1、污水管道非开挖顶管施工技术应用摘要：近年来，随着我国经济和城市建设的快速发展，城市基础设施逐渐完善，但由于部分城市发展的初期对工业及生活废水的处理缺泛长远的规划，尤其是改革开放出期，大多数城市只顾开发，而忽视了污水的处理，因此在后续的污水处理管道的铺设和改造中，非开挖施工技术越来越受到重视，作为非开挖技术中经济与适用性较为突出的顶管技术发展迅猛，具有广阔的应用前景。本文主要结合工程实例，针对污水管道非开挖顶管施工技术施工进行了阐述，旨在加强顶管施工水平及保证施工质量。 关键词：污水管道，非开挖顶管施工 中图分类号：TU992.3 文献标识码：A 引言：非开挖顶管施工技术，是指利用不开挖（管道不
2、开挖）及少开挖（工作井、接收井开挖）的技术，来进行地下管道线的铺设，该技术占地少，进度快，工艺成熟，对各种土质均广泛适用，能够穿越公路、铁路、河流及地面建筑物，特别适用于大中型管道的非开挖铺设 一、工程概况 本项目为大朗松山湖南部污水处理厂配套截污干管工程。污水主干管按近期截流式合流制设计；远期逐渐过渡到以分流制为主的排水系统。管网总长 33.346km，顶管部分总长 18.663km，其中大朗段长度为15.185km，松山湖段长度为 3.478km，材质为玻璃钢夹砂管，管径为800mm2000mm，埋置深度均在 5m 以上，共设置工作井 353 座。 1、地质特点沿线地形较平坦，局部地方微丘
3、陵，根据管线走向，可将沿线地层大体分为以下几类，第一类沿现有道路方向，其地层情况为：素填土、杂填土，厚约 1.6m，粘土、粉质粘土厚约 3.8m ,以下为粉、细砂。第三类为美景在道南美景大道北，其地层情况变素填土、耕植土，厚 0.3m6.0m，粘土、粉质粘土、砂质粘土，厚约 1.8m12m不等到，局部地段揭露淤泥质土，以下为混合岩。2、工程建设特点1） 、 本工程线路长、工程量大，单项工程较多，工期短，解决好各项工程施工顺序，作到人、机、料合理搭配，内外关系协调，是本工程一大难点。 2） 、 材料转运量大、人工投入量较大是本工程的一大特点。 3） 、 沿线已经建成交多的建筑物和市政道路，地下管
4、网密布，人口密集是本工程另一大特点。 二、施工方案： 根根本工程的特点，在顶管施工方法上选用了人工掘进顶管及机械掘进顶管，对于施工现场交通流量较大、地下管线复杂、地质情况变化较大，有可能遇到地下障碍物等情况，会影响机械顶管的正常施工的部分地段，故结合实际情况，采用了人工掘进顶管。而对于地质情况比较单一，场地施工条件比较好的地段，选用了机械掘进顶管，本文介绍的为机械掘进顶管，本工程机械顶管方式采用泥水式推进法，其原理是通过使用刀盘掘进机并用科学设计的顶速来平衡正面土压力，调节循环水压力用以平衡地下水压力。该工艺的施工特点：在顶管施工过程中施工不间断，施工速度较快，且不需要特别的改良地基或降水处理
5、，地表沉降小。 1、工作井施工 根据地形、地质资料等情况，从工期、质量、成本、施工方法的可操作性等方面综合考虑，我部决定采用逆作法施工。此施工方法在珠三角的深圳、东莞，以及长三角等地都实施过；东莞市污水处理管网工程第一期工程也大多数采用此施工方法，事实证明：逆作法施工的工作井和接收井都能达到预期的效果，满足顶管的施工需求。由于本工程顶管分节长为 2.5 米，因此确定工作井的直径为 6 米，壁厚 0.5 米。接收井的直径为 3 米。 B.流程： 施工准备测量放线基坑开挖钢筋绑扎模板安装砼浇筑开挖第二节基坑循环作业至设计深度封底成井。 2、工作井内设备安装 工作井内设备安装包括：后座垫铁、导轨、油
6、缸支架及油缸、激光导航系统、穿墙止水设备的安装、泥浆循环系统。 （1）后座垫铁安装 后座垫铁是把主顶油缸推力的反力传递到工作井后座墙处，通过后座垫铁，可把油缸的反力较均匀地传递到后座墙上，这样后座墙就不太容易损坏。 将垫铁的安装位置放好线，在后座墙体表面把后座垫铁的四个角的位置用红油漆作好标志，凿平垫铁范围内的墙体，底部用砖块垫平，将后座垫铁吊到安装位置，调整横向纵向的方向（采用 2mm 的橡皮垫底部） ，该平面需要垂直于顶管的顶进方向，定位安装尺寸误差控制在 2mm 以内，调整好后，后座垫铁与后座墙的空位插入 20200 钢筋支模采用混凝土填充密实。 （2）导轨安装 基坑导轨是由两道平行的路
7、轨钢构成，主要作用有两点：一是使推进管在工作井中有一个稳定的导向，并使推进管沿该导向进入土体；二是让顶铁工作时有一个可靠的托架。 在基坑底板面放出顶管的顶进轴线，先调整导轨的中线对准顶进轴线，用工字钢垫高导轨调整导轨的高度，当纵向及高程调整好后，导轨的定位安装尺寸误差控制在 2mm 以内。 （3）油缸支架及油缸安装 油缸支架是由槽钢焊接合成的一个支架，起固定主顶油缸的作用，使油缸工作时有一个可靠的托架。 根据基坑底板面放出顶管的顶进轴线，先调整支架的中线对准顶进轴线，垫高支架调整支架的高度，当纵向及高程调整好后，将支架与底板钢筋焊牢，空隙采用混凝土浇捣填实，24 小时后，将油缸吊装到支架上，采
8、用钢板压实，油缸支架及油缸的定位安装尺寸误差控制在 2mm 以内。 （4）穿墙止水设备安装 穿墙止水设备安装在接收井出洞洞口，具有制止地下水和泥砂流到接收井的作用。穿墙管预制好后，运输到现场，先将预埋的穿墙管凿出，焊接位置清除干净，吊装预制件到安装位置对中后焊牢，再用膨胀螺丝锁紧止水橡胶圈。 （5）工作井、接收井排水 在工作井的一侧设 0.5m0.5m1m 的集水井，浇筑底板时四周向集水井位置倾斜，形成排水坡度，收集由管道内流出的水及基坑的积水，集水井内布置一个潜水泵抽水上井到三级沉淀池沉淀后排到市政下水管道。 3、地面设备安装 工作井地面设备安装包括：主控制室及主顶装置安装、泥浆棚搭设及泥浆
9、系统设备安装、监测设备安装。工作井的起重采用龙门吊。 （1）主控室搭设及主顶装置安装 主控室内主要放置主顶装置，主顶装置包括主顶油缸（井下） 、主顶油泵一台（含控制部分）及油管，主顶油缸的推进和回缩是通过主顶油泵的控制部分控制的，液压工作站，操作方式为全电脑控制，必要是可以进行手动操作。 主控室采用集装箱的形式。 （2）泥浆棚搭设及泥浆系统设备安装 泥浆棚采用 25 钢管焊成支架，上面铺波纹瓦。泥浆棚内主要放置一个电箱、两台泥浆泵及一个泥浆箱。 （3）监测设备安装 监测设备包括激光导向和工具管内的摄像机，监测电路必须与主控室接线良好，开顶前进行校对和调试。 4、顶管顶进施工 （1）顶管工程力学
10、参数确定 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。但顶管计算的根本问题是要估计顶管的推力和后背承载能力。顶管的推力就是顶管过程管道受的阻力，包括顶管机迎面阻力、管壁摩擦阻力。泥水平衡压力：在封闭的冲泥舱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。 顶管机迎面阻力（水土合算）： F1=D2/4P 其中: F1顶管泥水阻力（t） D顶管外径（m） P顶管泥水最大压力（t/m2） P 与土层密实度、土层含水量、地下
11、水位状况有关。根据有关工程统计资料和本工程的分析，施工中取顶管机正面泥水压力为 P=20-40t/ m2，F1=D2/4P4/440125.6t，按直径 2 米管径计算。 管壁摩擦阻力： F2=（2PV+2PH+PB） PV=kHDL PH=(H+D/2)DLtan2(45- /2)PB=WL :为管壁与土间的摩擦系数 PV：为作用于管上下两侧的由管上方土体产生的垂直土压力 PV：为管两侧的水平土压力 PB：为管段的重力 D：为管节的外径 W：为管每米重力 L：为顶进长度 ：为土的等效重度 H：为顶管覆土层厚度 ：为土的内摩擦角 K：为垂直土压力 本工程主要为粉质粘土和砂质粘土。根据资料查得
12、=18.5KN/ m3，K=0.5，土的内摩擦角 =12.5，=0.25，管道埋深为 8 米，长度为 150 米，管每米重为 0.693t 经计算 F2=2278 吨 顶力较大，需要采用减阻措施，本工程减少管壁摩擦阻力的措施为：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，由于管节接头的止漏能力不强，需要另外采用减阻措施，尽量加强阻力的保险系数，可采用管外壁涂黄油或沥青的办法尽量减少综合摩擦力系数。 减阻后计算式为 F2=DLf 其中: S顶管外周长（m） L最长一段顶管长度（m） f为单位面积管壁与土的平均摩阻力（t/m
13、2） 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，取单位面积管壁与土的平均摩阻力f=1.0t/m2。F2=SLf=21501.0942t 在考虑一次顶进距离最大为 150m 时，顶管总阻力为以上阻力之和： F=F1+F2=1067t 施工时实测顶力值为 1035t，与计算值相差 3%，基本吻合。 （2）后背结构及抗力计算 后背作为千斤顶的支撑结构。因此，后背要有足够的强度和刚度，且压缩变形要均匀。后背在顶力作用下，产生压缩，压缩方向与顶力作用方向相一致。当停止顶进，顶力消失，压缩变形随之消失。这种弹性变形现象是正常的。顶管时，后背不应当破坏，产生不允许的
14、压缩变形。后背不应出现上下或左右的不均匀压缩。否则会造成顶进偏差。后背结构及抗力计算 .后背土体有效受力面积：A339(M2) .后背土体单位被动土压力：P160T/M2 .后背土体总承受力：FAP91601440（T） .安全系数：K1F/P144010671.35 结论：在考虑最不利荷载条件下，安全系数满足施工需求。 （3）顶进设备 顶进设备主要包括千斤顶、高压油泵、顶铁、顶管机及泥浆系统设备等。 千斤顶（也称顶镐） 千斤顶是掘进顶管的主要设备，本工程每一顶进段采用 2 台 800t 液压千斤顶。 千斤顶的工作井内的布置与采用个数有关，使用多台并列式时，顶力合力作用点与管壁反作用力作用点应
15、在同一轴线，防止产生顶时力偶，造成顶进偏差。施工时千斤顶的着力点作用在管节圆心以下 1/41/5 半径处为宜。 高压油泵 由电动机带动油泵工作，选用额定压力为 31.5MPa 的柱塞泵，经分配器，控制阀进入千斤顶，各千斤顶的进油管并联在一起，保证各千斤顶活塞的出力和行程一致。 顶铁 顶铁是传递和分散顶力的设备。要求它能承受顶压力而不变形，并且便于吊装。 顶管机及泥浆系统设备 密封式顶管采用泥水平衡式顶管机，泥浆系统分两部分，属于顶进的配套设备，由搅拌桶、搅拌机、渣浆泵、注浆泵、泥浆管路、沉淀池组成。 其它设备 工作井上设汽车吊，作为平时吊管、工作井吊装设备用。在顶管机上下井时采用 50t 吊机
16、起重。 工作棚用帆布遮盖，以防雨水。 （4）管节制作 顶管施工中，对管节接缝间的防水要求较高，为了使管节之间更好地达到防水目的，需对管节接头端进行采取措施，与制管厂家合作，生产更适用于本工程施工方法的管节。本工程顶管采用每节长为 2.5 米承插式玻璃夹砂管。 （5）顶进施工流程 顶进采用泥水平衡施工。 泥水平衡式顶管机顶管施工工艺流程： 顶进前准备所有机械设备交班检查 顶管机刀盘转动、开进出渣浆泵 顶进、调整进出渣浆泵流量到达平衡顶进、调整进出渣浆泵流量到达平衡 1 个行程顶进结束砂土沉淀池沉淀、装车、外运测量顶管机的偏位、作好记录、纠偏 顶铁吊装拆开各管路、管吊装、各管路安装 重复顶进 1
17、个行程 1 节管顶进 （6）穿墙顶进 完成止水施工后，可进行人工凿除穿墙位置的混凝土，将工具管吊下工作井，安装好工具管，对正中线，使上、下、左、右方向误差保证在 3mm 内，安装及调试好各个系统、检查穿墙位置的止水设备、准备好足够的水泵，确保穿墙时各个系统的正常运转，准备工作就绪后，清除最前端的挡土钢板，清除硬块，顶进工具头到穿墙管内，工具头与第一节管采用刚性联结，避免工具头“磕头” ，在工具头最前端压满泥浆。 因出洞口处为加压注浆固结体，刚开始顶进时尽量慢；进洞 1015米范围，工具头前端有土压力，并且由于管道较短，摩擦力比较小，为避免管道整体产生较大后退工具头前端塌方，当后座千斤顶回收时，需
