论文顶管法在排水工程中的应用

顶管法在排水工程中的应用（西安公路研究所黄建云张建峰）【内容摘要】在现代生活中，排水是各种土建工程中不可缺少的，本文重点介绍了排水工程中顶管法的使用范围和使用方法，一、概述在排水工程的施工中，施工工艺和方法比较多，顶管法就是其中的一种。顶管施工的基本原理为：从地面开挖两个基坑，然后管节从工作坑安放，通过主顶千斤顶或中继间的顶推机械的顶进，推动管节从工作井预留口穿出，穿越土层到达接收井的预留口边，然后通过接收井的预留口穿出，形成管道的施工。顶管法适用于排水管线穿越公路、铁路和市区道路而又不便断绝交通的，现场条件不允许修筑便道的，或者修筑便道工程量较大时，街道狭窄，两侧建筑物多，大开挖施工要造成大量拆迁的，或管线埋设较深，开挖施工造成大量土方工程并需大量支撑材料时，都可用顶管法施工。人工挖土，机械顶进时，排水管内径不能小于800mm，否则，不能用顶管法。在排水管顶进施工前，还应根据设计文件对施工地点的工程地质及水文地质情况，土壤种类，地下水位高低和流量大小，被顶进路线下的地下障碍物情况，了解其位置、规格及使用情况，并与有关单位联系，采取相应的措施。同时，还应对堆土料地点、地面排水、水源、电源等情况进行调查。在顶管法施工中，土的种类及其物理性质影响到顶管方法的选择，决定施工的难易程度、工程造价及施工进度。顶管法一般适用于砾类土、砂类土及粘质土。对于这些土，顶管法既可在干燥土层中应用，也可在含水的土层中应用。对于流砂、淤泥和沼泽则不适用顶管法，这是因为这类土质条件缺乏顶管所需的导向力，可导致整段的管子在顶进中可能改变位置。对于地下水位较高的地层，顶管前应采取措施，降低地下水流速及水力坡度，以利于施工。二、工作坑的开挖及导轨安装（一）工作坑设置工作坑设置时要力求长距离顶进，尽量少挖工作坑。一般采用工作坑双向对顶，交汇坑接口的施工方法。工作坑可采用直槽式，其优点是挖土量少，占地少，工作坑小，便于搭工作平台，它的缺点是支撑用木料或钢板桩多。工作坑支撑立板应埋于地下30cm，木撑板厚度5cm～7cm，横顶木用方木，撑木用方木、圆木均可。圆木直径应不小于25cm，方木截面可分为15cm×15cm、20cm×20cm两种。工作坑的底部平面尺寸如下：（1）宽度＝D+2a+2b+2c.式中D为管外径m，a为两侧操作空间，视工具而定，一般不小于1.2m，b为撑板厚度m，c为排水沟及集水井宽度m。（2）长度＝L1+L2+L3+S1+S2L1—管节长度（每节）m，L2—千斤顶长度m，L3—后背所占工作坑长度m，它包括横木、立铁、横铁，一般为0.85m。S1—顶入管留在导轨上的最小长度，对于钢筋混凝土管一般可采用0.5m～0.8m。S2—出土所需工作间长度，视使用工具而定，一般为1.0m～1.8m。工作坑的测量放线是开挖工作坑前必不可少的。工作坑中心线于管中心线一致，是顶进施工全过程的标准线。设置时，在工作坑两侧钉中线桩，桩巨坑边不小于1.5m，以防止塌土埋桩。工作坑附近设置临时水准点，且应妥加保护，竣工前不能移动。开挖工作坑应根据线路平面，现场地形，地物条件和施工需要进行，在保证排水和安全的前提下，尽量减少挖填方的数量。若地下水位较高，可采用排水沟、集水井或井点降水法排水。排水沟和集水井法是将地下水经排水沟汇集到集水井后，用水泵抽走。井点降水法是在工作坑附近挖水井，用水泵将水抽走，降低管周围的地下水位。工作坑的基础形式取决于地基上有无地下水而定，一般采用混凝土基础。将轨枕横向预埋在混凝土内。（二）导轨导轨是顶进中的导向设备，安装的好坏对顶进质量影响很大。因此，安装导轨时要反复校测，使中线、高程、坡度务必符合设计和规范要求。导轨提倡采用钢轨，小管用18Kg/m的轻轨；大管用32Kg/m的重轨。每组两根，每根长4m。安装时用道钉固定枕木上，钉距85cm。（见下图）轨距计算如下：A＝2×[D1×（h－c）－（h-c）2]½（mm）其中a—轨顶宽度，b—轨底宽度，h—轨高，c—预留缝，t—管壁厚，D—管内径，D1—管外径，A0—两轨中心距，A—两轨轨顶净距。当采用18Kg/m轻轨时，a＝40mm，b＝80mm，h＝90mm，预留缝c＝10mm时，A＝8х（5D1-400）½（mm）。当采用32Kg/m重轨时，a＝60mm，b＝110mm，h＝128mm，预留缝c＝10mm时，A＝2×[118×（D1-118）]½（mm）,带入不同的D1值便可得到相应的A值。导轨安装在枕木上并固定牢固，枕木的安装高程应严格控制，其纵坡与管道纵坡一致。导轨高程允许偏差控制在+3mm～0mm之间，中线位移左3mm～右3mm之间。（三）后背顶管时，一般采用天然后背，后背面积约8m2，高2m～2.5m之间。后背是顶进施工时千斤顶的支撑面，承受顶进时的水平反力。后背虽然是临时构造物，但在顶管过程中自始至终地抗衡着千斤顶的后座力，并在顶进时不应受到破坏。因而对后背有以下基本要求：（1）要具有一定刚度，压缩变形尽量小。（2）具有足够的强度和稳定性，不致因顶力大而坍塌。（3）后背土应一致，压缩均匀，不致因顶力大而坍塌倾斜。（4）后背土壁面要求平整，垂直于管中线，以便安装。方木应卧倒工作坑以下一定距离，使顶镐的着力中心高度不小于方木后背高度的1/3。方木一般采用15cmх15cm横排，方木中放置20cmх30cm，立铁三块，立铁前叠放15cmх40cm顶铁两块。（四）顶进设备安装顶进设备由液压系统和传力设备两大部分构成。液压系统主要包括顶镐、高压油泵、阀门和其他液压元件，传力设备则主要包括顶铁等。顶镐安装时，其高程应控制在使顶镐的着力点位于排水管总高的1/4处。使用一台顶镐时，顶镐中心应与管道中心线一致。顶铁在安装使用时，顶铁无扭曲现象，安装必须直顺。每次退镐加放顶铁时，应换用可能安放的最长顶铁，始终保持连排的顶铁数目为最少现用的20cmх30cm截面的顶铁，其连接长度在单行使用时最大一般不超过1.5m，双行使用时最大一般不应超过2.5m。超过时，应采取安全措施或设计截面较大的顶铁。在顶进过程中，顶铁上方及侧面均不得站人，并随时注意观察顶铁有无扭曲迹象，及时采取措施，防止崩离。（五）工作坑附属设施工作坑附属设施包括工作平台、工作棚及测量标志。工作平台需承受一定的荷载，故要求具有足够的强度和刚度。一般可采用型钢支架，其上铺设方木，木板或钢板。工作棚的覆盖面积要大于工作坑的平面尺寸，以遮风挡雨，便于操作。为方便施工，顶管中线基桩及临时水准点均应设置在工作坑内，且要注意固定保护，不易破坏。三、顶管法中管子的顶进顶管工艺过程包括下管、接口、测量、挖土、出土、顶进等。（一）下管将工作坑上面管节吊装于工作坑内的导轨，一般可用吊车或卷扬机起吊，下到工作坑内。所有管节在下吊之前都必须进行外观检查。检查内容包括管节两端的平直度、外测管壁光洁度、端面上有无纵向裂缝等。对不满足要求的管节禁止使用。下管时，工作坑内严禁站人。（二）稳管与接口处理每下一节管都要检查一下管节的高程和方向是否符合设计和施工规范要求，管节是否完全贴卧于导轨上。管间油麻充填，在管内用内套环和木稧将管节连接起来，以保证顶进过程中管的高程和方向的准确度。管间接口处理，一般在两管间接口外侧用油麻充填以使管间留出空间，竣工后，在管间用石棉水泥充填。管与管接口必须密实、平顺。内套环中心应对正管道接口，填料密实，管缝内不得有泥土，石子，砂浆等杂物。（三）挖土人工挖土顶进时，管前挖土一般应在在管内操作，以确保安全。土质容易塌方的地方，应加管帽，顶镐及出土卷扬机的操作，均应听从挖土人员指挥。管前挖土是保证顶管质量及管上构造物安全的关键。挖土应遵守下列规定：（1）土质良好时，管顶以上的土能形成土拱，管端可不加管帽，并允许在管前超挖10-30cm后在顶管。（2）土质差，容易塌方时，管前超挖量宜小，并随挖随顶。（3）管道下部1350范围内不应超挖，土弧要与管外壁吻合，保持原状土地基。（4）土质好时，管顶超挖量不得大于15mm，在重要建筑物和铁路下，顶部地基不允许下沉地段及土质差时，均不得超挖。（四）出土当管径大于800mm时，可采用四轮小车运土，小车在管内出入时可在其前后端栓上长绳，由管内外的操作者拉绳，以使小车往复运土至工作坑坑底，再垂直提升到地面运走。当管径大于1500mm时，可采用双轮手推车装运至坑底，然后垂直吊到地面运走。（五）顶进顶进要坚持“先挖后顶，随挖随顶”的原则。顶前应检查顶铁安装是否平直，以防顶进时产生偏心荷载，顶铁崩出伤人。顶进的程序为：安装顶铁－启动油泵（千斤顶活塞顶出）－管节向前运动－千斤顶的行程结束后关闭油泵－油泵回油（千斤顶活塞复位）－加顶铁－下一行程开始。顶进时还应注意：1、注意油泵压力表的变化情况，如发现压力突然增大时，应立即停泵检查原因。2、千斤顶的活塞杆的外伸长度应控制在规定的行程范围内，不得超出，以防损坏设备。3、要连续顶进，不能长时间停顿。4、千斤顶的排列要对称于管道中线，以使着力均匀。在顶进时，遇到下列情况之一时，即应停止顶进，迅速采取措施，处理完善后，方可继续顶进。（1）、顶管前方发生塌方或遇到障碍。（2）、后背倾斜或严重变形，（3）顶铁发生扭曲现象，（4）、管位偏差过大，而且校正无效，（5）顶力预计增大，超过管口许可承受压力。在顶管时，每个工作班均应详细填写施工记录，施工记录应包括顶进长度、压力数值（或油泵压力表数值）、管位偏差及其校正情况、机械运转情况、土质水位变化及出现的问题和应注意事项。交接班时应将施工记录向下一班交待清楚，以便于施工。四顶管的测量方法及质量控制顶管测量的目的是检查管道高程、中线。计算管道高程，测量其方向与设计比较所得的偏差值，是否在施工规范要求的范围内，以了解顶管的质量。（一）测量次数在顶第一节管子时及校核偏差过程中，应每次顶进20cm至30cm，对中心线及高程测量一次。在正常顶进中，应每顶进50cm至100cm测量一次。（二）中心线测量一般根据工作坑内设置的中心桩对前两三节管可采用挂设中心线，利用略短于管径的短尺测量。顶进过长时，在设置坑内的中心桩上架设经纬仪测量，以控制管子的走向。（三）高程测量高程测量一般使用水准仪和略小于管内径的短尺（可自制）进行，除测头一节管后端管底高程以检查于设计高程偏差外，还应测量头一节管后端管底高程，以掌握头一节管子的走向（即坡度），工作坑内应设置稳固的临时水准点2个，以便测量高程时互相闭合。（四）一个顶管段顶完后，应重新测量一次管道的中心线和高程，一般每个每个接口一点，有错口时应测两点。五、顶管出现偏差时的校正测量时，若发现管位偏差达1.0cm时，一般应考虑校正。校正时，应根据管道设计坡度和头一节管子管子的走向确定校正方法。当根据头一节管子的走向预计可能自行恢复到设计位置时不必校正。纠偏校正应缓慢进行，使管子通测复位，不得猛纠硬调，以防止发生相反的结果。（一）中线校正中线校正的方法有两种。1、挖土校正法：当管头发生偏差时，一侧超挖，另一侧不超挖，或留5mm～10mm土坎。在顶进中，使管中心线徐徐复位，土坎不能过厚，以防矫枉过正。2、横木支顶法：用挖土法效果不明显时，可同时加横木采用支顶法来校正。如管道同时有高程误差时，可将木柱斜支以使中线高程同时得到校正。（二）高程校正高程校正有四种方法第一种挖土校正法根据不同情况又可分为一下三种方法：1、逐步超挖校正法：在管前下部900范围内不超挖，900～1800范围内逐步超挖至10mm。顶进时，利用下部原土承托管子有上升趋势，随顶随测直至管子复位高程合乎要求后，再按正常挖土顶进。2、留土坎法：管前下部900范围内留5mm～10mm土坎不挖，土坎不能留的太大，自900～1800范围内逐渐超挖至10mm，顶进中利用土坎使管受托而上升，随顶随测直至接近设计高程，在施工技术规范要求的误差范围内为止。保留土坎，正常挖土顶进。3、留缝法：管前下部1800范围内超挖1.0mm～5.0mm缝隙，利用管身自重使管头缓缓下降至复位上。挖土时要从略有缝隙逐步到5.0mm，1800两侧应保持与下部同样缝隙以防止管被土包着不动。第二种木柱