论文部分内容阅读
摘要：廊涿干渠穿松兰公路顶管施工，工作坑开挖尺寸的计算，工作坑的支护，顶管后背墙断面尺寸的计算与布置，管道如何顶进及纠偏措施。
关键词：开挖支护；后背墙；填土；处理
中图分类号：U213.1+57文献标识码:A
一、 概述
南水北调配套工程廊涿干渠工程松兰公路穿越（5+976.726～6+28.568），设计均为DN3200mm顶管穿越，目前涿涞公路正在进行大修，交通中断，我单位经过认真研究，决定抓住有利时机，通过协调当地交通部门，将涿涞公路穿越改为开挖法施工，其他设计指标不变，同时工程投资也不变化，松兰公路穿越维持原设计，仍为顶管法施工。
本施工区均为砂卵石地层，顶管施工难度很大，本方案如能顺利实施，将大大加快施工进度。
二、顶管前的准备工作
2.1工作坑及接收尺寸
工作坑采用矩形坑，尺寸应满足下列公式要求：
底宽B = D1 + S
底部长度L = L1 + L2 + L3 + L4 + L5
式中：D1——管道外径，雙排管道按双排管外边距计算，为11.68m；
S——操作宽度，可取2.4～3.2m，取2.4m；
L1——管子顶进后，尾部压在导轨上的最小长度，取0.5m；
L2——管节长度，2.5m；
L3——输土工作间长度，1.5m；
L4——千斤顶长度，1.5m；
L5——后座墙的厚度，0.8m。
经计算，工作坑宽度B=14.08m，长度L=0.5+2.5+1.5+1.5+0.8=6.8m，因此工作坑尺寸为宽度14m，长度7m。
接收坑底宽14m，长度6m，两侧1：1放坡。
2.2工作坑开挖支护
工作坑采用挖掘机开挖，土方堆置于工作坑左侧，根据现场查看附近沙坑，本施工区覆土层1m左右，覆土层以下均为砂卵石，砂卵石初期稳定性比较好，因此适当放坡，一次开挖至坑底，开挖后及时进行支护，采用钢木结构支撑，在工作坑四壁竖立木板，木板长度4m，厚度6厘米，竖向支撑，板缝间距不得大于2厘米，并同时作好水平围撑，水平围撑采用30#工字钢焊接，要作到焊接牢固，水平受力均匀，在水平围撑四角处作好斜撑，斜撑角度为45°角。在不影响下管的前提下，斜撑角度适当加大，保证斜撑支点达到最佳受力。垂直距离不得大于1米，水平围撑中间四角处用30#工字钢连接，保持水平支撑的整体性牢固。
为防止工作坑顶管起点处顶管时土方坍塌，基坑挖好后，在顶管处靠坑壁浇筑混凝土防护墙，以顶管中心为中心，现浇4.5m×4.5m混凝土支护墙，厚度40cm，预留出顶管孔，孔径为4.1m的圆孔，上方及两个墙间坑壁喷射混凝土。
2.3工作平台
在顶管工作坑开挖与支护完成后进行工作平台及卷扬机的搭设，顶管工程出土所用的工作支架由架子管搭设，架子固定牢固，搭设完成后安装卷扬机和定滑轮。
2.4导轨安装
本工程采用混凝土木枕基础，混凝土的强度等级为C30，厚度为25cm，浇筑宽度较枕木长50cm，在混凝土内部埋设15cmx15cm的方木作轨枕（方木埋入混凝土的面要包上油毡，便于拆除）此种基础的特点是不扰动地基土，能承受较大的荷载。
导轨采用30Kg/m 钢轨，长度不小于6m，要求光滑直顺。导轨安装中的偏差为1.0mm，采用道钉固定在枕木上。导轨深入工作坑壁50cm，以保证管子顺序连接。导轨宽度 ，D0、D分别为顶进管道外径，内径，经计算导轨宽度为2.12m。
2.5后背墙
2.5.1顶管顶力计算
混凝土管径3200mm，壁厚320mm，管外径3840mm，每米管的重力86.24KN/m，土的容重为18KN/m3，内摩擦角φ取35o，土的内聚力C=10ka，标准灌入数N=4，覆土深度H=4m，顶程L=20m。
⑴总顶力为初始顶力与各种阻力之和，
F=F0+{（πBcq+W）μ’+πBcC’}L
F---总顶力（KN）；F0---初始顶力；Bc---管外径；q---管周边均布荷载（Kpa）；
μ’---管与土之间的摩擦系数；
⑵初始顶力：F0=13.2πBcN=13.2*3.14*3.84*4=636.64KN
⑶掘进直径：Bt=Bc+0.1=3.84+0.1=3.94m；
⑷管顶的扰动宽度:Be= Bt [1+sin(450-φ/2)]/cos(450-φ/2)
=3.94[1+ sin(450-350/2/ cos(450-350/2)
=6.494m
⑸土的摩擦系数：μ=tgφ=tg350=0.7
⑹土的太沙基载荷系数：Ce=1/2kμ/Be*[1-e-2kμH/Be]
=1/0.216*(1-0.629)=1.719m
⑺管顶上方土的垂直载荷：
We=（r-2C/Be）Ce=（18-2*10/7.99）*0.57=25.65（Kpa）
⑻冲击系数：i=0.65-0.1H=0.25
⑼地面动荷载：P=2P’(1+i)/B/(a+2Htgθ)=15.67Kpa
⑽管周边的均布载荷：q=We+P=8.83+38.78=41.32Kpa
⑾管与土之间的摩擦系数：μ’= tg（φ/2）=0.315
⑿总顶力：F=F0+{（πBcq+W）μ’+πBcC’}L
=636.64+[(3.14*3.84*41.32+86.24)*0.315+3.14*3.84*10]*30
=6730.3KN
=686.8吨（力）
顶进20m时的最大顶力为686.8吨（力）
顶力F与顶进距离L的关系见下图：
根据计算结果，顶进过程中需要400t千斤顶两台。
2.5.2后背墙
后背墙要求铲平整，并使壁面与管道顶进方向垂直。后背墙处浇筑C20混凝土，宽度定为4.5m，高度定为3.84m，厚度为0.8m。
后背墙设计承受推力：
作用在土体上的应力为Pred=2h2/（h1+2h2+h3）*P
式中Pred作用在后座土体上的力，KN/m2；
P=V/（b*h2），V为顶进力，KN；b，后座宽度；h2，后座高度；
Pred=2h2*P/（h1+2h2+h3）=2*3.84*6730.3/（4+2*3.84+1）*4.5*3.84
=235.9KN/m2
为了保证后座的稳定，必须满足ep>ηPred
ep，被动土压力，ep=Kp* r*h
η，安全系数，通常≥1.5；h，工作坑的深度，m。
ep=Kp* r*h=3.69*18*7.84=520.7KN/m2；
ep=520.7>ηPred=1.5*342.7=353.9 KN/m2。
因此土体承载力能够满足顶管时顶进力的要求。
2.6护铁及顶铁安装
由于一次顶进长度较小，故选用圆形钢护铁，确保管体安全，保护管子端面，使端面传力均匀，顶铁条用U 形顶铁。
（1）安装后的顶铁轴线与管道轴线平行、对称，顶铁与导轨和顶铁之间的接触面不得有泥土、油圬；
（2）更换顶铁时，先使用长度大的顶铁；顶铁拼装后锁定；
（3）顶铁的允许联接长度，根据顶铁的截面尺寸确定。当采用截面为20cm30cm顶铁时，单行顺向使用的长度不得大于1.5m；双行使用的长度不得大于2.5m，在中间加横向顶铁相联；
（4）顶铁与管口之间采用缓冲材料衬垫，当顶力接近到管节材料的允许抗压强度时，管端增加U形或环形顶铁；
（5）顶进时，工作人员不得在顶铁上方及机侧停留，随时观察顶铁有无异常迹象。
（6）顶铁按受力条件作强度和刚度的设计计算。
（7）顶进应无歪斜现象，安装必须直顺，每次退镐加放顶铁时，应换可能安装的最长顶铁，始终保持连续的顶铁数目为最少。
三、管道顶进
3.1第一节管下导轨上后，测量管子的中线及前后端的管底高程，确认合格后方可顶进，第一节管子作为工具管，其顶进方向的准确精度是保证整段顶管质量的关键。因此要求每顶进0.3米则对管道的中心和高程均测量检查一次，在正常顶进中，每顶进0.5-1米则进行均测量检查一次。
3.2中心线测量一般根据工作坑内设置的中心桩挂设线绳，用特制中心尺进行检查，高程测量用水准仪和特制的水准仪尺进行检查，工作坑内应提前设置2个固定的水准点，以便测量高程时相互闭合。
3.3顶进昼夜三班不停进行，充分发挥机械性能，同时防止由于路途停止磨擦力增加。造成顶进困难，但在顶进过程中遇到下列情况之一，则应停止顶进，并迅速采取措施处理完善后再继续顶进。
3.4顶进每班均应填写施工记录，施工记录应包括顶进长度、顶力数值、管位偏差、校正情況、机械运转情况、土质水位变化及出现的问题和注意事项。交接班时，应用施工记录以文字进行交接。每顶进30-50cm作一次顶进记录，首节管应每30cm记录一次。
3.5在顶入管后开始挖土，计划采用人工挖土，挖出的土，及时运出管外，避免管端因堆土过多而下沉，并改善工作环境。用卷扬机牵引小车在管内进行运土，土运到工作坑后，由起重设备吊运到工作坑外。
3.6管前挖土长度：本工程土质不良，为防止塌方，管端挖土长度应在10cm：由于土层松散，为了防止坍落，保证安全和便于挖土操作，在首节管前端要装管帽，帽檐伸入土长度为0.2m，见下图。
3.7管道顶进施工完成后，使用高压注浆泵向管外注入水泥、粉煤灰浆液填
灌顶管超挖空隙，最大限度减少地面沉降。补浆时由后向前交错压入水泥、粉煤灰浆液。
四、纠偏处理
4.1超挖纠偏法；偏差为1-2 cm时，可采用在管子偏向的反侧适当超挖，而在偏向侧不超挖甚至留坎，形成阻力，使管子在顶进中向主力小的超挖侧偏向，逐渐回到设计位置。
4.2顶木纠偏法；偏差大于2 cm，在超挖侧偏不起作用的情况下可用此法。用园木或方木的一端顶在管子偏向的另一侧向管壁上，另一端斜撑在垫有钢板或木板的管前土壤上，支顶牢固后，即可顶进，在顶进中配合超挖纠偏法，边顶边支。利用顶进时斜支撑的分力产生的阻力，使顶管向阻力小的一侧校正。
4.3千斤顶纠偏法；方法基本同顶木纠偏法，只是在顶木上用小千斤顶强行将管慢慢移位校正。
五、工作坑回填土
工作坑回填土采用开挖土料，回填前将坑底杂物清理干净。回填土中不得含有砖块，石砖及大于10cm的硬土块。回填土应分层进行，层层夯实，每层厚度不大于20cm，按照分区回填要求控制压实度，并做土壤干容重试验。
六、质量管理措施
6.1严格按图纸施工，认真执行施工规范，积极接受现场监理的监督检查，发现问题及时解决；
6.2对职工进行教育，提高职工的质量意识和责任心，制定质量奖惩制度提高职工责任心；
6.3设置专职的质量检查员，认真贯彻三检制度，实行班组自检、互检与专业检查相结合的检查制度，并做好各项检查记录。
6.4顶进工程主要进行方向、高程(“抬头”或“扎头”) 的控制,要控制好这几个方面,必须针对工程的特点(环境、地质、工程情况) 制订相应的预防措施,并在实际顶进过程中加强观测(随时顶进随时观测) ,加强数据的对比,一旦发现有异常情况,立即采取相应的处理措施,以免产生不良后果。
6.5保持工具管底无积水，随时排除，以防止土体基底软化。
6.6顶管交接班时，应交清本班的测量记录，仪器对中，并交清管道轨迹和纠偏趋势。
6.7采取调整正面开挖部位，范围和深度的方法进行纠偏。
6.8发生较大偏差时应分析发展趋势，采取逐步勤调，微调纠正。
6.9顶管用导轨、承压钢板、主千斤顶、组合千斤顶架、油泵等设备性能必须良好，严格按要求装配，使用过程需时时检查调整。
6.10顶管开顶后，要求日夜连续顶进，尽量减少中间停留时间。暂停顶进时正面需作支撑或封闭等措施，并主顶系统、加泥润降系统、纠偏系统之程序停止作业。
关键词：开挖支护；后背墙；填土；处理
中图分类号：U213.1+57文献标识码:A
一、 概述
南水北调配套工程廊涿干渠工程松兰公路穿越（5+976.726～6+28.568），设计均为DN3200mm顶管穿越，目前涿涞公路正在进行大修，交通中断，我单位经过认真研究，决定抓住有利时机，通过协调当地交通部门，将涿涞公路穿越改为开挖法施工，其他设计指标不变，同时工程投资也不变化，松兰公路穿越维持原设计，仍为顶管法施工。
本施工区均为砂卵石地层，顶管施工难度很大，本方案如能顺利实施，将大大加快施工进度。
二、顶管前的准备工作
2.1工作坑及接收尺寸
工作坑采用矩形坑，尺寸应满足下列公式要求：
底宽B = D1 + S
底部长度L = L1 + L2 + L3 + L4 + L5
式中：D1——管道外径，雙排管道按双排管外边距计算，为11.68m；
S——操作宽度，可取2.4～3.2m，取2.4m；
L1——管子顶进后，尾部压在导轨上的最小长度，取0.5m；
L2——管节长度，2.5m；
L3——输土工作间长度，1.5m；
L4——千斤顶长度，1.5m；
L5——后座墙的厚度，0.8m。
经计算，工作坑宽度B=14.08m，长度L=0.5+2.5+1.5+1.5+0.8=6.8m，因此工作坑尺寸为宽度14m，长度7m。
接收坑底宽14m，长度6m，两侧1：1放坡。
2.2工作坑开挖支护
工作坑采用挖掘机开挖，土方堆置于工作坑左侧，根据现场查看附近沙坑，本施工区覆土层1m左右，覆土层以下均为砂卵石，砂卵石初期稳定性比较好，因此适当放坡，一次开挖至坑底，开挖后及时进行支护，采用钢木结构支撑，在工作坑四壁竖立木板，木板长度4m，厚度6厘米，竖向支撑，板缝间距不得大于2厘米，并同时作好水平围撑，水平围撑采用30#工字钢焊接，要作到焊接牢固，水平受力均匀，在水平围撑四角处作好斜撑，斜撑角度为45°角。在不影响下管的前提下，斜撑角度适当加大，保证斜撑支点达到最佳受力。垂直距离不得大于1米，水平围撑中间四角处用30#工字钢连接，保持水平支撑的整体性牢固。
为防止工作坑顶管起点处顶管时土方坍塌，基坑挖好后，在顶管处靠坑壁浇筑混凝土防护墙，以顶管中心为中心，现浇4.5m×4.5m混凝土支护墙，厚度40cm，预留出顶管孔，孔径为4.1m的圆孔，上方及两个墙间坑壁喷射混凝土。
2.3工作平台
在顶管工作坑开挖与支护完成后进行工作平台及卷扬机的搭设，顶管工程出土所用的工作支架由架子管搭设，架子固定牢固，搭设完成后安装卷扬机和定滑轮。
2.4导轨安装
本工程采用混凝土木枕基础，混凝土的强度等级为C30，厚度为25cm，浇筑宽度较枕木长50cm，在混凝土内部埋设15cmx15cm的方木作轨枕（方木埋入混凝土的面要包上油毡，便于拆除）此种基础的特点是不扰动地基土，能承受较大的荷载。
导轨采用30Kg/m 钢轨，长度不小于6m，要求光滑直顺。导轨安装中的偏差为1.0mm，采用道钉固定在枕木上。导轨深入工作坑壁50cm，以保证管子顺序连接。导轨宽度 ，D0、D分别为顶进管道外径，内径，经计算导轨宽度为2.12m。
2.5后背墙
2.5.1顶管顶力计算
混凝土管径3200mm，壁厚320mm，管外径3840mm，每米管的重力86.24KN/m，土的容重为18KN/m3，内摩擦角φ取35o，土的内聚力C=10ka，标准灌入数N=4，覆土深度H=4m，顶程L=20m。
⑴总顶力为初始顶力与各种阻力之和，
F=F0+{（πBcq+W）μ’+πBcC’}L
F---总顶力（KN）；F0---初始顶力；Bc---管外径；q---管周边均布荷载（Kpa）；
μ’---管与土之间的摩擦系数；
⑵初始顶力：F0=13.2πBcN=13.2*3.14*3.84*4=636.64KN
⑶掘进直径：Bt=Bc+0.1=3.84+0.1=3.94m；
⑷管顶的扰动宽度:Be= Bt [1+sin(450-φ/2)]/cos(450-φ/2)
=3.94[1+ sin(450-350/2/ cos(450-350/2)
=6.494m
⑸土的摩擦系数：μ=tgφ=tg350=0.7
⑹土的太沙基载荷系数：Ce=1/2kμ/Be*[1-e-2kμH/Be]
=1/0.216*(1-0.629)=1.719m
⑺管顶上方土的垂直载荷：
We=（r-2C/Be）Ce=（18-2*10/7.99）*0.57=25.65（Kpa）
⑻冲击系数：i=0.65-0.1H=0.25
⑼地面动荷载：P=2P’(1+i)/B/(a+2Htgθ)=15.67Kpa
⑽管周边的均布载荷：q=We+P=8.83+38.78=41.32Kpa
⑾管与土之间的摩擦系数：μ’= tg（φ/2）=0.315
⑿总顶力：F=F0+{（πBcq+W）μ’+πBcC’}L
=636.64+[(3.14*3.84*41.32+86.24)*0.315+3.14*3.84*10]*30
=6730.3KN
=686.8吨（力）
顶进20m时的最大顶力为686.8吨（力）
顶力F与顶进距离L的关系见下图：
根据计算结果，顶进过程中需要400t千斤顶两台。
2.5.2后背墙
后背墙要求铲平整，并使壁面与管道顶进方向垂直。后背墙处浇筑C20混凝土，宽度定为4.5m，高度定为3.84m，厚度为0.8m。
后背墙设计承受推力：
作用在土体上的应力为Pred=2h2/（h1+2h2+h3）*P
式中Pred作用在后座土体上的力，KN/m2；
P=V/（b*h2），V为顶进力，KN；b，后座宽度；h2，后座高度；
Pred=2h2*P/（h1+2h2+h3）=2*3.84*6730.3/（4+2*3.84+1）*4.5*3.84
=235.9KN/m2
为了保证后座的稳定，必须满足ep>ηPred
ep，被动土压力，ep=Kp* r*h
η，安全系数，通常≥1.5；h，工作坑的深度，m。
ep=Kp* r*h=3.69*18*7.84=520.7KN/m2；
ep=520.7>ηPred=1.5*342.7=353.9 KN/m2。
因此土体承载力能够满足顶管时顶进力的要求。
2.6护铁及顶铁安装
由于一次顶进长度较小，故选用圆形钢护铁，确保管体安全，保护管子端面，使端面传力均匀，顶铁条用U 形顶铁。
（1）安装后的顶铁轴线与管道轴线平行、对称，顶铁与导轨和顶铁之间的接触面不得有泥土、油圬；
（2）更换顶铁时，先使用长度大的顶铁；顶铁拼装后锁定；
（3）顶铁的允许联接长度，根据顶铁的截面尺寸确定。当采用截面为20cm30cm顶铁时，单行顺向使用的长度不得大于1.5m；双行使用的长度不得大于2.5m，在中间加横向顶铁相联；
（4）顶铁与管口之间采用缓冲材料衬垫，当顶力接近到管节材料的允许抗压强度时，管端增加U形或环形顶铁；
（5）顶进时，工作人员不得在顶铁上方及机侧停留，随时观察顶铁有无异常迹象。
（6）顶铁按受力条件作强度和刚度的设计计算。
（7）顶进应无歪斜现象，安装必须直顺，每次退镐加放顶铁时，应换可能安装的最长顶铁，始终保持连续的顶铁数目为最少。
三、管道顶进
3.1第一节管下导轨上后，测量管子的中线及前后端的管底高程，确认合格后方可顶进，第一节管子作为工具管，其顶进方向的准确精度是保证整段顶管质量的关键。因此要求每顶进0.3米则对管道的中心和高程均测量检查一次，在正常顶进中，每顶进0.5-1米则进行均测量检查一次。
3.2中心线测量一般根据工作坑内设置的中心桩挂设线绳，用特制中心尺进行检查，高程测量用水准仪和特制的水准仪尺进行检查，工作坑内应提前设置2个固定的水准点，以便测量高程时相互闭合。
3.3顶进昼夜三班不停进行，充分发挥机械性能，同时防止由于路途停止磨擦力增加。造成顶进困难，但在顶进过程中遇到下列情况之一，则应停止顶进，并迅速采取措施处理完善后再继续顶进。
3.4顶进每班均应填写施工记录，施工记录应包括顶进长度、顶力数值、管位偏差、校正情況、机械运转情况、土质水位变化及出现的问题和注意事项。交接班时，应用施工记录以文字进行交接。每顶进30-50cm作一次顶进记录，首节管应每30cm记录一次。
3.5在顶入管后开始挖土，计划采用人工挖土，挖出的土，及时运出管外，避免管端因堆土过多而下沉，并改善工作环境。用卷扬机牵引小车在管内进行运土，土运到工作坑后，由起重设备吊运到工作坑外。
3.6管前挖土长度：本工程土质不良，为防止塌方，管端挖土长度应在10cm：由于土层松散，为了防止坍落，保证安全和便于挖土操作，在首节管前端要装管帽，帽檐伸入土长度为0.2m，见下图。
3.7管道顶进施工完成后，使用高压注浆泵向管外注入水泥、粉煤灰浆液填
灌顶管超挖空隙，最大限度减少地面沉降。补浆时由后向前交错压入水泥、粉煤灰浆液。
四、纠偏处理
4.1超挖纠偏法；偏差为1-2 cm时，可采用在管子偏向的反侧适当超挖，而在偏向侧不超挖甚至留坎，形成阻力，使管子在顶进中向主力小的超挖侧偏向，逐渐回到设计位置。
4.2顶木纠偏法；偏差大于2 cm，在超挖侧偏不起作用的情况下可用此法。用园木或方木的一端顶在管子偏向的另一侧向管壁上，另一端斜撑在垫有钢板或木板的管前土壤上，支顶牢固后，即可顶进，在顶进中配合超挖纠偏法，边顶边支。利用顶进时斜支撑的分力产生的阻力，使顶管向阻力小的一侧校正。
4.3千斤顶纠偏法；方法基本同顶木纠偏法，只是在顶木上用小千斤顶强行将管慢慢移位校正。
五、工作坑回填土
工作坑回填土采用开挖土料，回填前将坑底杂物清理干净。回填土中不得含有砖块，石砖及大于10cm的硬土块。回填土应分层进行，层层夯实，每层厚度不大于20cm，按照分区回填要求控制压实度，并做土壤干容重试验。
六、质量管理措施
6.1严格按图纸施工，认真执行施工规范，积极接受现场监理的监督检查，发现问题及时解决；
6.2对职工进行教育，提高职工的质量意识和责任心，制定质量奖惩制度提高职工责任心；
6.3设置专职的质量检查员，认真贯彻三检制度，实行班组自检、互检与专业检查相结合的检查制度，并做好各项检查记录。
6.4顶进工程主要进行方向、高程(“抬头”或“扎头”) 的控制,要控制好这几个方面,必须针对工程的特点(环境、地质、工程情况) 制订相应的预防措施,并在实际顶进过程中加强观测(随时顶进随时观测) ,加强数据的对比,一旦发现有异常情况,立即采取相应的处理措施,以免产生不良后果。
6.5保持工具管底无积水，随时排除，以防止土体基底软化。
6.6顶管交接班时，应交清本班的测量记录，仪器对中，并交清管道轨迹和纠偏趋势。
6.7采取调整正面开挖部位，范围和深度的方法进行纠偏。
6.8发生较大偏差时应分析发展趋势，采取逐步勤调，微调纠正。
6.9顶管用导轨、承压钢板、主千斤顶、组合千斤顶架、油泵等设备性能必须良好，严格按要求装配，使用过程需时时检查调整。
6.10顶管开顶后，要求日夜连续顶进，尽量减少中间停留时间。暂停顶进时正面需作支撑或封闭等措施，并主顶系统、加泥润降系统、纠偏系统之程序停止作业。