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(中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司 河北任丘 062552)
摘 要：该文简介顶管工艺的分类及适用环境,以泥水平衡顶管工艺为主题,通过对成功案例的描述,并对本工艺常见问题做出分析及预防,为设计人员在今后的设计中提供一些参考和借鉴.
关键词：顶管施工 施工方法 常见问题
中图分类号：TU992 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2014)02(c)-0105-04
顶管施工是继盾构施工之后发展起来的一种土层地下工程施工方法,主要用于地下输油气管道、输水管道、电讯电缆管等的施工.它不需要开挖面层,并且能够穿越公路、铁路、河川、地面建筑物以及地下构筑物等,是一种非开挖的敷设地下管道的施工方法.
随着时间的推移,顶管技术也与时俱进地得到迅速发展.主要体现在以下方面：
一次连续顶进的距离：越来越长；
挖掘技术：机械化程度越来越高；
顶管线路的曲直度：曲线形状越来越复杂,曲率半径越来越小；
按顶管机的类型分：手掘式人工顶管、挤压顶管、水射流顶管和机械顶管（泥水式、泥浆式、土压式、岩石式）.
该文以泥水平衡式顶管工艺在石空—兰州输油管道工程中的应用为例,对施工过程进行描述.
1.顶管施工
石空—兰州输油管道工程在宁夏中卫市穿越北干渠时正值春季,由于受黄河地下水位的影响,管道沿线各灌溉渠水位增长迅速,且本工程一标段毗邻腾格里沙漠,地质多为粉砂,北干渠尤为典型.北干渠系中卫市美利工业园区主要渠道,四季不允许停水,经协调该园区管理所要求顶管施工,但此穿越处地质为粉砂,地下水位约为0.5m,若采用普通的掘进式顶管方案无法保障施工作业人员的安全,且施工质量也难以保证.为确保本工程的总体目标,建设方、监理方、设计方及施工方到现场实地勘察讨论,最终决定采用国内先进的泥水平衡顶管法.
1.1 施工准备
1.1.1 组织准备
根据本工程特点及技术要求施工方选派了施工经验丰富、责任心强、曾多次承接泥水平衡机械式顶管施工的人员出任项目经理,并配备技术过硬、具有丰富施工经验的技术、测量、施工、质控人员；集中选拔操作水平高的施工队伍,组建竖井、机械顶管、降水等专业施工队伍,确保工程保质、保量、按期完成.
1.1.2 技术准备
完成施工组织设计方案的编制及审批,并完成现场调查,特别是顶管工作坑范围及可能与管线矛盾的现况管线的调查.
1.1.3 生产准备
应包括临时设施（临时生活区、临时办公室的搭建）、用水、用电设施、通讯设施、临时道路及临时场地等(图1）.
1.1.4 材料及机械设备准备
应根据工程实际需要做好材料的购买及机械设备进场的准备.
1.2 降水施工
机械顶管过程中不需降水,但是在顶管工作坑开挖时需进行降水处理.本工程采取以大口径井点降水为主、辅以工作坑内集水井明排的降、排水措施.
大口井点设在工作坑周围,沿两个侧边布置,距离坑边的边线1.5m,降水井深度10m.顶进坑设大口井六口,接收坑设大口井四口,其平面位置如图2.使用反循环钻机成孔,钻孔孔径φ600,井管使用外径DN400、内径DN300的无砂混凝土管,滤料使用3mm的豆石或石屑.
降水施工工艺流程：场地平整—井点放样—钻机对位—成孔—下放井管—填充滤料—洗井—下放水泵—抽水.
降水施工在工作坑开挖前7天进行,降水工作持续整个工作的全过程,包括工作坑开挖、顶管、直到工程结束.
降水期间要对抽水设备和运行状况进行维护检查,每天检查不少于3次,并要观测记录水泵的工作压力、电动机、水泵温度,电流、电压、出水等情况,发现问题及时处理,使抽水设备始终处在正常运行状态.抽水设备要进行定期保养,降水期间不得随意停抽.注意保护井口,防止杂物掉入井内,经常检查排水管、沟,防止渗漏.
1.3 施工方法及技术措施
1.3.1 顶力计算
通常确定机械顶管总顶力,使用经验计算公式：
P＝NGL
其中：
G—单位长度管体自重（kN/m）
N—土质系数
P—总顶力
L—最长顶距
本工程的管径为D1200,管子自重为9560kg,单位长度管体自重G等于（9560/3）×9.8÷1000等于31.23kN/m.
顶管长度L等于40m.
本工程管道位于粉砂层,N取2.
P等于2×31.23×40等于2498.4 kN
根据总顶力计算出顶力为2498.4kN,实际施工过程中选用的顶镐设备为4台200吨的顶镐,可以提供7840KN的顶力,能够满足顶进需求.
1.3.2 工作坑尺寸
顶管需开挖工作坑,工作坑分为顶进坑与接收坑,其深度由设计管底高程决定,顶进坑底部需做30厘米厚的混凝土底板,接收坑底部不做混凝土底板.管底高程加上机坑轨道及底板厚度,就是顶进坑的坑底标高,接收坑标高与管底标高相同.
为了保障工作坑的顺利施工,综合顶管机具的尺寸及作业要求,确定顶进坑及接收坑的净空尺寸：
(1)顶进坑长度计算
L等于L1+L2+L3+L4
L—顶进坑长度,m
L1—顶管机长度,m,L1等于5.2m
L2—液压油缸长度,m,L2等于1.7m
L3—出土工作间长度,m,L3等于1.0m
L4—后背厚度,m,L4等于0.6m
L等于5.2+1.7+1.0+0.6等于8.5m取9.0m
(2)顶进坑宽度
B等于D+S
B—顶进坑宽度,m
D—管外径,m,D等于2.2m
S—操作宽度,m,每侧1.3m,S等于2.6m
B等于2.2+2.6等于4.8m,取5.0m
(3)顶进坑深度
H等于（A1－A2）+A3
H—顶进坑净空深度,m
A1—顶进坑地面高程,1041.476m
A2—顶进坑处管道内底高程,1033.048m
A3—机坑导轨安装高度,m,S等于0.45m
H等于（1041.476－1033.048）+0.45＝8.878m取9.0m
(4)接收坑深度
H等于（B1－B2）+d
H—接收坑净空深度,m
B1—接收坑地面高程,1041.511m
B2—接收坑处管道内底高程,1033.133m
d—钢筋混凝土管 管壁厚,m,d等于 0.2m
H等于(1041.511－1033.133)+0.2等于 8.578m,取8.6m
如此确定顶管工作坑净空尺寸为：
顶进坑：9.0m（长）×5.0m（宽）× 9.0m（深）
接收坑：6.0m（长）×4.0m（宽）× 8.6m（深）
顶管施工完成后,在顶管工作坑处需施做检查井,为了检查井的施做方便,顶管工作坑的尺寸也需参照检查井的具体尺寸确定.
1.3.3 后背安装
工作坑验收合格后,安装顶管设备,首先安装后背.
(1)机械顶管后背结构为：锚喷墙+混凝土+后背铁.
(2)在锚喷墙壁前垂直地面放置后背铁,后背铁与锚喷墙面之间的空隙以C10素混凝土浇灌填充.
(3)顶进坑后背要有足够的强度,在顶进过程中能承受千斤顶的最大作用力.
(4)后背墙表面要平顺,并且垂直于顶进管道的轴线,避免产生偏心受压.
(5)后背的安装允许偏差为：
垂直度：0.1% H水平扭转度：0.1% L
其中H为后背的高度,L为后背的宽度.
1.3.4 基坑导轨安装
导轨安装是顶管施工中一项重要的工作,安装的准确与否直接影响管道的顶进质量.
导轨内距的确定：
其中：A—两导轨内距（mm）；
D—管外径（mm）,D等于2200mm；
d—管壁厚（mm）,d等于200mm；
则：
导轨安装内距为1265mm,这样确定的导轨顶面与管道流水面高程相同：
(1)在工作坑底部上铺洒一层厚约15cm的豆石,豆石之上铺设置150mm×150mm的方木,方木长度为2m,方木之间的间距为400mm,测量每根方木的高程,使其与顶进坡度相一致.
(2)将钢质导轨平铺于方木之上,测量导轨的中线位置与高程偏差,其允许偏差为：
导轨内距：±2mm；
中心线：3mm；
顶面高程：0～3mm.
(3)两导轨要平行、等高,或略高于该处管道设计高程,其纵坡与管道设计坡度一致.
(4)使用30#工字钢稳固导轨,工字钢一端须牢牢抵在工作坑侧墙上,另一端与导轨焊接,每根导轨不小少三根工字钢.
安装后导轨要牢固,不得在顶进施工中产生位移,且需设专人经常进行检查.
1.3.5 正常顶进
使用吊车将掘进机就位,开动顶管机刀盘,按如下步骤正常顶进：
(1)土仓压力的设定：根据掘进机所处土层压力而定,估算土仓压力约为 0.1MPa,施工时设备自控可保证10%的土仓压力：遇有砂层、砂砾石层、离构筑物较近时,土仓压力设定适当加大到30%左右,以提高安全系数.
(2)触变泥浆减阻：顶管过程中,须同步注入减阻泥浆,它是减少顶进阻力、提高顶进速度的重要一环.
(3)顶进测量：顶管测量主要使用激光经纬仪,安装于顶管坑后背处的顶管掘进中心线上,激光经纬仪的安装必须保证顶进过程中的稳定.在掘进机内安装有激光靶,激光束的照射角度与管道的设计坡度相一致,激光照射到光靶上形成一个激光点,机手根据激光点的位置变化确定掘进机的方向变化.
(4)顶进纠偏：顶管掘进机由前、后两节组合而成,两节之间安装有8个千斤顶,分为上、下、左、右四组,靠这四组千斤顶,可以进行四个方向的纠偏操作.连续观察光靶上激光点的行走轨迹,如发生偏移大于 20mm,预测机头又有向偏差大的方向发展的趋势时,要采取纠偏措施.
(5)顶进速度：顶进速度控制在30mm～50mm/分钟,入洞后的前10m以及纠偏时用较低速度,以后视出土情况、刀盘扭矩情况适当加快顶进速度.
(6)出土外运：掘进机刀盘切削破碎土体,由螺旋输送机将泥土输入到管道内部,使用土车通过管道将泥土运入顶进坑中,再使用吊车运到地面,倒入泥土暂存区,定期外运.
(7)安装管节：管节下坑前先进行外观检查,包括管端面是否平直、管壁表面是否光洁、管体上有无裂缝等,检查合格的管子用吊车放到顶进坑内的导轨上,进行顶进.
(8)机头出洞：机头推进到距接收坑约2米处,拆除接收坑洞口处的墙壁,从接收洞口中心部位打进一根钢钎寻找机头,洞口处的土体开裂并向外凸出,此时掘进机的土仓压力也会随之消失,没有土压,螺旋输土机停止出土.仔细测量机头上、下、左、右的四个方向,与出洞口的大小、位置合适时,启动主顶油缸继续推进,至中心刀露出时,停止推进.安置机头接收托架,然后,慢慢将机头推入接收坑内.
(9)机头出坑：拆除掘进机的电源线、注浆管、油管,并折除掘进机与第一节混凝土管的连接板.使用吊车将掘进机吊运出坑.
1.3.6 设备拆除
混凝土管顶进、换浆、检测全部完成后,拆除顶镐设备、后背铁及导轨,工作坑内保留原顶管用垂直升降设备,以便利用其作为检查井施工的平台,工作坑及接收坑内的支撑不拆除,留做检查井施工时继续做保护支撑.
2.常见问题的分析及预防
2.1 管道轴线偏差过大
偏差结果：管道轴线与设计轴线偏差过大,使管道发生弯曲,甚至造成管节损坏,接口渗漏.
纠偏措施：
(1)顶管施工前对管道通过地带的地质情况认真调查,指导纠偏.纠偏按照“勤测量、勤纠偏、小量纠”的操作方法进行.
(2)采用同种规格的千斤顶,使其顶力、行程、顶速相一致,保持顶力合力线与管道中心线相重合.
(3)加强顶管后背施工质量的控制,确保后背不发生位移,并使后背平整,以保证顶进设备的安装精度.
(4)顶进过程中随时绘制顶进曲线,以利指导顶进纠偏工作.
2.2 地面沉降或隆起
沉降或隆起结果：顶管施工过程中或施工后,在管道轴线两侧一定范围内发生地面沉降或隆起,使管道周围道路交通受到影响,甚至危及到正常使用和安全.
防治措施：
(1)严格控制顶管轴线偏差,执行勤测量、勤纠偏、小量纠的操作方法.
(2)在顶进过程中及时足量地注入符合技术标准的润滑支承介质填充管道论文范文环形空隙.施工结束及时用水泥或粉煤灰等置换润滑泥浆.
(3)严格控制管道接口的密封质量,防止渗漏.
2.3 顶力突然增大
增大现象：在顶进过程压力表指针突然增大.
防治措施：
(1)按不同地质条件配制适宜的泥浆,并采取同步注浆的方法,并及时足量的沿线补浆,经常检查膨润土质量,特别是不得含砂.
(2)顶进施工前对顶进设备进行认真的检修保养.
(3)停顶时间不能过久,发生故障及时排除.
2.4 钢筋混凝土管节裂缝
裂缝现象：管节纵向和环向有明显裂缝,造成管道渗水、漏水.
预防措施：
(1)管材进场后要进行质量验收,验收不合格要及时退货.
(2)顶进时严格控制管道轴线偏差,控制顶力在管节允许的承压范围以内.
(3)在管节运输过程中采取管垫等保护措施,并做到吊（支）点正确,轻装轻卸.
2.5 顶管前端正面土体坍塌
坍塌现象：顶管施工中实际出土量远远大于理论出土量,且地面有明显塌陷.
预防措施：顶进施工中采取短开挖、勤顶进的方法,并随时注意到土质的变化情况,向土仓内加泥浆,使出土量与顶进量基本一致,保持土仓压力平衡.
3.结语
针对此次采用泥水平衡顶管工艺作业,业主方、监理方、设计方、施工方做了充分论证.作业前精心部署,编制了既有针对性又能控制各种风险的应急预案.在各级领导大力支持和帮助下,且各方发扬石油人精神克服各种困难、群策群力、精心组织下泥水平衡顶管工艺作为一项新技术成功应用于本次穿越工程.
参考文献
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天然气管道施工规范:呼和浩特施工管道塌方压死三人
总结：本论文为您写施工管道毕业论文范文和职称论文提供相关论文参考文献，可免费下载。
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