摘 要

摘　要：結(jié)合某熱水供熱管道頂管穿越堤岸工程，對頂管設(shè)計(jì)原則、鋼套管設(shè)計(jì)、工作井設(shè)計(jì)、供熱管道穿管、頂管機(jī)選型、注漿減阻、出土石方案、防滲設(shè)計(jì)以及施工注意事項(xiàng)進(jìn)行了探

摘　要：結(jié)合某熱水供熱管道頂管穿越堤岸工程，對頂管設(shè)計(jì)原則、鋼套管設(shè)計(jì)、工作井設(shè)計(jì)、供熱管道穿管、頂管機(jī)選型、注漿減阻、出土石方案、防滲設(shè)計(jì)以及施工注意事項(xiàng)進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：熱水供熱管道；  頂管；  穿越堤岸

Design of Hot Water Heating Pipe Jacking Engineering through Embankment

Abstract：Combined with a hot water heating pipe jacking engineering through embankment，the design principle of pipe jacking，steel casing design，working well design，insertion of heat-supply pipe，lectotype of pipe jacking machine，grouting drag reduction，unearthed stone scheme，anti-seepage design and malters needing attention in construction are discussed．

Keywords：hot water heating pipe；pipe jacking；through embankment

 

在供熱管道工程的設(shè)計(jì)與施工過程中，經(jīng)常會遇到穿越鐵路、公路、河流等情況，一般采用架空、開挖、定向鉆或頂管穿越等方法。其中架空、開挖的施工方式成本最低，但往往受到城市景觀、安全等因素限制，應(yīng)用的局限性很大。定向鉆穿越、頂管穿越的施工成本較高，卻是對穿越對象影響最小的施工方式，應(yīng)用日趨廣泛。頂管穿越一般需要設(shè)置兩個(gè)工作井，工作鋼管可隨著施工進(jìn)度逐節(jié)焊接，施工作業(yè)面通常較小。因此，在很多情況下，選擇頂管穿越的施工方式是合理的。本文以沂河堤岸穿越工程為例，對熱水供熱管道頂管穿越堤岸的工程設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

1　項(xiàng)目概況

堤岸穿越工程剖面見圖1，圖中數(shù)值單位為m。

 

頂管穿越工程為沂河堤岸穿越工程，穿越點(diǎn)位于沂河小埠東橡膠壩下游，劉家道I-1樞紐上游，距小埠東橡膠壩約1.39km。劉家道口樞紐上游正常蓄水位為60.00m，近期蓄水位59.50m。本項(xiàng)目實(shí)施目的是為了在此處穿越兩根DN 1000mm的供熱管道，穿越長度為150m。

供熱管道軸線設(shè)計(jì)標(biāo)高為49.30m，鋼套管與供熱管道同軸，堤岸自然地面標(biāo)高68.25m，穿越處河道固定河底標(biāo)高為51.88m，固定河床以安山巖為主。地表主要為黏土，土質(zhì)由淺到深依次為素填土、粉質(zhì)黏土、中粗砂、巖層(由安山巖等組成)等。該河道屬于二級河道，采用頂管法施工。為防止河水滲入鋼套管與供熱管道之間的通道，在穿越結(jié)束位置采取橡膠止水圈、黏土截滲環(huán)的防滲設(shè)計(jì)。

2　設(shè)計(jì)

2.1　設(shè)計(jì)原則

頂管管線及工作井的位置根據(jù)供熱管道的走向及鄰近建筑物分布情況，遵照確保沂河大堤及鄰近建筑物安全，與兩岸管網(wǎng)銜接順暢，便于工程施工的原則進(jìn)行布置。在堤岸外側(cè)采用沉井法設(shè)頂管工作井^[1]，堤內(nèi)側(cè)不再設(shè)置接收井，結(jié)合穿越主河床段的圍堰維護(hù)，開挖基坑，取出頂管機(jī)機(jī)頭。

由于本工程是兩根鋼套管同時(shí)頂進(jìn)，為了避免在頂進(jìn)的過程中兩根鋼套管互相影響，根據(jù)CECS246：2008((給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》，兩根鋼套管宜保持3m凈距。

2.2　鋼套管設(shè)計(jì)

①鋼套管內(nèi)直徑

鋼套管是作為供熱管道穿越大堤的通道而設(shè)的，合理選擇鋼套管內(nèi)徑非常重要。供熱管道外護(hù)管外直徑為1155mm，長距離穿管時(shí)，為保證穿管的可靠性，應(yīng)保證供熱管道外護(hù)管外壁面與鋼套管內(nèi)壁面之間的凈距不小于300mm，即鋼套管的最小內(nèi)直徑為1755mm?？紤]到鋼套管內(nèi)人員的作業(yè)高度，鋼套管的內(nèi)直徑選取為2000mm。

②鋼套管壁厚初選

鋼套管壁d的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式為：

d=aDin+Dd　　　    (1)

式中d——鋼套管壁厚，mm

a——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取值范圍為0.010～0.015，取0.01

Din——鋼套管的內(nèi)直徑，mm，為2000mm

Dd——腐蝕余量，mm，取0.5mm

將已知參數(shù)代入式(1)，可計(jì)算得到鋼套管壁厚d為20.5mm，可圓整為20mm。

③鋼套管壁厚校核

校核依據(jù)為鋼套管所能承受的最大頂推力須大于最大頂進(jìn)阻力。

a．鋼套管所能承受的最大頂推力

鋼套管所能承受的頂推力Fs的計(jì)算式為：

 

式中Fs——鋼套管所能承受的頂推力，kN

dc——鋼套管的計(jì)算壁厚，m，為0.02m

將已知參數(shù)代入式(2)，可計(jì)算得到鋼套管所能承受的頂推力Fs為26653kN。

b．最大頂進(jìn)阻力

根據(jù)GB 50268—2008《給排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》第6．3．4條，最大頂進(jìn)阻力Fp的計(jì)算式為：

Fp=pDoLjFk+Ff 　　　　   (3)

式中Fp——最大頂進(jìn)阻力，kN

Do——鋼套管外徑，m，為2.04m

Lj——鋼套管最大頂進(jìn)距離，m，150m

Fk——鋼套管外壁與巖土(參照采用觸變泥漿注漿后的中粗砂)之間的單位面積平均摩擦阻力，kN／m²，取13kN／m²

Ff——頂管機(jī)迎面阻力，kN

頂管機(jī)具有破巖功能(機(jī)頭帶有滾刀)，頂管機(jī)迎面阻力參照巖石掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭推力計(jì)算，Ff的計(jì)算式為：

Ff=nFi 　　　   (4)

n=Dg/2d         (5)

式中n——滾刀數(shù)

Fi——每把滾刀最大承載能力，kN，通常取200kN

Dg——理論開挖直徑，mm，取2080mm

d——刀間距，mm，對于石灰?guī)r、砂巖，取85mm

由式(5)的計(jì)算結(jié)果可知，滾刀數(shù)n取12。將已知參數(shù)代入式(3)、(4)可計(jì)算得到，頂進(jìn)阻力Fp為14938kN。由計(jì)算結(jié)果可知，Fs>Fp因此鋼套管壁厚滿足要求。

2.3　工作井設(shè)計(jì)

工作井長度L的計(jì)算式為：

L=L1+L2+L3+L4+L5 　　   (6)

式中L——工作井長度，m

L1——掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭長度，m，不宜小于0.6m，取1.0m

L2——鋼套管(管節(jié))長度，m，取6.1m

L3——輸土工作間長度，m，取0.5m

L4——千斤頂長度，m，取2.4m

L5——后座墊板厚度，m，取1.0m

由式(6)可計(jì)算得，工作井長度L為11m。工作井采用沉井法施工，沉井常見形式有圓形沉井、矩形沉井、腰圓形沉井、多邊形沉井等。其中矩形沉井底部平面布置靈活，利用率較高，且提供的后背反力比同規(guī)模的圓形沉井大，而且矩形沉井制作方便，施工模板可多次重復(fù)使用。由于該工程需頂進(jìn)平行的兩根鋼套管，所需后背反力較大，最終選取矩形沉井。沉井平面圖見圖2，圖中數(shù)值單位為mm。矩形沉井內(nèi)尺寸(長×寬)為11.0m×10.0m，沉井壁厚為1.1m，下部底板附近的沉井壁厚增至1.2m。

 

2.4　供熱管道穿管

供熱管道穿管前，在鋼套管底部用磚砌成419mm高的平臺，平臺表面抹灰，保證平臺表面平整。在平臺上鋪一層1mm厚的鍍鋅鋼板，在供熱管道外護(hù)層外包覆一層0.5mm厚的鍍鋅鋼板保護(hù)供熱管道。穿管結(jié)束后，供熱管道與鋼套管之間通過泥漿泵填充黏土，以保護(hù)供熱管道。供熱管道穿管后截面見圖3。

 

2.5　頂管機(jī)選型

頂管穿越地層主要由安山巖、粉砂巖、礫巖等組成，根據(jù)地質(zhì)勘察提供的參數(shù)，穿越巖層的飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為10～30MPa，屬于軟巖，適合選用泥水平衡巖石頂管機(jī)。由于需要對巖石進(jìn)行破碎，因此在頂管機(jī)機(jī)頭上布置了滾刀，滾刀的刀刃部分鑲有超硬合金刀片，耐磨性能極好，允許擠壓力高，對巖石的切入量較大。滾刀在破巖時(shí)，當(dāng)對巖石的擠壓力超過巖石本身強(qiáng)度后，合金刀片使巖石破碎，形成一道切削溝槽，刀刃繼續(xù)擠壓至自身擠壓力與巖石強(qiáng)度相等，再往里擠壓，巖石便產(chǎn)生龜裂，向周圍擴(kuò)散，切削溝槽兩側(cè)的巖石剝離破碎。

泥水平衡巖石頂管機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：可從機(jī)內(nèi)更換滾刀，適用于長距離巖石頂管施工。適應(yīng)土質(zhì)范圍寬，適應(yīng)范圍從普通土層到巨卵石、巖盤等混合土層。機(jī)內(nèi)圓錐破碎裝置能有效地進(jìn)行二次破碎，機(jī)頭內(nèi)設(shè)有糾偏系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)調(diào)整頂進(jìn)方向。

2.6　注漿減阻

頂管施工頂進(jìn)距離為150m，必須采取注漿減阻措施，以最大限度地降低頂進(jìn)阻力。降低頂進(jìn)阻力最有效的方法是進(jìn)行觸變泥漿注漿，使鋼套管外形成泥漿潤滑套，從而降低頂進(jìn)阻力。注漿孔在鋼套管上預(yù)留，工具管(配合頂管機(jī)頂進(jìn)的套管)后2個(gè)管節(jié)(單節(jié)長6m)需預(yù)留注漿孔，在頂進(jìn)過程中進(jìn)行同步注漿。此后每12m預(yù)留一排注漿孔，進(jìn)行補(bǔ)漿。注漿以同步注漿為主，補(bǔ)漿為輔。

注漿泵選擇脈動(dòng)小的螺桿泵，流量與頂進(jìn)速度應(yīng)相配。由于頂管距離長，為使全程注漿壓力不致相差過大，注漿管沿線需設(shè)2臺增壓泵以保證壓力均衡。

2.7　出土石方案

泥水平衡巖石頂管機(jī)的出土石采用全自動(dòng)的泥水輸送方式，經(jīng)過機(jī)頭滾刀切削和二次破碎后的土石體，通過在機(jī)艙內(nèi)的攪拌和泥水形成混合體，然后由泥漿泵抽出，通過排泥管排入沉淀池。為保證泥水壓力和排泥通暢，進(jìn)、排泥管道沿線各布置若干臺管道泵加壓。在工作井附近設(shè)置沉淀池，排出的泥經(jīng)沉淀后由自卸汽車外運(yùn)。

2.8　防滲設(shè)計(jì)

①鋼套管外壁觸變泥漿置換

在頂進(jìn)過程中，為減小頂進(jìn)阻力，鋼套管外壁與巖土之間充填觸變泥漿。頂管結(jié)束后，需進(jìn)行觸變泥漿置換，以水泥砂漿置換觸變泥漿，以填充鋼套管外側(cè)超挖等空隙。水泥砂漿置換觸變泥漿時(shí)，采用隔膜泵進(jìn)行加壓，將水泥砂漿壓入鋼套管外側(cè)與巖土之間的縫隙中，輸漿壓力控制在0.2～0.3MPa。置換完畢后，拆除注漿管道，并將鋼套管上的注漿孔封閉嚴(yán)實(shí)。

②鋼套管出口防滲處理

鋼套管與供熱管道之間充填黏土，由于黏土由泥漿泵送入，黏土層密實(shí)度較小，有一定的透水性。為防止鋼套管與供熱管道之間形成滲漏通道，應(yīng)對鋼套管出口采取防滲措施。

頂管結(jié)束后，在鋼套管端口焊接法蘭，用鋼壓板壓上兩道橡膠止水圈，封堵鋼套管與供熱管道之間的透水通道(見圖4)。并在鋼套管出口設(shè)置黏土截滲環(huán)(見圖l)，黏土截滲環(huán)厚15m，其中7.5m包裹鋼套管，7.5m包裹出口供熱管道。

 

3　施工的注意事項(xiàng)

①工作井的施工。工作井的施工必須按照設(shè)計(jì)進(jìn)行，不得偷工減料，以保證工作井有足夠的強(qiáng)度，可以承受頂管機(jī)的作用力。

②圍堰的防水。本工程的接收場所為河道的圍堰內(nèi)，由于河道水位較高，圍堰內(nèi)可能會有河水滲入。因此在施工過程中，必須做好圍堰的防水工作，并設(shè)置降水溝、降水井，使得圍堰內(nèi)地面無積水。

③頂進(jìn)過程中的糾偏問題。第一節(jié)鋼套管頂進(jìn)方向的準(zhǔn)確與否，是整個(gè)頂管工程的關(guān)鍵，要確保入土點(diǎn)和安裝角度準(zhǔn)確無誤，在頂進(jìn)的過程中應(yīng)時(shí)刻注意糾偏^[2]。

④供熱管道外護(hù)層的保護(hù)。在穿管過程中，應(yīng)采用有效的保護(hù)措施，保證外護(hù)層不受破壞。

⑤確保施工安全。由于頂管作業(yè)是在井下進(jìn)行的，出于安全考慮，應(yīng)盡量縮短井下施工的時(shí)間，采取井下通風(fēng)措施，保證井下有足夠的新鮮空氣。制定切實(shí)可行的安全應(yīng)急預(yù)案，把頂管作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)降至最低。

4　結(jié)語

由于進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算與設(shè)備選型，該工程在工作井施工完成后，僅用時(shí)31d，就完成了兩根鋼套管頂管穿越。

 

參考文獻(xiàn)：

[1]王強(qiáng)．熱電廠低溫循環(huán)水供熱工程管理及施工工藝[J]．煤氣與熱力，2013，33(8)：A12-A15．

[2]劉乃銀，楊光發(fā)，張照玉．頂管穿越施工技術(shù)[J]．石油工程建設(shè)，2006，32(5)：33-36．

 

本文作者：臧洪泉  時(shí)研  蘇日暘  王忠元

作者單位：中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司第六設(shè)計(jì)研究院