頂管工藝在污水處理工程中的應(yīng)用

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         頂管工藝在污水處理工程中的應(yīng)用
摘 要：頂管施工技術(shù)近年來在我國發(fā)展迅猛。市政工程中采用頂管施工可以將作業(yè)面 移入地下，從而避免了對(duì)地面交通的影響。只要施工前選線合理，施工方法恰當(dāng)，構(gòu)筑物并不妨礙施工的正常進(jìn)行。本文就頂管施工工藝以及在污水處理中的應(yīng)用作了簡要闡述，并展望以后頂管法日漸成熟，可成為市政建設(shè)中的一種常用工藝。
  一、引言
  隨著人們環(huán)保意識(shí)的提高，城市對(duì)污水處理的要求越來越嚴(yán)格，污水處理廠外收集系統(tǒng) 工程截污管道大量增加，由于截污管道較長，經(jīng)過的地質(zhì)條件以及現(xiàn)場(chǎng)條件較為復(fù)雜，施工 時(shí)無法明溝開挖埋管時(shí)，頂管法可成為有效的補(bǔ)充。我司在順德區(qū)大良施工地下排污管采用 此方法施工，不但能保證施工安全，而且集市區(qū)舊房不受任何影響，達(dá)到預(yù)期的效果。
  二、頂管法施工適用條件
  在污水管道直徑較大（Φ600mm以上），施工現(xiàn)場(chǎng)無法有采用明溝開挖埋管施工而管道 沿線又無其它建筑物基礎(chǔ)時(shí)，可考慮采用使用頂管法施工。
  三、頂管法施工的原理
  頂管法施工原理是在管道的沿線按設(shè)計(jì)的方案設(shè)置工作井和接收井，工作井內(nèi)設(shè)置堅(jiān)固 的后座，吊進(jìn)油壓千斤頂以及要頂進(jìn)的鋼管或混凝土管，接好照明，泥漿管，油管等管線， 然后用油壓千斤頂緩慢頂進(jìn)，通過壓漿系統(tǒng)使管節(jié)周圍形成泥漿套，管道在泥漿套中滑行， 在頂進(jìn)的過程中通過激光經(jīng)緯儀測(cè)量頂管的方向，邊頂進(jìn)邊排土邊調(diào)整，直至將鋼管或混凝 土管頂至接收井內(nèi)。
  四、頂管的施工
  1、工作井及接收井、檢查井施工，根據(jù)地質(zhì)情況及現(xiàn)場(chǎng)條件，采用合適的支護(hù)方式開 挖，然后盡快做好底板及壁板混凝土，并進(jìn)行頂管所需的后靠背混凝土以及土體的強(qiáng)度復(fù)核 ，確定混凝土以及鋼板墊塊的厚度。這是管節(jié)能否順利頂進(jìn)的關(guān)鍵。
  2、油壓千斤頂?shù)醴啪臀?，軌道安裝。
  3、管節(jié)的選用、安裝：管節(jié)必須全面檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)外觀有缺陷的一律禁止使用。管道吊 放前上好橡膠止水圈。將管節(jié)吊放在軌道上，安放環(huán)形頂鐵，緩慢推進(jìn)，讓接頭平順對(duì)接。 如發(fā)現(xiàn)有破壞、翻轉(zhuǎn)、出槽等現(xiàn)象，必須退出管節(jié)重新更換、調(diào)整橡膠圈，重新安裝對(duì)接。 接頭對(duì)好后，繼續(xù)開動(dòng)液壓千斤頂將管節(jié)頂進(jìn)。
  4、管節(jié)頂進(jìn)
  a.頂進(jìn)的流程為：
  b.頂進(jìn)的阻力主要為正面阻力、管道周邊摩阻力兩部分組成。
  為減少頂進(jìn)正面阻力，頂進(jìn)的機(jī)頭可改良為尖鉆頭。
  隨著頂管距離的增長，推力上升很快。為避免管節(jié)超過受壓極限破壞，管壁外的減阻是 工程順利完成的必要措施。施工時(shí)采用管節(jié)周圍注觸變泥漿，將管節(jié)與土之間的干摩擦變?yōu)?濕摩擦，達(dá)到減阻的目的。觸變泥漿按膨潤土：燒堿：CMC：水=0.3：0.2：0.01：1的配比 配制后靜置24小時(shí)后使用。施工時(shí)通過壓漿系統(tǒng)從機(jī)頭，前三節(jié)管的注漿孔壓入觸變泥漿， 形成約10mm厚的泥漿套，使頂管在泥漿套中滑行，減少摩阻力。根據(jù)壓力表和流量表，控制 壓漿的壓力約為自然地下水壓的1.1～1.2倍。
  在施工操作時(shí)，必須“先壓漿后頂管，邊壓漿邊頂進(jìn)，停頂進(jìn)勤補(bǔ)漿”的辦法維持泥漿 套的性能。
  c.頂進(jìn)線路的控制
  機(jī)頭自身有一段糾偏段，糾編最大角度范圍能夠達(dá)到上下1.7°左右1.2°。頂進(jìn)線路的 控制主要依靠設(shè)備的正確操作以及預(yù)見性。
  為了使管道按照設(shè)計(jì)要求的高程和方向頂進(jìn)，在頂進(jìn)過程中應(yīng)不斷對(duì)工具管的高程方向 轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，“勤測(cè)勤糾”，根據(jù)測(cè)量反饋結(jié)果，調(diào)整糾偏千斤頂，使機(jī)頭改變方向，從 而實(shí)現(xiàn)頂進(jìn)方向的控制，確保管道按設(shè)計(jì)軸線頂進(jìn)。
  糾偏貫穿頂進(jìn)施工的全過程，盡量做到糾偏在偏位發(fā)生的萌芽階段。
  測(cè)量是采用2″激光經(jīng)緯儀進(jìn)行方向的測(cè)量的，對(duì)于扭轉(zhuǎn)，則由機(jī)頭的角度儀測(cè)出。激 光經(jīng)緯儀經(jīng)校正后，牢固固定在千斤頂端，然后管道的機(jī)頭端安裝反射玻璃，并將測(cè)量的結(jié) 果直接輸出至控制液壓千斤頂?shù)碾娔X上，方便操縱。
  頂管穿墻時(shí)要防止工具管發(fā)生偏差。在穿墻的初期，因入土較少，工具管的自重僅由兩 點(diǎn)支承，其中一點(diǎn)是導(dǎo)軌，另一點(diǎn)是入土較淺的土體。土體支承面上承載力較低，使機(jī)頭容 易下沉。因此，機(jī)頭穿墻時(shí)，在穿墻管下部要有支托，工具管的推進(jìn)要迅速，縮短穿墻管內(nèi) 的土體暴露時(shí)間，以減少安全隱患。
  管道頂出穿墻管及在長度3－4m范圍內(nèi)的偏差是影響全段偏差的關(guān)鍵，特別是出墻洞時(shí) ，由于管段長度短，機(jī)頭重量大，近出洞口土質(zhì)容易受擾動(dòng)等因素的影響，往往會(huì)導(dǎo)致向下 偏，此時(shí)，應(yīng)該綜合運(yùn)用機(jī)頭自身糾偏和調(diào)整千斤頂?shù)淖饔昧狭χ行膩砜刂祈敼芊较颉?
  d.泥土外運(yùn)
  泥屑由泥水系統(tǒng)隨泥漿管排出，在泥漿池過濾土渣并及時(shí)外運(yùn)。
  e.管內(nèi)動(dòng)力及照明
  管內(nèi)動(dòng)力主要用來掘進(jìn)、糾偏、出土及頂進(jìn)，選擇380V動(dòng)力電源。由于管內(nèi)環(huán)境潮濕， 照明必須采用安全低壓照明。采用變壓器變?yōu)?6V安全電壓照明。
  f.頂管注意事項(xiàng)
  注意防止地面的沉降或隆起：在頂管施工沿線按一定間距布設(shè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)頂管頂 進(jìn)施工期間的地面沉降量。
  開挖端面的取土過多或過少，會(huì)造成地面的沉降或隆起。為避免這種不良影響，可采取 以下措施：在壓漿時(shí)要控制好壓力，恰好能平衡“泥漿套”以上土體的壓力。嚴(yán)格控制管道 接口的密封質(zhì)量，防止?jié)B漏。在某些管節(jié)埋藏較淺，離地面不足1.5米的位置，可采用沿管 線局部壓鋼板，上堆砂包加載的形式，防止管節(jié)頂進(jìn)時(shí)觸變泥漿上浮使到泥漿套失效。
  工具管糾偏后，刃腳后形成一個(gè)空隙，管道頂進(jìn)時(shí)周圍的土體會(huì)塌入空隙，造成地面沉 降。為避免這種情況，在頂管頂進(jìn)時(shí)，要及時(shí)測(cè)量，勤測(cè)勤糾，避免大角度糾偏。五、結(jié)束 語
  社會(huì)發(fā)展，人們環(huán)保意識(shí)不斷加強(qiáng)，城市的規(guī)劃越來越嚴(yán)格，城市污水處理量越大，需 要建設(shè)的污水管道不斷增加。過去，人們受施工現(xiàn)場(chǎng)條件控制，很多時(shí)候很難開挖，或無法 穿過河道等困難，污水管道敷設(shè)處處受制。隨著頂管法的日漸成熟，以上問題可迎刃而解， 污水管道的布置可以越來越靈活，可極大滿足人們對(duì)污水處理的要求。頂管法施工將成為市 政工程施工中的一種常用工藝。

手掘式機(jī)械頂管施工方案(節(jié)選）本工程由于頂管種類較多，本方案以單項(xiàng)數(shù)量較大具有代表性的D2000mmF型Ⅲ級(jí)鋼筋混凝土管為例進(jìn)行施工方案的編制，我方擬定為手掘式機(jī)械項(xiàng)管施工。

3．1手掘式項(xiàng)管施工工藝流程

3.1.1頂力計(jì)算與后背設(shè)計(jì)

本工程是將壁板加厚作為千斤頂?shù)暮蟊硥Α?/p>

l后背結(jié)構(gòu)及抗力計(jì)算

后背作為千斤頂?shù)闹谓Y(jié)構(gòu)，要有足夠的強(qiáng)度和風(fēng)度，且壓縮變形要均勻。

所以，應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算。本工程采用組合鋼結(jié)構(gòu)后背，這種后背安裝方便，安裝時(shí)應(yīng)滿足下列要求：使用千斤頂?shù)闹χ行母叨炔恍∮诤蟊掣叨鹊?/3。

頂力計(jì)算

   推力的理論計(jì)算：（以Φ2000mm計(jì)算）

    F=F1十f2

    其中F—總推力

        Fl一迎面阻力    F2—頂進(jìn)阻力

  F1＝π/4×D2×P  (D—管外徑2.5m  P—控制土壓力)

    P＝Ko×γ×Ho

    式中 Ko—靜止土壓力系數(shù)，一般取0.55

        Ho—地面至掘進(jìn)機(jī)中心的厚度，取最大值6m

        γ—土的濕重量，取1.9t/m3

    P＝0.55×1.9×7＝7.31t/m2

    F1=3.14/4×2.5×2×8＝31.4t

  F2＝πD×f×L

    式中f一管外表面平均（根據(jù)頂進(jìn)距離平均淤泥土）綜合摩阻力，取0.8t/m2

    D—管外徑2.5m

    L—頂距，取最大值100m

    F2＝3.14×2.5×0.8×100＝428t。

    因此，總推力F=31.4+428＝459.4t。根據(jù)總推力、工作井所能承受的最大頂力及管材軸向允許推力比較后，取最小值作為油缸的總推力。工作井（Φ2000mm頂管）設(shè)計(jì)允許承受的最大頂力為800t，管材軸向允許推力700t，主頂油缸選用2臺(tái)(或4臺(tái)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況定)300t(3000KN)級(jí)油缸。每只油缸頂力控制在250t以下，這可以通過油泵壓力來控制，千斤頂總推力500t。因此我們無需增加額外的頂進(jìn)系統(tǒng)即可滿足要求。

l后背的計(jì)算

后背在頂力作用下，產(chǎn)生壓縮，壓縮方向與頂力作用方向一致。當(dāng)停止頂進(jìn)，頂力消失，壓縮變形隨之消失。這種彈性變形即象是正常的，頂管中，后背不應(yīng)當(dāng)破壞，產(chǎn)生不允許的壓縮變形。

后背不允許出現(xiàn)上下或左右的不均勻壓縮。否則，千斤頂在余面后背上，造成頂進(jìn)偏差。為了保證頂進(jìn)質(zhì)量和施工案例，施工時(shí)應(yīng)后背的強(qiáng)度和剛度計(jì)算

后靠背受力計(jì)算公式

式中：

R-總推力之反力（一般大于推力的1.2－1.6）

a－系數(shù)（取1.5－2.5之間） ，此處取2

B－后座墻的寬度（M） 此處取4米

γ－土的容重（KN/M3) 

H－后座墻的高度(m) ，此處取4.5米

Kp-被動(dòng)土壓系數(shù) 

c-土的內(nèi)聚力（kPa) 一般情況下取10 

h-地面到后座墻頂部土體的高度（M），此處取5米 

按上式計(jì)算，圓形工作井加護(hù)套后能承受1591.5T頂力＞實(shí)際頂力500T。完全能滿足要求。

3.2．主要設(shè)備的選擇

頂進(jìn)設(shè)備主要包括千斤頂、高壓油泵、頂鐵、工具管及運(yùn)出土設(shè)備等。

(1)   千斤頂

千斤頂是掘進(jìn)頂管的主要設(shè)備，本工程每個(gè)工作井?dāng)M配置4臺(tái)300t液壓千斤頂。

千斤頂?shù)墓ぷ骺觾?nèi)的布置采用四臺(tái)組合式，頂力全力作用點(diǎn)與管壁反作用力作用點(diǎn)應(yīng)在同一軸線，防止產(chǎn)生頂時(shí)力偶，造成頂進(jìn)偏差。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，采用機(jī)械挖運(yùn)土方，管上半部管壁與土壁有間隙時(shí)，千斤頂?shù)闹c(diǎn)作用在管子垂直直徑的1/4~1/5處為宜。

(2)   高壓油泵

由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)油泵工作，選用額定核動(dòng)力為31.5Mpa液壓油泵，經(jīng)分配器，控制閥進(jìn)入千斤頂，各千斤頂?shù)倪M(jìn)油管并聯(lián)在一起，保證各千斤頂活塞的出力和行程一致。

(3)   頂鐵

頂鐵是傳遞和分散頂力的設(shè)備。要求它能承受頂進(jìn)壓力而不變形，并且便于搬動(dòng)。

根據(jù)頂鐵位置的不同，可分為橫頂鐵、順頂鐵和U形頂鐵三種。

(4)   其它設(shè)備

工作坑上設(shè)活動(dòng)式工作平臺(tái)，平臺(tái)用30號(hào)工字鋼梁，上鋪15×15cm方木。工作坑井口處安裝一滑動(dòng)平臺(tái)，作為下管及出土使用。在工作平臺(tái)上設(shè)起重架，上裝電動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)，其起重量應(yīng)大于管子重量。

3.3垂直運(yùn)輸工具的選擇

工作坑的垂直運(yùn)輸?shù)孛媾c工作坑的土方，管道與頂管設(shè)備的垂直運(yùn)輸采用簡易龍門和卷揚(yáng)機(jī)（電動(dòng)葫蘆），并搭設(shè)工字鋼梁作為地面工作平臺(tái)。下管采用汽車式起重機(jī)吊裝。

3.4、頂進(jìn)設(shè)備的選擇

本工程根據(jù)頂力計(jì)算，并結(jié)合實(shí)際情況，采用工作頂力為300t活塞式雙作用液壓千斤頂。千斤頂布置采用單列式。頂進(jìn)時(shí)著力點(diǎn)位置在管子全高的1/2～1/3之間比較合適。千斤頂與管子之間采用頂鐵傳送頂力。頂鐵用型鋼焊拼成各種結(jié)構(gòu)的傳力形式，根據(jù)安放位置和傳力作用不同，用橫鐵和立鐵組合。

3.5、管前挖土與頂進(jìn)

3.5.1、管前挖土

管前挖土是控制管節(jié)頂方向和高程、減少偏差和重要作業(yè)，是保證頂質(zhì)量及管上構(gòu)筑物安裝的關(guān)鍵。

3.5.2、下管

挖土之前應(yīng)先下管，并做好以下幾項(xiàng)工作：

a、檢查管子

下管前應(yīng)先對(duì)管子進(jìn)行外觀檢查，主要檢查管子有無破損及縱向裂縫；端面要平直；管壁無坑陷或鼓泡，管壁應(yīng)光潔。檢查合格后的管子方可用起重設(shè)備吊到工作坑的導(dǎo)軌上就位。

b、檢查起重設(shè)備

起重設(shè)備以檢查、試吊，確認(rèn)安全可靠方可下管。下管時(shí)工作坑內(nèi)嚴(yán)禁站人。當(dāng)距導(dǎo)軌小于50㎝時(shí)，操作人員方可進(jìn)前工作。

c、管子就位

第一節(jié)管放到導(dǎo)軌上，測(cè)量管子中心及前端和后端的管底高程，確認(rèn)安裝合格后方可頂進(jìn)。第一節(jié)管作為工具管，頂進(jìn)方向與高程的準(zhǔn)確，是保證整段頂管質(zhì)量的關(guān)鍵。因此，必須認(rèn)真對(duì)待此項(xiàng)工作。

3.6、管前挖土的長度控制

一般是安排一個(gè)人挖土。為加快工程進(jìn)度，每班兩個(gè)人，輪流開挖。

土方在管內(nèi)可采用電瓶車進(jìn)行，也可采用人力斗車進(jìn)行運(yùn)輸。

土方在工作坑采用電動(dòng)葫蘆進(jìn)行垂直運(yùn)輸。

在一般地段，土質(zhì)良好，挖土?xí)r可超挖30～50㎝。在鐵路道軌下不得超越管端經(jīng)外10㎝，在道軌以外最大不得超過30㎝，同時(shí)應(yīng)遵守管理單位的規(guī)定。

3.6.1、管子周圍超挖的控制

在不允許土下沉的頂?shù)囟危ㄈ缟厦嬗兄匾ㄖ锘蚱渌艿溃?，管子周圍一律不得超挖?/p>

在一般頂管地段，上面允許超挖1.5㎝，但在下面135°范圍內(nèi)不得超挖，一定要要保持管壁與土基表面吻合。

3.7、頂進(jìn)

采用2臺(tái)300t/臺(tái)的液壓千斤頂作為主頂。頂進(jìn)開始時(shí)，就緩慢進(jìn)行，待各接觸部位密合后，再按正常速度頂進(jìn)。

頂進(jìn)若發(fā)現(xiàn)有油路壓力突然增高，應(yīng)停止頂進(jìn)，檢查原因經(jīng)過處理后方可繼續(xù)頂進(jìn)，回鎬時(shí)，油路壓力不得過大，速度不得過快。

挖出的土方要及時(shí)外運(yùn)，及時(shí)頂進(jìn)，使頂力限制在較小范圍內(nèi)。

3.8安裝工具脹圈

為了有利于導(dǎo)向，頂進(jìn)的前數(shù)節(jié)管中，在接口處應(yīng)安裝內(nèi)脹圈，通過背楔或調(diào)整螺栓，使用脹圈與管壁緊成為一個(gè)剛體。脹圈一定要對(duì)正接口縫隙。安裝牢固，并在頂進(jìn)中隨時(shí)檢查調(diào)整。

3.9測(cè)量與校正

a、測(cè)量

在頂?shù)谝还?jié)管（工具管）時(shí)，以及在校正偏差過程中，測(cè)量間隔不應(yīng)超過300㎜，保證管道入土的位置正確；管道進(jìn)入土?xí)嫱ㄖ蟮恼ｍ斶M(jìn)，測(cè)量間隔不宜超過1000㎜。

中心測(cè)量：頂進(jìn)長度在600㎜范圍內(nèi)，可采用垂球拉線的方法進(jìn)行測(cè)量。要求兩垂球的間距盡可能的拉大，用水平尺測(cè)量頭一節(jié)管前端的中心偏差。一次頂進(jìn)超過600㎜采用經(jīng)緯儀測(cè)量。

高程測(cè)量：用水準(zhǔn)儀及特制高程尺，根據(jù)工作坑內(nèi)設(shè)置的水準(zhǔn)點(diǎn)，標(biāo)高（設(shè)兩個(gè)），測(cè)頭一節(jié)管前端管內(nèi)底高程，以掌握頭一節(jié)管子的走向趁勢(shì)。測(cè)量后應(yīng)與工作坑內(nèi)另一水準(zhǔn)點(diǎn)閉合。

激光測(cè)量：用激光經(jīng)緯儀安裝在工作坑內(nèi)，并按照管線設(shè)計(jì)的坡度和方向調(diào)整好，同時(shí)在管內(nèi)裝上標(biāo)示牌，當(dāng)頂進(jìn)的管道與設(shè)計(jì)位置一致時(shí)，激光點(diǎn)即射到標(biāo)示牌中心，說明頂進(jìn)質(zhì)量無偏差，否則應(yīng)根據(jù)偏差量進(jìn)行校正。

全段頂進(jìn)完后，應(yīng)在每個(gè)管節(jié)接口處測(cè)量其中心位置和高程，有錯(cuò)口時(shí)，應(yīng)測(cè)出錯(cuò)口的高差。

b、校正（糾偏）

頂管誤差校正是逐步進(jìn)行的，形成誤差后不可立即將已頂好的管子校正到位，應(yīng)緩緩進(jìn)行，使管子逐漸得位，不能猛糾硬調(diào)，以防產(chǎn)生相反的結(jié)果。常用的方法有以下2種：

超挖糾偏方法：偏差為10～20㎜時(shí)，可采用此方法，即在管子偏向的反側(cè)適當(dāng)超挖，而在偏向側(cè)不超挖甚至留坎，形成阻力，使管子在頂進(jìn)中向阻力小的超挖側(cè)偏向，逐漸回到設(shè)計(jì)位置。

千斤頂糾偏法：方法基本與頂木糾偏法相同，只是在頂木上用小千斤頂強(qiáng)行將管慢慢移位校正。

3.10管道內(nèi)輔助管道的輔設(shè)

管內(nèi)的輔助管道設(shè)置于管道內(nèi)壁，用鋼架將其有序地固定在管壁上。

a、通風(fēng)設(shè)施：

由于管道頂進(jìn)距離長，埋置深度深，管道內(nèi)的空氣不新鮮，加上土體中會(huì)產(chǎn)生有害氣體，因此，必須設(shè)置供氣系統(tǒng)。通風(fēng)設(shè)施用一臺(tái)柴油空壓機(jī)將壓縮空氣輸入空氣濾清器，再進(jìn)入儲(chǔ)氣桶，經(jīng)過氣壓調(diào)節(jié)閥，將壓縮空氣傳輸至管道最前端，并將管道最前端的空氣排出，以此進(jìn)行空氣循環(huán)。

b、電源布置：

在頂管過程中，主要的電源為動(dòng)力用電和照明用電。

●動(dòng)力用電

由于頂管機(jī)械設(shè)備采用380V 動(dòng)力電，因此，動(dòng)力電必須做到二級(jí)保護(hù)和接地保護(hù)措施，動(dòng)力電源線設(shè)置在操作人員不易接觸處，并在電源線外增設(shè)護(hù)套，保證用電安全。

●照明用電

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F型鋼承口Ⅲ級(jí)頂管
 

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產(chǎn)品規(guī)格：
Φ800×80×2000
 

Φ900×90×2000
 

Φ1000×100×2000
 

Φ1200×120×2000
 

Φ1350×135×2000
 

Φ1500×150×2000
 

Φ1650×165×2000
 

Φ1800×180×2000
 

Φ2000×200×2000
 

Φ2200×220×2000