蒋业超 徐小马

(1.合肥城建投资控股有限公司，安徽 合肥 230601； 2.中煤第三建设(集团)有限责任公司，安徽 合肥 230000)

随着社会经济的飞速发展，城市地下空间的开发和利用越来越受到人们的重视。顶管法施工是利用主顶油缸和中继间等的顶推力，从工作井始发掘进穿过土层，掘进机一直推到接收坑内吊起。在顶进过程中，逐节拼装管道并推进，最终将管道设置在工作井和始发井之间预先设定的位置，顶管施工是一种非开挖的铺设地下管道的施工方法。顶管法施工技术属于暗挖施工技术的一种，能够做到在不开挖地表土的情况下将管道敷设完成，具有对周边环境影响小、施工便捷、成本低和安全性高等优点，得到越来越广泛的应用[1-5]。本文以合肥市合经区王桥路排水工程及管线综合工程为例，探讨泥水平衡顶管施工工艺相关技术要点。

1 工程概况

1.1 工程背景

本工程王桥路段(兴业大道—宝教寺路)位于空港国际小镇中部，为东西走向道路。该路是区域内的重要交通性干道，起点为兴业大道，终点为宝教寺路，规划为城市主干路，全长约 2.43 km，红线宽 40 m。污水管线位置：污水管道单排布置，主管位于道路中心线以北 1 m处(中央绿化带内)，污水预留井预留至道路红线外2 m(见图1)。污水主管道施工采用泥水平衡顶管施工，主干管管径为DN600 mm，总顶进长度555 m，管材采用离心浇铸玻璃钢夹砂管。本段施工共设6个工作井，7个接收井，最短顶进长度31.9 m，最长顶进长度60 m，平均顶距46.3 m。

1.2 工程地质情况

工程场地位于合肥市经济技术开发区北区，沿线以农田为主，局部为水塘、树林、堆土区等，沿线地形起伏较大，各孔口所涉及的自然地面高程在61.09 m～73.27 m之间。

根据本次外业现场的原位测试、外业钻探，拟建场地地基土构成层序自上而下为：①层素填土：层顶标高61.09 m～73.27 m，层厚0.40 m～2.40 m，普遍分布。②层粉质黏土：层顶标高59.59 m～69.86 m，层厚0.60 m～2.50 m，该层土局部缺失。③层黏土：层顶标高60.14 m～72.27 m，层厚5.00 m～20.80 m，普遍分布。

地下水类型、埋藏情况：王桥路区域内地下水主要是孔隙水和基岩裂隙水。其中，基岩裂隙水埋藏于填土层中，主要是上层滞水，水量微弱。黏土层中水量较少，黏性土透水性和富水性均较弱。王桥路区域的地下水埋深在0.7 m～1.5 m，高程对应为60.23 m～72.42 m。王桥路区域地下水排泄方式主要有蒸发、向下补给潜水和人工抽降等。水位年动态变幅受季节及气候条件等影响，一般在1 m左右。

1.3 施工工艺

王桥路污水沉井施工工艺流程：

沉井基坑测量放样→场地平整→基坑开挖→沉井测量放样→基础处理→立井筒内模和支架→钢筋绑扎→立外模和支架→浇捣混凝土→养护和拆模→沉井二次制作(工序同第一次)→井点安装及降水→凿除垫层、挖土下沉→沉降观察→浇筑混凝土垫层→绑扎底板钢筋、浇捣底板混凝土→混凝土养护→井周回填。

2 关键技术

2.1 基础处理

本工程采用40 cm砂石垫层，用打夯机打夯使之密实，然后浇筑C15混凝土垫层，厚200 mm，宽1 100 mm(见图2)。将沉井的重量扩散到更大的面积上，从而避免了制作过程中发生的不均匀沉降，还能够做到易于找平。根据岩土工程勘察报告,沉井井位段，最上层①层素填土厚度为0.5 m～1.0 m，其下均为③层黏土层;沉井刃脚位于③层黏土层，地基承载力基本容许值为fa0=110 kPa。起沉平台下部应作夯实处理，处理后地基承载力基本容许值fa0≥110 kPa。

2.2 工作井布置

2.2.1结构设计

工作井采用沉井法施工，直径为6 000 mm。按照方案逐节下沉沉井，直至下沉到位后用素混凝土进行封底。底板采用厚度为600 mm的钢混，同时埋设导轨预埋件，等混凝土强度达到要求后方可安装导轨，轨道安装的高程偏差在+0 mm～+3 mm，中心线偏差±3 mm之内。后座墙尺寸为3 000 mm×3 000 mm×500 mm，后座墙的垂直偏差小于0.1%H(H为后背的高度)，即小于3 mm。相关参数计算和确定如下。

2.2.2工作井内径计算

王桥路顶管采用的是玻璃钢夹砂管，长度为3 m/节，工作井内径大小：

L≥L1+L2+L3+K=3.0+1.5+0.4+1.1=6 m。

其中，L1为玻璃夹砂管下井管节长，取3.0 m；L2为设置的千斤顶的长度，现场千斤顶为1.5 m；L3为留在井内的管道最小长度，取0.4 m；K值为后座加上顶铁的厚度最小值加上安装的富余长度，本次取1.1 m。

2.3 后背墙稳定计算

液压顶进千斤顶由后背墙提供支撑，提供反力。全部的顶力由后背墙传递和承受，因此后背墙的刚度、强度必须达到要求。因此需要计算后背墙的最大承受的推力，假设工作井能够承受的反力为R，那么R应当由工作井的侧壁和底板摩擦力R1加上后背墙的反力R2。而侧壁和底板和土体的摩擦力计算不易确定，计算时忽略不计，增加了后背墙的R2计算值的富余量。后背墙刚度较大，假设顶进的推力是通过后背墙均匀的作用在工作井后方的土体上。后靠背的计算图示如图3所示。

反力应为总推力F的1.2倍～1.6倍，以确保安全。

(1)

其中,R2为后座墙之反力；α为系数(通常取1.5～2.5之间)，为了顶进时结构安全保守取1.5；γ为后背墙的土体容重，根据勘察报告取1.9 t/m3计算；H,B分别为后座墙的高、宽，皆取3.0 m计算；KP为被动土压系数，tan2(45°+φ/2)=1.894；c为土的粘聚力，取70.9 kPa进行计算；h为从地面到后背墙顶部土体的距离，根据工作井深度h=6.0 m。

代入以上数据，计算可得：R2=5 079.08 t。

2.4 顶力计算

1)控制土压力值P。

P=K0γh=0.55×1.9×6.7=7.0 kPa

(2)

其中，K0为静力土压力系数，取0.55；γ为管道区间土的容重；h为顶进区间的覆土深度，根据断面图可知深度约为6.7 m。

2)顶管机初始推力FO。

FO=PπR2=7×3.14×0.3082=2.09 t

(3)

其中，R为玻璃钢夹砂管有效半径，为308 mm。

3)一次顶进管道阻力。

PO=2fπRL=2×0.32×3.14×0.308×60=37.14 t

(4)

其中,f为土和管道的摩阻系数，按土质取0.32 t/m2；R为玻璃钢夹砂管有效半径，取308 mm；L为顶进长度，为管道始发井和接收井之间的距离，取60 m。

4)一次顶进总推力。

F1=FO+PO=2.09 t+37.14 t=39.23 t

(5)

5)注浆减摩后实际总推力F。

F=αF1=0.8×39.23=31.38 t

(6)

其中，α为减摩系数,取0.8。

6)每延米推力。

(7)

由于DN600离心浇筑玻璃钢夹砂管能承受最大顶力为990 kN即101.02 t(根据GB/T 21492—2008)，工作井主顶推力可设计为500 kN，即51 t。100 t主顶油缸1台，60 m需要总推力为31.38 t。满足顶管设计要求，无需增加中继点。

2.5 管道顶进施工准备

顶管在顶进过程当中，减阻泥浆是减小顶进阻力的重要措施[6]。顶管前要先将设备安装调试，安设好泥浆池，泥浆池开挖大致按照10 m×8 m×3 m尺寸，施工完成后泥浆沉淀，拌干土就近使用于绿化工程。按要求调配泥浆同时对注浆的设备进行检查。对施工供电和现场备料进行检查，供电主要对电压、接地等进行检查，备料包括胶圈、管封、烧碱和膨润土等，规划好堆土区和出土设备。王桥路市政道路工程设备采用NPD-500的泥水平衡式顶管机，配套4只500 kN的千斤顶一组，主顶设备为32 MPa油泵，注浆泵的注浆速率为50 L/min，砂浆搅拌机的功率为3 kW。工作坑内设备图见图4。

2.6 玻璃钢夹砂管性能

王桥路顶管一次顶进距离为60 m左右，对于选取的管材刚度要求较高，通过检测，采用的玻璃钢夹砂管性能较为优异，相关指标如表1所示。

表1 玻璃钢夹砂管强度指标

3 结语

本文通过合肥市合经区王桥路排水工程及管线综合工程，结合实际工程案例，分析了顶管施工技术在城市污水管工程中的实际应用，其中沉井施工和顶管施工是工程中的关键性技术和环节。沉井过程中，要注意沉井各个观测点下沉量的变化，当沉井出现倾斜可通过调整挖土和施加荷载进行调整。利用泥水压力来平衡地下水压力和土压力，可有效地保持挖掘面的稳定，同时加快作业进度。对于长距离顶进，对管材的强度要求较高，应满足规范和顶进要求。总的来说，顶管法施工技术在市政管道施工中具有很好的应用前景。