城市建设过程中地下给排水管道顶管施工技术
关键词：顶管；施工技术；顶力设计计算
1管道顶管施工技术的分析
1.1长距离顶管法施工时的制约因素
长距离顶管指每一段连续推进的距离都在100m以上的顶管施工,有的可达100m或1000m以上,由于1次连续推进距离长,于是就产生了与普通顶管有许多不同之处,也就有许多因素对长距离顶管有制约作用,而对长距离顶管施工的分析研究,也就是研究这些不同之处和寻求解决各种制约因素的办法。
（1）制约长距离顶管的一个重要因素是推力。从理论上讲,管子推进距离增长了,只需把主顶油缸的推力增加一些就可以了,然而在实际施工中却并非这么简单:推力增加了,管子能否承受得住,后座能否承受得住,常用的混凝土管的抗压强度为13～17.5Mpa，玻璃纤维加强的混凝土管抗压强度为90～100MPa,钢管的抗压强度为210MPa。
因此,长距离顶管施工中首先选用钢管,因为钢管的断面、重量及与土之间的摩擦系数均比混凝土管小,顶进推力也就相应减小许多。在混凝土管中玻璃纤维加强管是长距离顶管的首选用管,在混凝土管的接口形式中,F管又是长距离顶管的首选用管。
（2）长距离顶管还受后座所能承受推力大小的制约,一般情况下顶管工作坑的后座所能承受的最大推力以所顶管子所能承受的最大推力为先决条件,然后反过来验算工作坑后座是否能承受最大推力的反作用力。一旦总推力确定了,在顶管施工的过程中决不允许有超过总推力的情况发生。
在顶管施工中,为了使油缸的推力的反力均匀地作用在工作坑的后方土体上,需浇筑一堵后座墙,这个后座墙必须能完全承受油缸总推力P的反力,受力情况如图1所示。
总推力的反力R为:R＝αB（γH2KP/2＋2CHK1P2＋γhHKP）式中R应为P的1.2～1.6倍,以确保安全(kN):α为系数(取1.5～2.5之间):B为后座墙的宽（m）；γ度为土的容重(kN/m3);H为后座墙的高度(m),Kp为被动土压系数(为tg2(45。＋Φ/2)c为土的内聚力;为地面到后座墙顶部土体的高度。
式中α的取值大小与工作坑及后座墙的结构形式有关系,如采用钢筋混凝土沉井坑α取2～2.5若是钢板桩坑,则α取1.0或更小些。此外后座后面的土若扰动过α取小些,反之可取大。
此当油缸总推力的作用点低于后座被动土压力的合力点这时后座所能承受的推力为最大。因此,为了使后座能承受较大的推力,工作坑应尽可能深一些,后座墙也尽可能埋入土中多一些。
另外,为了使后座力增加,可适当增加后座墙的宽度B。后座墙的宽度一般与工作坑的宽度相等。假定后座墙的反作用力的作用点与主顶油缸合力的作用点相一致,而且该点又低于所顶管子的轴线,那么,后座的高度就以这一点为中心,向上和向下均为高度的二分之一。后座墙如果为素混凝土浇筑而成,它所承受的最大弯矩Mr为:
Mr＝0.28Bt2σt
式中t后座墙的厚度;σt为混凝土的抗拉强度,一般取抗压的强度的1/10～1/15其余符号同前。
若经计算,认为素混凝土的强度不够,则可在墙体受拉一面加人钢筋,使其强度增加达到要求。
（3）长距离顶管还受到排土方式的制约
如果所顶管子长达100m以上时,采用人工出土的速度太慢,制约了顶进速度,显然是不适宜的如果采用水力输送,需在输送一定长度以后加1台中间泵如果采用土砂泵,则必须保证土砂泵在克服了各种弯头、伸缩接头的阻力以后,还能在该趾离内把管道内的土砂排出,或者可以加中间输土泵如果管径较大的顶管则可采用电瓶车出土,为了加快出土量,可让电瓶车在管内所设的道叉处交换。
（4）长距离顶管还受到测量的制约
普通的激光经纬仪,其光点的直径在10mm以下,如果距离太长,光点的直径将扩大,就会影响测量精度如果增大激光的功率又会对人体尤其是对人的眼睛造成伤害。此外,距离太长时管内的雾气等也会影响测量。
（5）长距离顶管还会受到掘进机等各种机具寿命的影响和制约,其中,尤其是会受到各种密封件的寿命、切削刀头的寿命、中继间的寿命等制约。
（6）长距离顶管还会受到通风、供电的制约,在管径小而作业人员多的情况下,距离长会造成通风不良,继而产生缺氧电压的压降大,会造成电气故障。因此,制约长距离的顶管的因素很多,在施工过程中尽应可能合理安排作业坑的间距,不要过长。
1.2通风系统
在长距离顶管中,通风是不容忽视的问题,因为在长距离顶进的时间比较长,人员在管子内要消耗大量的氧气,久而久之,管内就会出现缺氧,影响作业人员健康,尤其是钢管涂料会散发出一些有害气体,也必须用大量新鲜空气来稀释,在作业过程中遇到一些土层内有害气体逸出,还会有一些粉尘浮游在空气中,不仅会影响作业人员健康而且也影响测量,这些必须靠通风来解决。
就通风的形式而言,常用的有3种：鼓风形式、抽风形式和鼓风抽风组合形式。鼓风式通风出口气流有效射程长,排出工作面有害气体、烟尘的能力强、安全性能好,但这种通风方式通风距离不长,被驱散的混浊空气会经过整个管道一直到达工作坑内。如果这种空气相对密度比较大,则容易沉积在工作坑底部。鼓风式风筒出口端到工作面的距离≤（4～5）SL2（m）,S为管子口的断面面积。
抽风形式吸入口距掘进面距离应≤1.5SL2（m）为了达到满意的效果,可以用两台抽风机串联起来使用。
Q抽＝SV
式中S为管子的断面积；V为最低排风速度。若想获得更为理想的通风效果,必须采用组合式通风,前抽后鼓式为理想组合方式,吸入口距挖掘面≤1.5SL2（m）,抽风距离为20～30。在距挖掘面或掘进机12～15m处是鼓风机的排风,鼓风与抽风的风筒分别安装在管内左右两侧,两风筒必须重叠5～10m,以防止通风不良。
2顶管施工顶力设计的计算方法
目前,顶管技术发展较快,但顶管顶力的计算尚不完善,顶力的计算直接影响工作坑后背设计以及确定顶力、管体强度的要求和中继间的设计和设置。
2.1实际顶进过程中顶力变化分析
（1）管径的影响。根据实测顶力变化情况,将相同条件下不同管径的顶力进行比较,图4是对50、100、150m3种顶距下顶力随管径变化的情况,可见顶力计算随着管径的增大而呈线性上升趋势,管径愈大,顶力愈大。
（2）注浆的影响。注浆效果直接关系到顶力的大小,注浆后顶力明显减小,未注浆顶管管外壁的单位面积的摩擦阻力约为20～30kN,有时会再增大2倍,注浆后顶力可减小到1/3～1/4。
（3）管线偏差的影响。管道在顶进中不断出现偏差,校正过多,因阻力增加会使顶力增大,一般情况下在进出洞口处,管线偏差较大,纠偏次数也较多,顶力增加很大。
2.2顶力计算公式
从顶管过程中顶力分析可以看出影响顶力的主要因素有管径D,粘聚力C,含砂量S,管埋深H,土壤重度γ,管长L,土对管的作用力N,土体内摩擦角,管壁与土的接触摩擦系数μ。顶力P的表达函数式为：
P＝P（D，H，L，C，S，γ，，μ，N）
其中D、H为常数,其它均为变量。C、S、γ、甲为土质参数,在顶进过程中都可能发生变化；μ在顶管过程中受到土质参数、触变泥浆套形成效果、泥浆浓度等影响；N在整个顶进过程中是个变量。这里只对土压平衡或泥水平衡顶管的顶力计算公式进行分析,推导过程中：
① 假设管土接触均匀；
② 迎面土压力计算时暂不考虑地下水位的影响；
③ 管材为钢筋混凝土管；
④ 沿途地质情况无显著变化；
⑤ 忽略地面附加荷载的作用；
⑥ 采用单位面积摩擦力f以综合反映C、S、γ、μ、N等参数的影响。
计算顶力公式由工具管迎面阻力和管道摩阻力两部分组成。管道摩阻力与土质的性质、接触的紧密度、触变泥浆情况有关,综合体现为摩擦系数的选用。这里将这一影响归到安全系数中,在顶力计算中着重考虑采用触变泥浆对摩擦系数的影响,公式为
P＝K（PF＋F2）
式中P为总顶力(kN);PF为迎面阻力(kN);F2为管道摩擦阻力(kN);K为安全系数,可取1.0～2.5,对于非粘性土K＝1.5～2.5,粘土K＝1.0～1.5。
2.3迎面阻力
对于采用土压平衡和泥水平衡的顶管,通常迎面土压力都控制在主动土压力与被动土压力之间,一般泥水平衡泥仓压力和土压平衡掘进机土压力应为前静止压力的1.0～1.1倍,根据施工经验,迎面阻力可近似采用管中心所受的阻止压力计算,即
PF＝γ(H＋DL/2)KOπD2L/4)
式中KO为静止土压系数,与土的性质有关,粘土中KO取0.33～0.70或KO＝1一sin计算;γ为土的容重(kN/m3),DL为工具管外径(m);H为管顶覆土高度(m)。
2.4管外壁磨擦阻力
（1）采用触变泥浆
F2＝πDL
式中D为管道外径(m);为单位面积管壁与土的平均摩阻力(kN/m2)。
根据＝(P-PF)/(πdL)代入实测顶力数据,算出各段单位面积摩擦力随顶距变化情况,初始阶段单位面积的摩擦阻力较大,随着距离的加长,趋于稳定。为了便于计算,可以对作如下规定对软土地区当L≤100m时,＝50L-0.5(kN/m2);L＞100m当时,＝2～5(kN/m2)其它地区可乘以相应的系数。
（2）无润滑剂可采用以下公式计算
F2＝μDL(P1＋P2)/2＋μWL
式中μ为管壁与土的摩擦系数;P1为垂直土压力,P1＝γH(kN/m2);P2为管道水平土压力(kN/m2);为单位长度管体自重其余符号同前。
3结束语
总之,顶管施工随着城市建设的发展已越来越普及,应用的领域也越来越宽,文中主要对长距离顶管施工常用的泥水平衡和土对平衡施工技术中几个主要问题进行了分析,提出了解决方法。