顶管及支护倒挂井施工技术

内容摘要：结合苏州工业园区新城路道路、桥梁、排水工程中大口径排水管道顶管工程实例，研究和分析了大口径管道顶管施工方案的选择及顶力计算、工作坑支护和顶管施工过程中的技术难点，阐述了顶管施工的方法及技术措施，同时针对本工程中大型检查井及顶管井施工时存在的问题，提出倒挂井施工方式，介绍了倒挂井的分类及其具体的施工方法和注意事项。

关键词：非开挖顶管施工倒挂井技术措施随着城市建设的发展,市政工程地下管线施工越来越多,采用传统的开挖方法铺设地下管线,要大量挖土、占用大量临时场地、管线安装后尚需回填,这种施工方法影响交通、污染环境,给生产和生活带来诸多不便。

而采用顶管技术铺设管道无须挖槽或水下开挖土方,无须为疏干和固结土体而采用降低地下水位等辅助措施,从而大大加快了施工进度、降低造价,同时能合理地占用地下有限的空间,提高地下空间的利用率。

同时，排水管网中有很多检查井，在顶管施工时还要有工作井和接受井，这些井有的位于商铺门前，有的位于交叉路口，而且井的上方和周围还有一些电力电缆、电信光缆、煤气管道以及给水管道等地下管线。

由于采取正常的大开挖施工非常困难，同时对周围环境影响较大且存在安全隐患，为此提出了倒挂井施工方法。

一、工程概况园区新城路位于星塘街与星华街之间，与星塘街、星华街对接，呈东西走向。

本工程排水总管道位于已建星塘街的绿化带内，绿化带内有电力电缆、电信光缆、及煤气管道等多条管道，施工环境很复杂，施工有难度。

设计采用了非开挖顶管技术。

管道采用管径800 mm钢筋混凝土预制管，长度为367.5米。

绿化带内杂填土厚度不大，主要以第四系上部土层为主，管道穿越地层为粘土，土质呈软塑或可塑状态。

二、施工工艺2.1工艺选择根据施工图设计，本标段管道直径为D800 mm ,根据地质资料显示,管道穿越土层多为粉质粘土,地下水为地表径流水,根据以上特点设计采取手掘敞开式顶进方案。

2. 2工艺流程顶管施工的主要工艺流程如图1所示。

图1 顶管施工工艺流程图2. 3 施工设备根据工程地层特点和所采用的施工工艺,本工程顶管施工选用32 MP 型敞开式人工掘进顶管设备,其主要施工设备如表1 。

表1顶管施工主要施工设备2. 4 管道顶进单元长度的确定及顶力计算(1) 顶进单元长度的确定根据施工现场实际情况,每一个设计单元井室距离设定为一个单元顶进长度。

管道最大单元顶进长度为75 m。

如图2 所示。

图2 顶进长度计算示意图(2) 顶力计算根据施工方案的选择,D800 管道采取手掘敞开式顶进施工方案,管道最大顶距为75 m , 管道的最大顶力可按下式计算:F = fγD1 [2 H + (2 H + D1 ) tg2(45Ü- φ/ 2) + W/γD1 ]L + P0F = 0. 3 ×18 ×1. 2 ×[2 ×5 + (2 ×5 + 1. 2)×tg2 (45°- 15°/ 2) + 4. 5/ 18 ×1. 2 ]×75 + 0 = 8003 (kN) (1)式中: F 为最大总顶力( kN) ; f 为管道与土之间的摩擦系数;γ为土的容重( kN/ m3 ) ; D1 为管道外径(m) ; H 为管顶以上覆盖土层的厚度,该管道最大管顶覆土厚度为5. 0 m ;φ为内摩擦角(°) ;W 为管道每米重量(kN/ m) ;L 为最大顶进长度(m) ; P0 为正向阻力(kN) ;采用手掘敞开式顶进施工时, P0 = 0 。

管道顶进时应采取打蜡方式减阻,根据以往施工经验及验算,在该种土质条件下,通过打蜡方式可使其顶进阻力减小为原阻力的1/ 3 ,约减小为210 t 。

2. 5 工作井设计及选型（1）工作井的有效长度验算,应同时满足下列条件:L ≥L1 + L4 + L5 + L6 + 500 mm (2)L ≥L2 + L3 + L4 + L5 + L6 + 500 mm (3)式中: L1 为工具管长度,当采用工具管时,长度为2000 mm ;L2 为单根管子长度,一般为2000 mm ; L3为管子外露F 型钢套环长度,一般为125 mm ;L4 为液压千斤顶长度,为1600 mm ;L5 为环形顶铁厚度,一般为200 mm ;L6 为后背厚度,钢制整体装配式后背一般为300 mm。

根据以上条件得出,L ≥5000 mm。

（2）工作井的选型因本工程排水总管道位于已建星塘街的绿化带内，绿化带内有电力电缆、电信光缆、及煤气管道等多条管道，施工环境很复杂，为确保上述综合管线的的安全，同时经过对砖砌和钢筋混凝土两种倒挂井在技术和经济方面的详细分析对比后确定，本工程采用砖砌圆形倒挂井，工作井的内径为6.6米，接受井的内径为4米。

三、施工方案及技术措施顶管设备安装和施工如图3 所示。

图3 顶管设备安装与顶管施工示意图3. 1 工作井施工（1）施工方法砖砌倒挂井的剖面示意图如图4所示Ф深井降水图4砖砌倒挂井示意图①根据定位线沿井壁周围下部均匀对称挖土,每次挖土深度不得超过500 mm,周圈砌好后挖中间部分土方,按此顺序对称向下进行施工。

根据圈梁上部标高控制上部的砌体砌筑,上部井身强度达到70%后进行下节开挖。

要求对称掏挖井壁下方的土层,每次掏挖宽度≤600 mm、深度≤500 mm,至设计管内底标高下方500 mm为止。

如果土质较差,需每3 m设置钢筋混凝土圈梁一道。

②井壁采用MU7. 5砂浆M10砖迅速砌筑掏挖部分的井身,墙宽为240 mm。

③圈梁采用240 mm ×240 mm的钢筋混凝土结构,主筋采用ª14 mm,箍筋采用ª8@200 mm,保护层为30 mm,混凝土强度为C20。

④底板厚为200 mm,混凝土为C25,同时设置1个ª500 mm ×600 mm的集水坑。

⑤后靠背:对于顶管工作井,倒挂井至既定标高后,根据管道走向设置混凝土后靠背。

为了保证顶管工作空间及靠背面积,需将后靠背处的井身墙体拆除,并向下(井底下方) 、向外(井身外部)掏挖,掏挖尺寸为3. 0 m ×2. 5 m,厚为1. 0 m,用C25混凝土浇筑。

⑥出土及排水:采用人工取土,用一个绞盘和一个箩筐(吊索须用直径≥16 mm的坚韧麻绳或尼龙绳,结扣牢固,有安全制动和吊钩装置)从坑中吊土,或采用卷扬机配合三角架垂直运输。

排水采用集水坑集中排水,用潜污泵明排,水量较大时可使用轻型井点降水。

（2）注意事项①砌筑用砖应提前一天用水浸透。

②选用中粗砂,过筛后含泥量≤3%。

③须严格对称开挖,对称砌筑井身。

④须随挖随砌,严禁掏挖后隔夜再砌。

⑤每层掏挖结束需待砌体达到70%强度后再次进行施工,必要时在砂浆中掺早强剂。

⑥砌体须错缝,严禁出现纵向通缝,砂浆须饱满。

⑦沿井身竖向每2 m设置一道20 mm ×10mm的灰条,以观测井身的变化。

⑧当井深达中细砂土层时,应每300 mm加设2根Φ10 mm的环向加强筋。

⑨在后靠背及顶进洞口上方用2根Φ16 mm的钢筋加固。

⑩为保证顶进距离,可用加密注浆加固后靠3. 2 设备安装顶进设备主要包括千斤顶、高压油泵、顶铁、工具管及运土设备等。

导轨选用钢质材料,两导轨顺直、平行、等高,其纵坡与管道设计坡度一致,千斤顶固定在支架上,并与管道中心的垂线对称,其合力的作用点在管道中心的垂直线上,油泵设置在千斤顶附近,顶铁采用型钢焊接并设锁定装置。

3. 3 注浆减阻系统及打蜡减阻根据管道顶力计算,当D800 管道顶进距离75m 时其顶力为623 t ,而工作井设计允许最大顶力一般不大于210 t ,远远小于管道顶进要求,因此需要采取减阻措施,一般情况下,通过打蜡减阻可以将顶进压力减小为原来顶力的1/ 3 ,通过注浆减阻可以将顶进压力减小为原来顶力的1/ 4 ,本工程采取打蜡减阻减小顶进压力。

3. 4 管道顶进工作坑内设备安装完毕,检查合格后即可进行开挖和顶进。

管前挖土是保证顶进质量及地上建筑物安全的关键,管前挖土的方向和开挖形状,直接影响顶进管位的准确性,因此,管前周围超挖应严格控制,工具管接触或切入土层后,应自上而下分层开挖,机头迎面的超挖量根据土质条件确定。

对于密实土质,管端上方最好留有一定空隙,以减少顶进阻力;管端下部135°中心角范围内不得超挖,保持管壁与土壁相平,也可预留1 cm 厚土层,在管子顶进过程中切去,这样可防止管端下沉。

在不允许顶管上部土壤下沉地段顶进时,管周一律不得超挖。

管前挖土深度,一般等于千斤顶顶铁长度,如土质较好,可超前0. 5 m。

超前过大,易引起土壁土方塌陷,因此,每掘进50 cm 顶进一次,确保施工安全。

管前挖出的土用牵引小车及时运出管道。

工作井管道出洞前做好准备工作,在出洞前应通电试车正常,复核导轨位置尺寸,为防止工作井出洞口处的既有管道损坏,对工作井出洞口处进行加固,洞口土体缝隙填满,保持不坍塌的情况下顺利推进。

3. 5 管道顶进误差调整在工作坑内设有水准点和预设的方向线,采用激光水准仪直接测量前端管底高程和方向。

每顶进50 cm 时,测量一次,如果在顶进中发现偏差,利用纠偏千斤顶进行校正,使其复位。

在顶进过程中,顶管前面的第一截管道作为工具管,不和后面的管道焊接在一起,有利于在顶进中调整钢管的顶进误差。

四、结论本顶管工程采用手掘敞开式顶进工艺,投入4 台设备,用时43天完成施工任务,在施工时对绿化带内的综合管线没有造成破坏，避免了大开挖可能对地下管线的破坏,取得了良好的社会效益和经济效益。

在顶管施工中为确保顶进质量,应精心组织,发现问题及时分析原因,采取相应措施,顶管施工的主要质量控制措施有以下几个方面: (1) 定位放线准确; (2) 准确计算顶力; (3) 严格控制挖土量; (4) 严密控制检测偏差,及时控制、纠正、调整方向。

顶管技术的成功应用说明,顶管施工与开槽埋管施工相比具有施工速度快、自动化程度高、精度高、地面沉降小、对地面交通和周边环境影响小等优点。