市政管道工程中頂管工作坑的設(shè)計與施工技術(shù)

李 濤

（石嘴山市星凱建筑安裝有限責(zé)任公司，寧夏 石嘴山）

在城鎮(zhèn)化背景下，市政管道工程的數(shù)量和規(guī)模不斷增加，在工程施工中大多選擇頂管法，其特點是不需要開挖面層，不影響交通、不破壞環(huán)境，并且在節(jié)約工期、控制成本等方面也有顯著優(yōu)勢。開挖頂管工作坑是進(jìn)行頂管施工的首要環(huán)節(jié)，由于工作坑的深度可以達(dá)到數(shù)米甚至是數(shù)十米，如何保證頂管工作坑在開挖和使用過程中不會出現(xiàn)臨空面滑塌的情況，成為施工管理的重中之重。因此，要結(jié)合工程地區(qū)的水文地質(zhì)特點和頂管施工要求，展開科學(xué)設(shè)計和加強施工管理，保證頂管工作坑能夠滿足施工要求。

1 工程概況

某市政管道工程總長度5.2 km，沿城市主干路呈南北向分布，規(guī)劃斷面為三幅路型式。地質(zhì)勘察結(jié)果表明，施工區(qū)域有3 個土層，自上而下分別是雜填土（0.6～1.7 m）、淤泥質(zhì)土夾砂（2.5～6.5 m）、黏土（0.7～16.1 m）。地下水為-19.3 m，未發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)，土壤力學(xué)性質(zhì)見表1。采用人工掘進(jìn)頂管施工，為確保頂管作業(yè)順利開展，需要提前開挖頂管工作坑。

表1 土層參數(shù)

表1 各土層的力學(xué)物理性質(zhì)

2 頂管工作坑的設(shè)計

2.1 尺寸設(shè)計

市政管道工程中使用的頂管工作坑有圓形、長方形、多邊形等幾種，在直線頂管或者兩段交角超過150°的折線頂管中，多選擇長寬比為3:2 的長方形工作坑；在兩段交角小于120°，或者工作坑較深時，選用圓形工作坑[1]。本工程的頂管施工中選擇長方形工作坑，尺寸計算公式如下：

D ＝ d +2S

L ＝ m1+ m2+ m3+ m4+m5

式中，D 和L 分別表示長方形工作坑的寬度和長度；d表示頂管直徑；S 表示操作寬度；m1表示頂管后管尾與導(dǎo)軌的重疊長度；m2表示頂管長度；m3表示出土工作間長度；m4表示液壓缸長度；m5表示后背所占工作坑長度。將各項數(shù)據(jù)帶入上式后，求得污水頂管工作坑的長與寬，長為8.7 m，寬為6.1 m。

2.2 凈深度設(shè)計

頂管工作坑的深度計算公式為：

H = h1+ h2+h3

式中，H 表示頂進(jìn)坑地面到坑底的深度，h1表示從地表到管道底部的深度，對于污水頂管工作坑取8.5 m；h2表示從管道底部到軌道底面的深度，這里取0.2 m；h3表示墊層厚度，這里取0.5 m。具體如圖1 所示。

圖1 頂進(jìn)工作坑深度示意圖

2.3 支護(hù)方式的選擇

按照深度的不同，將工作坑分成圍堰式、淺槽式和支撐式3 種類型。其中，支撐式工作坑具有適用范圍廣、不受地下水位影響等特點，適用于挖掘深度在10 m 以內(nèi)的情況。本工程開挖的頂管工作坑即為支撐式工作坑，考慮到開挖深度較大，為了避免工作坑開挖過程中臨空面出現(xiàn)側(cè)向滑移、坍塌等問題，需要采取必要的支護(hù)措施，保證現(xiàn)場作業(yè)和工程質(zhì)量的安全性。初步擬定的支護(hù)方案有2 種，分別是水泥攪拌支護(hù)和拉森鋼板樁支護(hù)。水泥攪拌支護(hù)的優(yōu)點在于適合機(jī)械作業(yè)，但是缺點也比較明顯，在地下水豐富的地區(qū)容易出現(xiàn)樁體變形等問題，并且施工周期長。拉森鋼板樁支護(hù)適用于淺水區(qū)域，可同時發(fā)揮擋土、防滲功能，并且通過設(shè)置支撐的方式極大的提升了鋼板樁的穩(wěn)定性。除了止水效果好、抗側(cè)壓力強等優(yōu)勢外，拉森鋼板樁中的鋼板可回收利用，在經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益上也有一定優(yōu)勢。因此，結(jié)合頂管工作坑的結(jié)構(gòu)特點以及現(xiàn)場施工環(huán)境，綜合對比后本工程中選用了12 m 拉森IV 型鋼板樁支護(hù)[2]。

2.4 污水頂管工作坑的支護(hù)驗算

2.4.1 側(cè)向土壓力計算

結(jié)合上文分析，本工程中污水頂管工作坑的尺寸為：8.7 m×6.1 m×8.5 m。結(jié)合不同斷面的土層發(fā)育情況，分別求得不同土層的參數(shù)，并以土層厚度的加權(quán)平均確定最終結(jié)果。由巖土力學(xué)相關(guān)理論可知，在斷面處土層的容重幾乎沒有變化，側(cè)壓力系數(shù)只受到粘聚力和內(nèi)摩擦角兩項因素的影響[3]。按照上述方法得到加權(quán)平均后的土層參數(shù)，統(tǒng)計結(jié)果見表1。

水文地質(zhì)勘察結(jié)果表明，本工程地下水位在污水頂管接收井下方，計算時可以不考慮水壓的影響。則側(cè)向土壓力（Q）的計算結(jié)果為：

Q = γ× h×λ

式中，γ 表示地面堆載，這里取20 MPa；h 表示污水頂管工作坑的深度，本工程中為8.5 m；λ 表示側(cè)壓力系數(shù)，由表1 可知取0.37。將各項數(shù)據(jù)帶入上式后，可以求得在地面堆載壓力為20 MPa 時，污水頂管工作坑臨空面所受的側(cè)向土壓力為62.9 kN/m2。

2.4.2 鋼板樁整體穩(wěn)定性驗算

為了驗證該壓力環(huán)境下污水頂管工作坑結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定、安全，本文使用“瑞典條分法”進(jìn)行鋼板樁整體穩(wěn)定性計算。設(shè)土條寬度為1.0 m，驗算簡圖如圖2所示。

圖2 鋼板樁整體穩(wěn)定性驗算簡圖（單位：m）

滑裂面數(shù)據(jù)：圓弧半徑R為11.105 m，圓形坐標(biāo)為（-1.505,4.624），整體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.539。根據(jù)抗傾覆安全系數(shù)（Ks）計算公式：

式中，Mp表示被動土壓力及支點力對樁底的彎矩，Ma表示主動土壓力對樁底的彎矩，將各項數(shù)據(jù)帶入后，求出Ks的值。

根據(jù) 《 建筑基坑工程技術(shù)規(guī)范》（DBJ04/T306-2014）中的規(guī)定，抗傾覆安全系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值為1.200，本工程中Ks=1.268＞1.200，故滿足規(guī)范要求。

3 污水頂管工作坑的施工技術(shù)

3.1 施工準(zhǔn)備

根據(jù)劃定的頂管工作坑施工區(qū)域，使用挖掘機(jī)、推土機(jī)等設(shè)備進(jìn)行場地平整。參考施工圖進(jìn)行現(xiàn)場測量放樣，標(biāo)明施工區(qū)域控制點。準(zhǔn)備施工所用材料，本工程中選用12 m 拉森IV 型鋼板樁，寬度400 mm、高度170 mm、厚度15.5 mm，圍檁和橫撐均使用350×350 的H 型鋼。進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量檢查，確認(rèn)拉森鋼板樁與橫撐等構(gòu)件均符合施工要求，并且鎖口涂油脂后進(jìn)行打樁施工。對于鎖口有明顯變形或者銹蝕嚴(yán)重的，一律不得使用。有輕微彎曲變形的，要使用千斤頂?shù)裙ぞ哌M(jìn)行矯正后方可使用。

3.2 打入鋼板樁

按照施工圖上標(biāo)記的順序，采用“單樁打入法”逐塊插打。駕駛員用吊車將鋼板樁吊起，勻速移動至樁位上，在現(xiàn)場施工人員的配合下保證鋼板樁的位置和方向精確，然后將拉森鋼板樁插打至設(shè)計標(biāo)高。打樁設(shè)備為VH-3000 液壓振錘打樁機(jī)，激振力220 kN。插樁時注意將鎖口對準(zhǔn)，每插入一塊，立即套上樁錘施打。鋼板樁施工流程如圖3 所示。

圖3 鋼板樁施工流程示意圖

3.3 安裝腰梁和內(nèi)支撐

鋼板樁打入到設(shè)計標(biāo)高后，施工人員清理鋼板樁內(nèi)側(cè)泥土，保持平面整潔。在距離鋼板樁頂部50 cm處，橫向布置一條與鋼板樁同等長度的350 的H 型鋼，作為腰梁。腰梁與鋼板樁之間采用焊接方式連接固定，沿腰梁高度每隔3 m 左右布置一道支撐梁。

3.4 土方開挖

完成上述支護(hù)措施后，開始進(jìn)行污水頂管工作坑的開挖作業(yè)。土方開挖基于“自上而下、對角開挖”的原則，保留長方形頂管工作坑對角線相交部位的核心土?？紤]到工作坑深度較大，本工程分兩層開挖，第一層開挖深度為4.0 m，第二層開挖深度為4.5 m。將土方及時清運出工作坑后，使用工具整理工作坑的四周墻壁，使其平整。重復(fù)上述步驟，直到達(dá)到設(shè)計深度[4]。開挖至設(shè)計深度后，將工作坑底部整平，并澆筑混凝土墊層，平均厚度在10 cm 左右，保證混凝土墊層延伸到圍護(hù)樁處。在頂管工作坑開挖過程中，使用水準(zhǔn)儀和經(jīng)緯儀做好監(jiān)測。將監(jiān)測點布置在拉森鋼板樁的頂部，等間距布置5 個監(jiān)測點。土方開挖后每日采集兩次監(jiān)測數(shù)據(jù)，并繪制位移- 時間變化曲線圖。1 天內(nèi)鋼板樁的位移量超過20 mm 時應(yīng)立即中止施工，并加強支撐，確定工作坑穩(wěn)定后再繼續(xù)作業(yè)。

3.5 鋼板樁回收

頂管工作坑回填后，將鋼板樁拔出，實現(xiàn)回收利用。拔出鋼板樁時，首先用打樁機(jī)夾住樁頭，通過有規(guī)律的振動讓鋼板樁與周圍土體之間產(chǎn)生間隙，從而降低拔樁時的摩擦阻力。大約振動1 min 后，停止振動并嘗試向上提起鋼板樁。如果發(fā)現(xiàn)拔起困難，不可強行拖拽，而是要繼續(xù)振動一段時間，再次嘗試拔樁，重復(fù)此步驟直到鋼板樁能夠輕松拔出。鋼板樁順利拔出后，對于留下的樁孔要及時回填石屑。

4 結(jié)論

在市政管道工程的頂管施工中，保證頂管工作坑的設(shè)計合理、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能夠為頂管作業(yè)創(chuàng)造良好條件。在頂管工作坑的設(shè)計中，除了要根據(jù)市政管道工程的施工需要確定工作坑的長度、寬度、深度等基本參數(shù)外，還要進(jìn)行支護(hù)驗算擬定支護(hù)方案，保證支護(hù)達(dá)標(biāo)，防止工作坑臨空面在受到土體側(cè)壓力后發(fā)生滑塌的情況。在打入鋼板樁并安裝安裝腰梁和內(nèi)支撐后，開始進(jìn)行頂管工作坑的開挖，期間做好監(jiān)測。頂管工作坑回填后拔出鋼板樁，實現(xiàn)循環(huán)利用，兼顧了工程效益和環(huán)保效益。