頂管技術在保定市南水北調配套工程中的應用

1、<p>　　頂管技術在保定市南水北調配套工程中的應用</p><p>　　摘要：頂管技術就是非開挖施工方法，是一種不開挖或者少開挖的管道埋設施工技術。由于其在穿越交通工程施工中的眾多優(yōu)點而逐漸被廣泛應用，本論文主要介紹了頂管的設計方法和頂管的施工注意事項，對于進一步提高頂管設計和施工水平具有一定借鑒意義。 </p><p>　　關鍵詞：南水北調配套； 頂管 ；穿越公路； 輸水管

2、線 </p><p>　　Abstract: the pipe jacking technology is non excavation construction method, is a kind of pipeline without excavating or less excavation of buried construction technology. Because of its many adv

3、antages in through traffic engineering construction and is becoming widely used, this paper mainly introduces the construction design of pipe jacking method and matters needing attention, to further enhance the level of

4、design and construction of pipe jacking has certain reference significance </p><p>　　Keywords: South to North Water Transfer Project; pipe jacking crossing the highway; water pipelines; </p><p>

5、　　中圖分類號：文獻標識碼：A 文章編號：2095-2104（2012 </p><p>　　項目背景：保定市南水北調配套工程水廠以上輸水管道工程是南水北調工程的重要組成部分，是省政府確定的重點工程，2014年建成通水是省委、省政府做出的重大決策。建設南水北調配套工程是解決保定市市水資源供需矛盾的必須之舉。 </p><p><b>　　工程概況 </b></p

6、><p>　　保定市南水北調配套工程水廠以上輸水管道工程第二設計單元主要為保定市（鄭家佐）、滿城縣、大王店產業(yè)園區(qū)共計3條輸水管道，線路長度約24.205km，管線規(guī)模7.26m&sup3;/s～0.74m&sup3;/s，供水目標為保定市區(qū)、滿城縣、大王店產業(yè)園區(qū)。主要設計包括箱涵工程、管道工程，及穿鐵路、高等級公路頂管工程等。本論文詳細介紹保定市北三環(huán)（G107）頂管方案。 </p>

7、<p>　　保定第二水廠輸水管道在保定北三環(huán)口與西二環(huán)交口立西側150米處與保定北三環(huán)交叉，交叉位置公路樁號為K149+006，叉角度為76°。保定北三環(huán)現(xiàn)狀道路等級為一級路，路基寬37米，路面寬（2×12.25）米，綠化帶寬度6m，兩側排水溝寬度10m。采用頂管施工，頂進總長72米，南側設工作坑，北側設接收坑，管頂埋深5.0米，管材采用DN2000 Ⅲ級鋼筋混凝土管，設計荷載等級采用公路Ⅰ級，采用人工手

8、掘式頂進。 </p><p><b>　　一、結構分析計算 </b></p><p>　　1、鋼筋混凝土頂管計算理論及結構配筋計算 </p><p>　　本項目中頂管的施工方式采用手掘式頂管，選用CECS法計算，即頂管時管頂土體將發(fā)生變形，管體外緣處的土體按照主動極限平衡出現(xiàn)裂縫，形成一定范圍的土柱作為計算隔離體，而管頂上土柱荷載通過土體剪力傳

9、遞擴散給兩側土體，由分析豎向力系平衡條件，得出管頂處土體處于主動平衡時的裂線寬度和管頂豎向土壓力計算系數(shù)，用以計算管道結構上的豎向土壓力。 </p><p>　　管道結構設計按照下列兩種極限狀態(tài)計算。(1)承載力極限狀態(tài)：頂管結構縱向超過最大頂力破壞，管壁因材料強度被超過而破壞；柔性管道壁截面喪失穩(wěn)定；管道的管段接頭因頂力超過材料強度破壞。(2)正常使用極限狀態(tài)：柔性管道的豎向變形超過規(guī)定限值；鋼筋混凝土管道裂縫

10、寬度超過規(guī)定限值。 </p><p>　　管道結構的內力分析，均按彈性體系計算，不考慮由非彈性變形所引起的塑性內力重分布。 </p><p><b>　　2、頂進力計算 </b></p><p>　　頂進力為初始頂力與各種阻力之和。 </p><p><b>　　(2-1) </b></p&g

11、t;<p>　　式中：F――頂進力（kN）； </p><p>　　――初始頂力（kN）； </p><p>　　――管外徑（m）； </p><p>　　q――管周邊均布荷載（kPa）； </p><p>　　W――每米管的重力（kN/m）； </p><p>　　――管與土之間的摩擦系數(shù)（）； <

12、;/p><p>　　――管與土之間的粘著力（kPa）； </p><p>　　L――頂進長度（m）。 </p><p>　　在手掘式頂管中，其初始推力為： </p><p><b>　　（2-2） </b></p><p>　　式中：N――標準貫入值。 </p><p>　　為

13、了求出管周邊的均布荷載，我們可先求出管頂上方土的垂直荷載與地面的動荷載，然后把兩者加起來作為管周邊的均布荷載。即： </p><p><b>　　（2-3） </b></p><p>　　式中：――管頂上方土的垂直荷載（kPa）； </p><p>　　p――地面的動荷載（kPa）。 </p><p><b>

14、　?。?-4） </b></p><p>　　式中：――土的容重（kN/m3）； </p><p>　　c――土的內聚力（kPa）； </p><p>　　――管頂土的擾動寬度（m）； </p><p>　　――土的太沙基荷載系數(shù)。 </p><p><b>　　而(2-5) </b>

15、</p><p>　　式中：K――土的太沙基側向土壓系數(shù)（K=1）； </p><p>　　――土的摩擦系數(shù)（）； </p><p>　　H――管頂以上覆土深度（m）。 </p><p><b>　　而（2-6） </b></p><p>　　式中：――挖掘的直徑（m）。 </p>

16、<p><b>　　式中的為： </b></p><p><b>　?。?-7） </b></p><p>　　式中：――汽車單只后輪荷載（=100kN）； </p><p><b>　　i――沖擊系數(shù)； </b></p><p>　　B――車身寬度（m）； <

17、/p><p>　　a――車輪接地寬度（m）； </p><p>　　――車輪分布角度（）。 </p><p>　　按照上述方法計算穿路頂管的頂進力。 </p><p>　　3、工作井、接收井設計 </p><p>　　工作坑形狀一般有矩形、圓形、腰圓形、多邊形等，本項目采用矩形工作坑。 </p><p&

18、gt;　　矩形工作坑的底部尺寸就滿足式（3-1）和式（3-2）要求： </p><p>　　B = D1 + S （3-1） </p><p>　　L = L1 + L2 + L3 + L4 + L5（3-2） </p><p>　　式中：B――矩形工作坑的底部寬度，m； </p><p>　　D1――管道外徑，m； </p>

19、<p>　　S――操作寬度，可取2.4～3.2m； </p><p>　　L――矩形工作坑的底部長度，m； </p><p>　　L1――頂管掘進機長度，當采用管道第一節(jié)管作為頂管掘進機時，對于鋼筋混凝土管，不宜小于0.3m；鋼管則不宜小于0.6m； </p><p>　　L2――管節(jié)長度，m； </p><p>　　L3――輸土工

20、作間長度，m； </p><p>　　L4――千斤頂長度，m； </p><p>　　L5――后座墻的厚度，m。 </p><p>　　工作坑深度應符合式（6.4-3）和式（6.4-4）要求： </p><p>　　H1 = h1 + h2 + h3（3-3） </p><p>　　H2 = h1 + h3+ t +h

21、4 （3-4） </p><p>　　式中：H1――頂進坑地面至坑底的深度，m； </p><p>　　H2――接收坑地面至坑底的深度，m； </p><p>　　h1――地面至管道底部外緣的深度，m； </p><p>　　h2――管道外緣底部至導軌底面的高度，m； </p><p>　　h3――基礎及其墊層的厚底(

22、不應小于該處井室的基礎及墊層厚度)，m； </p><p>　　h4――頂管機進入接收坑后支撐墊板厚度，m； </p><p>　　t ――管壁厚度，m。 </p><p>　　按上述公式要求計算穿路頂管工作坑、接收坑尺寸。 </p><p><b>　　二、施工注意事項 </b></p><p>

23、;　　1、頂管施工系非開挖法施工工程（頂管施工、非開挖（拖拉）法施工），施工單位在施工時，應查明管道周圍情況，加強對路面、周邊建筑物、電桿、管道的觀測及保護。 </p><p>　　2、基坑開挖應控制基底高程，開挖接近基底高程時，宜保留0.1～0.2m厚度，在基礎施工前，以人工突擊快速挖除。嚴格控制超挖，不得擾動原狀土，對于超挖部分應用級配砂石料或低標號混凝土回填夯實。開挖時要做好基坑排水工作，兩側對稱挖排水溝。

24、 </p><p>　　3、基坑圍欄與基坑邊的距離必須大于或等于1.5m。在基坑頂以外2倍開挖深度范圍內不得堆載和重型車輛行駛。基坑開挖期間，基坑邊10m范圍內不得堆放棄土和建筑材料。 </p><p>　　4、基坑開挖后，應進行基槽檢驗?；蹤z驗可用觸探或其他方法，當發(fā)現(xiàn)與勘察報告和設計文件不一致、或遇到異常情況時，應結合地質條件提出處理意見。驗槽合格后方可進行下一道工序的施工。回填基坑

25、時，管頂0.5m以下采用12%石灰土分層回填，管道兩側分層回填密實，壓實后每層厚度為100～200mm，壓實度不小于96%，管頂0.5m以上，地面0.5m以下部分采用原土分層回填，壓實度不小于90%，地面下0.5m內采用原土回填。 </p><p>　　5、應用信息控制法進行基坑施工，應對邊坡土體變形及裂縫進行監(jiān)測，并應采取可靠的防護措施，備足臨時加固的人員、器材。監(jiān)測報警值：邊坡土體最大水平位移30mm，連續(xù)三

26、天超過5mm/d。 </p><p>　　6、頂進作業(yè)應應避開雨季施工，必須在雨季施工時，應做好防洪及防雨排水工作。 </p><p>　?。?）工具管接觸或切入土層后，應自上而下分層開挖，嚴防正面坍塌。必要時可輔以降水或注漿加固等施工措施，以保證土體的穩(wěn)定。頂進過程中，人工在前掏土，整個頂管過程為邊掏土邊頂進。 </p><p>　　（2）在允許超挖的穩(wěn)定土層中正

27、常頂進時，管下部135°范圍內不得超挖，土弧要與管外壁吻合，保持原狀土地基；管頂以上超挖量不得大于15mm；管前超挖應根據(jù)具體情況確定，并制定安全保護措施。 </p><p>　?。?）在頂管掘進機后接入第一節(jié)管道時，頂管掘進機尾部至少須有20-30cm處于導軌上，并應立即進行管道和頂管掘進機的連接。當頂進管道為混凝土企口管道時，應先在頂管掘進機尾部安裝承口鋼環(huán)，與企口管的插口均勻吻合。企口管和鋼承口管

28、道應以插口在前、承口在后的方法排列在頂進軸線方向上。 </p><p>　　（4）當頂進作業(yè)停頓時間較長時，為防止開挖面的松動或坍塌，應對挖掘面及時采取正面支撐或全部封閉措施。 </p><p>　　7、手掘式頂管作業(yè)施工測量控制 </p><p>　?。?）采用手工掘進時，頂管掘進機進入土層過程中，每頂進300mm，測量不應少于一次；管道進入土層后正常頂進時，每頂

29、進l000mm，測量不應少于一次，糾偏時應增加測量次數(shù)。頂進糾偏必須勤測量、多微調，糾偏角度應保持在10′~20′，不得大于0.50°，并設置偏差警戒線。 </p><p>　?。?）頂管掘進機開始頂進5~10m的范圍內，允許偏差應為：軸線位置3mm，高程0~+3mm。當超過允許偏差時，應采取措施糾正。在軟土層中頂進混凝土管時，為防止管節(jié)飄移，可將前3~5節(jié)管與頂管掘進機聯(lián)成一體。 </p>

30、<p>　?。?）頂管掘進機切入土體后，應嚴格控制其水平偏差不大于5mm，其高程應為設定標高加上拋高數(shù)，其數(shù)值可根據(jù)土質情況、管徑大小、頂管掘進機的自重以及頂進坡度等因素確定，以抵消機頭到達接收坑后的“磕頭”而引起的誤差。當出現(xiàn)“磕頭”現(xiàn)象時應迅速調整，必要時應拉回后重新頂進，但必須抓緊時間迅速完成，以減少對正面土體的擾動。 </p><p>　　三、施工監(jiān)控及信息化管理 </p>&

31、lt;p>　　施工監(jiān)控包括對頂進管涵的測量監(jiān)控，頂進過程中對公路路面的監(jiān)控，以及為保證公路穩(wěn)定而必須進行的掌子面、管涵自身結構情況、基坑等的監(jiān)控。對施工監(jiān)控的成果進行信息化管理，出現(xiàn)異常情況時管理系統(tǒng)能及時準確地做出反應，快速地根據(jù)情況采取強有力的措施。 </p><p><b>　　1、測量監(jiān)控 </b></p><p>　　在管涵頂進時必須進行嚴格的測量監(jiān)控

32、，以確保管涵施工的精度。根據(jù)測量數(shù)據(jù)通過調整千斤頂?shù)捻斄φ{整管涵的偏位。 </p><p><b>　　2、道面的監(jiān)控 </b></p><p>　　公路路面主要監(jiān)測沉降、水平位移和裂縫。在頂涵施工前在道面頂涵范圍及周邊20m范圍布監(jiān)測點，并對每一測點高程和水平位置詳細記錄，同時觀察記錄道面的裂縫情況，在頂進過程中對這些測點的高程、水平位移和道面的裂縫情況作定時監(jiān)測和

33、頂進時的監(jiān)測。 </p><p><b>　　3、掌子面 </b></p><p>　　隨時觀察監(jiān)測掌子面的穩(wěn)定情況。 </p><p>　　對以上各種監(jiān)控成果，均應及時準確地報告給項目施工總指揮，并對各測量數(shù)據(jù)進行詳細記錄，總指揮對各種信息進行全盤分析，從而迅速做出反應，達到整個項目安全有序地進行。信息化管理流程圖如下：信息化管理流程圖 &l

34、t;/p><p><b>　　四、雷達檢測 </b></p><p>　　頂管施工完成后，應進行雷達檢測。 </p><p><b>　　1）檢測內容 </b></p><p>　　管道四周土體是否密實。 </p><p><b>　　2）測線布置 </b>

35、</p><p>　　本次檢測采用縱向布線，即在管道內上下左右布設四條測線。在檢測過程中發(fā)現(xiàn)的異常部位，根據(jù)實際情況適當進行加密測量。 </p><p>　　3）探測方法與原理 </p><p>　　地質雷達是一種寬帶高頻電磁波信號探測方法，它是利用高頻電磁波（主頻為數(shù)十至數(shù)百乃至數(shù)千兆赫）以寬頻帶短脈沖形式，由地面通過天線傳入地下，經(jīng)地下地層或目的物反射后返回地面

36、，被另一天線接收。脈沖波旅行時間為T。當?shù)叵陆橘|的波速已知時，可根據(jù)測到的準確T值計算反射體的深度。雷達的工作原理及其探測方法見下圖。 </p><p>　　地質雷達主要利用寬帶高頻時域電磁脈沖波的反射探測目的體。 </p><p><b>　　由公式 </b></p><p>　　雷達根據(jù)測得的雷達波走時，自動求出反射物的深度z和范圍。 &l