设计、工作井及接收井设计、检查井设计、施工过程组织设计、监测及预警措施设计。 关键词：顶管工程；工作井；技术管理 中图分类号： TU990.3 文献标识码： A 文章编号： 由我公司浓海水项目部负责施工的唐山市三友集团浓海水综合利用项目输水工程第一标段管线主要位于曹妃甸工业区内，管线路过经八路、经九路等多条已建设完成的公路。若破路埋设管道，此处地质大多为吹沙造地，由于地层含水丰富，开槽时容易出现海水涌灌现象导
2、致沟槽塌方，成槽十分困难。而且这几条道路车流量大，按照沿途开槽敷设管道的方式势必影响该地区的交通，经研究我项目决定进行顶管施工。 顶管工程是一门综合地质学、电子技术、机械、冶金、液压控制及化学等多门学科的综合性土建工程，要想顺利完成顶管工作得注重以下几点： 1、顶管方案选定 1.1 现场踏勘及调查 定位测量后进行现场踏勘及调查工作。 （1）观察现场人、车流情况确定人流及车流交通组织及路线，考虑在路口设立交通导向牌、高峰期安排人员指挥交通。 （2）调查周围有没有施工用水的水源、电源。 （3）摸查清楚附近的排水系统，设计最佳的排泥水线路，必要时施工临时排水管道，避免污水横流。 （4）对于现场的煤气
3、、电力、通讯、煤气、供水等管道现场定位并标示出来看是否需要拆迁。 （5）看是否有架空的管线及结构物影响到顶管设备的吊装。 （6）查询附近结构物的竣工图及相应设计变更。 （7）调查雨水渠箱、原有污水管道等埋设较深的市政地下构筑物。 （8）对于附近一些桥梁等构筑物调查其桥台基础、桩基深度及间距，附近建筑物基坑采取什么结构形式，是否采用喷锚结构施工，其长度是否在顶管顶进轴线内。 （9）打听顶进路线地面上以前是否拆除过旧有的建筑物或地下构筑物，是不是有一些废弃临时设备及支架基础，是否原来有垃圾填埋场等等。根据以上几点要求浓海水管线项目选定在纬八、纬九路路南北两侧宽阔场地作为施工面，避开了地埋光纤和煤气
4、管道等多处设施。 1.2 前期技术准备 前期技术准备主要重点在于地质情况的摸查及设备的选型，前期的地质情况调查是重中之中的工作。我们可以要求业主及设计方提供顶管顶进路线详尽的地质资料，了解土层的物理性质（颗粒组成、含水量大小、透水系数及塑性指数） 、力学参数（标准贯入值、内粘聚力及内摩擦角） 、分布状况（分布范围及埋深厚度）等等。了解地下水的状况及变化规律如地下水来源、水面标高及是否受到潮汐影响而变化等。 根据土质情况参数可以选择采用的机头形式，首先从设备厂家处了解到该机头适应的土层范围及该设备的特性和优缺点。有地下水及流沙的情况一般不能采用前端开敞式的工具头而要采用机械顶管。多刀盘的形式主要
5、用于上海地区等的软弱土层，对于广州地区大面积的颗粒较大的黄粘土土层并不适用。而同样的大刀盘的机头由于不同厂家的设计形式而有不同的效果。该处地质多为吹沙造地，地下富含海水，所以采用机械顶管的方式进行。 1.3 方案设计及工期计划 有了前期的准备工作，可以集中精力考虑方案设计。主要包括有线路及井位设计、顶力计算及管材设计、工作井及接收井设计、检查井设计、施工过程组织设计、监测及预警措施设计。 1.3.1 线路及井位设计 顶进距离考虑到设备情况及周围环境综合决定。考虑到工作井的造价比较昂贵，尽量少一些工作井，尽量安排往两个方向顶进。由于现行设计院设计管道大多按照明挖方式设计，在现场调查后尽量优化线路
6、设计，避开不利顶管的土层、尽量让顶管线路避开结构物及树木。最好在每个工作井或者接收井内设计成检查井位。线路与附近结构物的距离设计必须考虑到以后作检查井的方便和空间，尽量避免冲突。检查井间距按照现行规范可以和设计单位研究适当加长。顶进深度范围内土层较为复杂时，与设计部门协商考虑抬高或者降低标高。在浓海水管线这个项目中纬八、纬九路两侧作业坑地处富含海水的一侧，开井时非常困难，使用排桩的方法将顶管井位开到位，并 24 小时进行明排降水工作。 1.3.2 顶力及管材设计 顶力现行有很多的计算方法和模型来计算。其实这些方法只能作为定性分析和综合取值考虑，按照传统上顶力大小主要和土质及是否注浆有关。实际上
7、顶力大小和很多因素如土层的变化情况、是否有纠偏、采用设备的形式、机头的切削形式、采用管材形式、后靠背的刚度、工作井的形式、注浆的压力、顶进速度等等有关。我们在实践中也可以证明这一点，现行考虑采用整体三维模型，考虑多参数系统来模拟顶管顶进过程中各结构的受力情况。以后我们可以在这一方面加以进一步研究。 对于管材的设计，现行对于管材的配筋量、钢筋布置、砼的强度及端部的细部处理都区别于一般承受纵向线荷载的排水管道，一般可以按照轴心受压柱的考虑来设计管材，但是注意到顶管是需要纠偏处理的情况，必须考虑到管道的偏心受压及局部应力集中的情况而要预留一定的安全系数。顶力设计及管材的强度计算的最好取安全系数 2。
8、1.3.3 工作井及接收井设计 考虑工作井的设计方式： （1）工作井的深度。首先与顶管队确定设备的顶进轴线与设备底架的距离。一般工作井深度=设计管道轴线到地面距离+设备需要顶进轴线到设备底架的距离+预留排水距离（一般为 10cm） ，如果采用钢管顶管注意前部预留钢管焊接位的深度。 （2）工作井的平面尺寸。考虑到顶管的多方向顶进方向可以采用圆形工作井或者多边异形井。一般来说采用的是矩形平面尺寸。宽度必须考虑到设备顶架的宽度、操作空间、泥水泵的放置、基坑内盘通装置（如果有的）等因素。长度必须考虑到顶架长度、千斤顶行程、后靠背厚度、密封圈厚度、下管及连接管道的方便、连接泥水及电缆管的操作空间。 （3
9、）工作井的结构设计。综合考虑采用何种支护形式如板桩支护、人工挖孔护壁、搅拌桩支护、沉井、地下连续墙等。我项目采用的排布钢轨桩就属于以上方法的变通。作为地下结构，现行基坑设计已经有较为成熟的计算方法。但是理论的缺乏使得我们对其的认识局限于感性和经验，在实践中常常出现问题。所以我们应当特别注意该方法的使用和过程控制。结合顶力的计算考虑工作井后背的受力计算，按照抗弯抗剪计算后背处配筋，注意结合施工工艺在局部地方要进行细部构造加固。对于后背还要注意进行刚度和位移计算，避免对顶管轴线和标高产生影响。 考虑接收井的设计： 接收井比工作井要求低的多，主要考虑到机头的吊装，其设计主要考虑到基坑支护的左右，不过
10、计算时要考虑到吊车吊装机头时的地面附加荷载的影响。接收井的宽度主要考虑机头的宽度再加上一边 50cm 的操作位。接收井的长度考虑到机头的长度再加上 50cm。深度考虑机头的下底标高以下 10cm 左右并铺上细砂避免机头磕头或者可以在相应标高位置设置导轨以接收机头。对于有些可以分段回收，接收井可以适当小些。必须注意到接收井也必须设置集水井。 1.3.4 检查井设计 管道顶完后考虑作检查井，检查井的施工方法一般现在采用人工挖孔护壁方法施工。该方法具有设备简单、造价低廉等优点。在流沙层施工注意各种防治流沙的措施，挖到管底，在井内浇注混凝土到管中位置。等混凝土初凝后再在管道上部破半管批荡作流槽，不需要
11、把管道全部打碎后砌井，管道全部破碎后其地基应力平衡被打破，相反还会导致井位的下沉（在软弱土层中） 。 注意：为保证测量通视，设备避免放在顶进轴线的地面上，便于测量人员复核顶进轴线。 1.3.5 施工过程组织设计 根据施工的进程安排人员、材料、机械的组织和管理。根据施工情况建立周期性计划，如安排设备进场及调试、管材的进场、出泥的时间安排、换水的时间安排、基坑内抽水安排、设备的管理安排、膨润土的注入安排、每天开工前的准备工作安排、现场巡视安排等等。1.3.6 监测及预警措施设计 建立监测体制，对于顶进路线的隆沉值的观测、地面冒浆情况观测、相邻构筑物的沉降及不均匀观测、各种地下管线的位移观测、排泥的
12、土质情况的变化监测等等。还必须注意顶管的进出水流量、对于顶力、刀头压力、土压、顶进速度、倾斜角、方向角及滚动角等参数也要随时关注。对于顶进轴线的变化也要隔一段距离复核一次。 2、过程技术管理 2.1 工作井及接收井 现行可以参考基坑工程施工手册，下面简单总结一些经验。采用人工挖孔护壁方法制作工作井时，注意地面上的倒“L”型的地面圈梁的施工。根据以往的施工经验，在井壁四周打入横向钢筋以稳定护壁和土体，钢筋最好搭接绑扎 10cm 以上，最好每上下圈搭接时一定数量的钢筋电焊连接，上下圈护壁也搭接 10cm。下面方面注意控制： .工作井及接收井的坐标点最好采用坐标控制，避免误差。 .钢筋绑扎好后验收钢
13、筋和模板，尤其注意其横向钢筋的间距和数量。 .上层护壁的未初凝之前，最好不要进行下圈的开挖。 .支护结构有漏水现象时，注意加强观察水流量的变化及含砂情况。.拉森桩支护时，有漏水时一定要先处理好漏水情况再继续向下挖土。 .考虑到基坑工程的风险性，必须密切注意基坑周围任何情况变化。.虽然作为临时结构，我们最好每圈护壁都做好试块便于以后分析。2.2 顶进前的准备机械设备进场后机头下井前，提议检查下面工作，在开顶前请业主、监理、处相关科室的领导到现场： .项目部各小组人员到位并进行相关项目检查。 .按照预先提出的技术要求，现场验收管材。 .预多 12 个用于机头和尾管连接的端面密封胶垫。 .复核井两边
14、定位钉，并采取有效措施保护。 .井内壁标高复核点并定出洞口的横竖轴线并标示在井壁上。 .安装密封圈，并于空隙中浇注砼或者止水化学浆液。 .机架定位调整后于后背浇注砼，注意必须初凝。 .足够量的膨润土到位，并恰当堆放好，做好防雨与防潮措施。 .清理洞口的麻袋、沙包、沥青纸及封洞口砖石等。 .周围护栏设置并检查是否牢固、垂直交通梯的保护措施等。 2.3 顶进过程的控制要素一旦开始顶进，就要连续进行。我们注意在下面一些方面注意控制： .密切注意顶进情况如偏差、顶力、滚动角、进出水流量、密封仓压力等。 .定期到管材厂家了解后续管材的龄期、技术要求满足情况等。 .各监测点的每天监测如地面隆沉、冒浆情况、
15、周围地貌的变化。 .沉淀槽中泥水的浓度、颜色及杂质情况，是否需要换水等等。 .注意油温及液压站的运行以及报警情况。 .泥水分离器排泥的情况变化，掌握土层的变化并将顶进参数调整。.密封圈在泥水压力作用下的变形情况。 .在软硬分界面处注意顶进速度的控制情况。 .顶完一节管后退顶架时注意已顶管材在土体压力下的回退情况。 .进出泥泵的运转声音是否正常，机头喇叭传出设备运转声音是否正常。 4、总结与展望 4.1 加强技术管理。土质情况的调查和分析在以往施工中由于各种原因不够详细给我们带来了较大的麻烦，这方面需要重视。测量复核制度的执行和管理需要加强。对一些事故的调查原因分析深化并找出原因，提高认识，避免
16、下次再犯并做好技术备案工作。方案编制需要细化加强，编制技术工作进度图，分阶段项目部就相应技术工作情况汇报并书面报告送达各部门。建立完善的技术管理层次和体系。 4.2 科研项目的开展。进行这方面工作可以提高我们的创新能力和施工的技术含量，对于我公司以后承接难度大的工程、拓展施工领域都是很有用的。我们的施工得到了一些定性的分析和经验参数，但是要加深理解，需要我们进行一定科研来上升到理论的高度。以下一些课题如顶力计算模型的优化设计、泥水平衡建立及浓度管理，管材的受力钢筋布设及接口优化设计及控制，管材在复杂地层（软、硬或者混合）顶进的研究和技术措施、顶管施工对周围环境的影响分析、注浆的原理分析及效果的确认、人工挖孔护壁施工的理论分析及计算模型、顶管施工多参数系统的有限元分析、顶进过程中管道受力的性态研究等等都有一定的实际意义。
