PCCP直頂管施工技術(shù)要點(diǎn)分析

呂曉娜

（山西辛安泉供水工程有限公司，山西 太原 030002）

在水利工程施工中，頂管施工目前在長(zhǎng)距離輸水工程中起到非常重要的作用，是一種非開挖或少開挖的管道埋設(shè)施工，其中PCCP 直頂管施工技術(shù)在辛安泉供水改擴(kuò)建工程中取得了較好的效果。

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

辛安泉供水工程為省重點(diǎn)工程，于2012年開工建設(shè)。建成后主要為長(zhǎng)治市9 縣（市、區(qū)）工農(nóng)業(yè)供水。其中辛安泉供水工程中長(zhǎng)治支線管線起點(diǎn)位于潞城市三井村附近，終點(diǎn)位于壺關(guān)縣壇坡，主要為長(zhǎng)治市城區(qū)、郊區(qū)和長(zhǎng)治縣供水。管線線路總長(zhǎng)25.92km。

本管線施工需穿越一座土山，土山上部有水泥公路和耕地。頂管擬頂進(jìn)長(zhǎng)度318m，管頂覆土約45m，全段為直線施工。根據(jù)地質(zhì)情況，該處頂管施工采用手掘式的方法，該處PCCP 直頂管頂進(jìn)施工距離長(zhǎng)，是本工程的主要特點(diǎn)。

2 PCCP直頂管施工技術(shù)

2.1 地質(zhì)條件

實(shí)施318m 的DN 1400 PCCP 直頂管施工段地質(zhì)情況為：頂進(jìn)坑處地質(zhì)為低液限粘土（含砂低液限粉土），地基為卵石混合土；接收坑處土質(zhì)結(jié)構(gòu)較為密實(shí)，局部夾鈣質(zhì)結(jié)核，厚度大于15m。該段頂管施工處，頂進(jìn)坑、接收坑及頂進(jìn)施工高程區(qū)域，無其它管線和地下構(gòu)筑物。

2.2 預(yù)估頂力分析

該頂管擬采用人工挖掘方法頂進(jìn)，頂進(jìn)阻力計(jì)算如下。

頂管頂力參考《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50268-2008）第6.3.4 中的計(jì)算公式：

式中：FP——頂進(jìn)阻力，kN；

DO——管道的外徑，m；

L——管道設(shè)計(jì)頂進(jìn)長(zhǎng)度，m；

fk——實(shí)驗(yàn)確定的管道外壁與土體的平均阻力（觸變泥漿減阻技術(shù)的摩擦阻力從表1 中選用），kN/m2；

NF——頂管機(jī)的迎面阻力，kN。

表1 觸變泥漿減阻技術(shù)的管道外壁與土體的平均阻力單位：kN/m2

頂管機(jī)的迎面阻力計(jì)算公式：

式中：NF——頂管機(jī)的迎面阻力；

Dg——頂管工具管外徑，m；

t——工具管刃腳厚度，m；

R——擠壓阻力，取300～500 kN/m2。

根據(jù)該處頂管頂進(jìn)坑和接收坑實(shí)際地質(zhì)勘探、頂管配件參數(shù)、頂管設(shè)計(jì)等條件，相關(guān)參數(shù)如下：直頂管外徑DO為1.82m，頂管設(shè)計(jì)長(zhǎng)度L 為318m，因頂進(jìn)坑處土質(zhì)為細(xì)沙土，故管道外壁與土的單位面積平均阻力fk預(yù)取10 kN/m2，工具管外徑Dg為1.84m，擠壓阻力R 取500 kN/m2，工具管刃腳厚度t 為0.01m。

根據(jù)公式（1）計(jì)算，當(dāng)頂管全線地質(zhì)為細(xì)沙土?xí)r，得出頂進(jìn)阻力為18201 kN。當(dāng)頂管進(jìn)入山體后，全段土質(zhì)為粘土?xí)r頂進(jìn)阻力公式（1）中，摩擦阻力系數(shù)fk取5 kN/m2，擠壓阻力R 取300 kN/m2，其他套用數(shù)值不變，計(jì)算結(jié)果頂進(jìn)阻力為9103 kN。

2.3 頂進(jìn)坑與接收坑

因該頂管施工方向?yàn)樽怨芫€下游向上游頂進(jìn)，頂進(jìn)坑所在位置，原地面向下1m 段地質(zhì)為含砂粘土，再向下為卵石混合土。地下水位低于坑底，故采用淺槽式矩形頂進(jìn)坑，開挖邊坡為1:0.5，且不需要支撐。接收坑地質(zhì)為低液限粘土，結(jié)構(gòu)較密實(shí)，施工方法同頂進(jìn)坑。根據(jù)該處頂管施工點(diǎn)原地貌和設(shè)計(jì)情況，長(zhǎng)治支線施工坑平面尺寸，頂進(jìn)坑1 處6.8m×5m（長(zhǎng)×寬）；接收坑1 處6.8m×5m（長(zhǎng)×寬）。

2.3.1 頂進(jìn)坑與接收坑開挖

頂進(jìn)坑開挖時(shí)，應(yīng)按照測(cè)量時(shí)放好的控制線，用1m3反鏟挖掘機(jī)進(jìn)行開挖，前后兩側(cè)應(yīng)按1∶0.3 向下挖，左右兩側(cè)按1∶0.5 開挖，后靠背與頂進(jìn)方向垂直。開挖深度距設(shè)計(jì)開挖高程20 cm 時(shí)，停止開挖，人工清理場(chǎng)地，清理完畢后，在頂進(jìn)坑的底部鋪設(shè)500mm厚的3∶7 灰土墊層，來增加抗壓強(qiáng)度，上部澆筑20 cm混凝土墊層，并砌筑排水槽，以保證坑內(nèi)的積水排出。開挖接收坑時(shí)，開挖深度保證頂出管道下部緊挨底面。

2.3.2 頂進(jìn)坑澆筑

結(jié)合本標(biāo)段土質(zhì)情況，頂進(jìn)方向正面澆筑混凝土襯砌，后側(cè)澆筑混凝土靠背，基坑兩側(cè)坡度為1∶0.5，并用防雨布加蓋。

后靠背施工過程中表面要平直，并垂直于頂進(jìn)管道的軸線，后靠背與坑壁土體墻面貼緊，并用砂石料填塞密實(shí)。

忽略鋼筋混凝土后座的影響，假定主頂千斤施加的頂進(jìn)力是通過后座墻均勻的作用在頂進(jìn)坑后的土體上，為確保后座在頂進(jìn)過程中的安全，后座的反力或土抗力，應(yīng)為總頂進(jìn)力FP的1.2～1.6 倍，反作用力R 的計(jì)算公式：

式中：R——總推力的反作用力，kN；

α——系數(shù)，取值范圍1.5～2.5，此處取2；

B——后座墻的寬度，取5m；

γ——土的容重，取17 kN/m3；

H——后背墻的高度，取5.5m；

KP——被動(dòng)土壓系數(shù)，取3.69；

C——土的內(nèi)聚力，一般取10 kPa；

h——地面到后座墻頂部土體的高度，取3.5m。

根據(jù)公式（3）計(jì)算得，后背反作用力為23267 kN。

2.4 頂管施工設(shè)備及安裝

2.4.1 導(dǎo)軌安裝

本管道坡度為0.48%，小于1%，導(dǎo)軌水平鋪設(shè)。

2.4.2 頂進(jìn)油缸安裝

該處頂管施工頂進(jìn)油缸總頂力1000 t，分兩臺(tái)500 t 級(jí)的液壓驅(qū)動(dòng)活塞式油缸使用。兩臺(tái)千斤頂固定在支架上，并將進(jìn)油管并聯(lián)在一起，保證兩臺(tái)千斤頂活塞的行程和出力一致。

2.4.3 頂鐵的安裝及使用

頂鐵把主作用力均勻地分散到頂進(jìn)管道的管端面上，不僅可以保護(hù)管端，還可以延長(zhǎng)千斤頂?shù)男谐獭?/p>

2.4.4 工具管和導(dǎo)向油缸的安裝

工具管是放置于頂管前端的一節(jié)短管，主要是用于導(dǎo)向和掘進(jìn)及密封，導(dǎo)向油缸安裝在工具管中，十字分布。

2.4.5 起重機(jī)械及安裝

該頂管施工配備25 t 汽車吊，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)頂進(jìn)設(shè)備、頂鐵及管材的垂直運(yùn)輸。

2.5 中繼站安裝

長(zhǎng)距離頂管施工中，中繼站法施工較為常用。分段頂進(jìn)過程中，在管段中間設(shè)置封閉環(huán)形（外形同管件），沿管環(huán)設(shè)置小千斤。本次頂進(jìn)長(zhǎng)度達(dá)到80m 時(shí)，在機(jī)頭后設(shè)置一處中繼站，并采用觸變泥漿注漿工藝，理論上本頂管施工加裝3 處中繼站。實(shí)際施工過程中可根據(jù)掘進(jìn)地質(zhì)條件和頂力反饋分析，適當(dāng)調(diào)整中繼站個(gè)數(shù)。

在頂管作業(yè)結(jié)束后，將其內(nèi)部的千斤頂、連接件、均壓環(huán)和液壓管線等配件，由人工拆除回收，而中繼站前、后特殊管和鋼制外殼都留在地層中。之后將前、后特殊管和鋼制外殼焊接，探傷檢測(cè)合格后再掛網(wǎng)用高強(qiáng)度砂漿抹平整。

中繼站的數(shù)目和位置根據(jù)所預(yù)測(cè)頂力以及管件允許頂力來確定，計(jì)算公式如下：

式中：i——中繼站的數(shù)目（取整數(shù)）；

F——頂管總頂力；

Fpipe——管道允許頂力。

根據(jù)最大總頂力18201 kN，管道允許頂力7040 kN，得i=2.6，需安裝3 套中繼站，頂力為9103 kN 時(shí)，得i=1.29，需安裝2 套中繼站。根據(jù)預(yù)估頂力計(jì)算，該頂管施工至少加設(shè)1 套中繼站。

2.6 頂進(jìn)施工

經(jīng)計(jì)算得，頂管的最大總推力為18201 kN，后靠背最大承載力為20618 kN，PCCP 頂管管件允許頂力為7040 kN，因管件允許頂力限制，剩余頂力需要設(shè)置中繼站來解決。理論上至少加設(shè)3 處中繼站，每處設(shè)計(jì)頂力為7500 kN（頂進(jìn)總長(zhǎng)318m，每80m 加裝一處），當(dāng)觸變泥漿技術(shù)成熟可靠的情況下，形成漿套，潤滑頂進(jìn)阻力隨頂進(jìn)長(zhǎng)度增速緩慢時(shí)，考慮適當(dāng)減少中繼站個(gè)數(shù)。若進(jìn)入山體后土質(zhì)為粘土，計(jì)算頂力得9103 kN，只需加設(shè)一處中繼站。在頂進(jìn)時(shí)，當(dāng)頂力達(dá)到中繼站設(shè)計(jì)推力的60%時(shí)（4500 kN），即需設(shè)置中繼站，當(dāng)頂力達(dá)到中繼站設(shè)計(jì)推力的80%（6000 kN）時(shí)，即需啟動(dòng)中繼站。

2.7 校正糾偏

在管道頂進(jìn)過程中如果出現(xiàn)小范圍的偏差，應(yīng)在頂進(jìn)中糾偏，本工程采用小角度逐漸糾偏。

2.8 回填注漿

頂進(jìn)結(jié)束后，須立即對(duì)每節(jié)管道的外縫依次隔開注漿處理，中間隔一節(jié)或兩節(jié)管道。末端注漿完成后，對(duì)中間空開的管道注漿。最大限度地保證將空隙填充飽滿。

2.9 管縫處理

施工結(jié)束后，檢查管道、管節(jié)及管道坡度。該處頂管采用水泥砂漿密封處理。

3 控制地面隆起、沉降的措施

頂管工程的施工，要避免發(fā)生冒頂現(xiàn)象，且降低對(duì)地面附著物及周圍地質(zhì)情況的影響，采取沉降測(cè)量與相關(guān)措施防范。該處頂管下穿土山，頂進(jìn)土層距山頂高差45m，若掘進(jìn)過程形成土拱，理論上不會(huì)有因施工引起的地面隆起和沉降。但實(shí)際施工期間也應(yīng)對(duì)原地面進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

測(cè)量控制點(diǎn)應(yīng)設(shè)在方便校正且不易擾動(dòng)宜于保護(hù)的地方，第一節(jié)和第二節(jié)是關(guān)鍵，所以要勤測(cè)，保持頂進(jìn)30 cm 測(cè)一次，然后根據(jù)測(cè)量結(jié)果頂進(jìn)管道，第二節(jié)管道進(jìn)入土體后可以適當(dāng)放寬測(cè)量的次數(shù)，50 cm測(cè)一次。根據(jù)實(shí)際情況，可增加和減少測(cè)量頻次。

頂管工程在頂進(jìn)過程中，必須把握好適宜的速度進(jìn)行連續(xù)頂進(jìn)，不能中斷，以確保頂管穩(wěn)中求進(jìn)。

4 結(jié)語

通過對(duì)PCCP 直頂管施工技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行分析，做到規(guī)范施工，對(duì)長(zhǎng)距離輸水工程有很大幫助。