摘 要

摘　要：結合某熱水供熱管道頂管穿越堤岸工程，對頂管設計原則、鋼套管設計、工作井設計、供熱管道穿管、頂管機選型、注漿減阻、出土石方案、防滲設計以及施工注意事項進行了探

摘　要：結合某熱水供熱管道頂管穿越堤岸工程，對頂管設計原則、鋼套管設計、工作井設計、供熱管道穿管、頂管機選型、注漿減阻、出土石方案、防滲設計以及施工注意事項進行了探討。

關鍵詞：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計與施工過程中，經常會遇到穿越鐵路、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，應用日趨廣泛。頂管穿越一般需要設置兩個工作井，工作鋼管可隨著施工進度逐節(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計進行探討。

1　項目概況

堤岸穿越工程剖面見圖1，圖中數值單位為m。

 

頂管穿越工程為沂河堤岸穿越工程，穿越點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。本項目實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。

供熱管道軸線設計標高為49.30m，鋼套管與供熱管道同軸，堤岸自然地面標高68.25m，穿越處河道固定河底標高為51.88m，固定河床以安山巖為主。地表主要為黏土，土質由淺到深依次為素填土、粉質黏土、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，在穿越結束位置采取橡膠止水圈、黏土截滲環(huán)的防滲設計。

2　設計

2.1　設計原則

頂管管線及工作井的位置根據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，與兩岸管網銜接順暢，便于工程施工的原則進行布置。在堤岸外側采用沉井法設頂管工作井^[1]，堤內側不再設置接收井，結合穿越主河床段的圍堰維護，開挖基坑，取出頂管機機頭。

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

2.2　鋼套管設計

①鋼套管內直徑

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

②鋼套管壁厚初選

鋼套管壁d的經驗計算式為：

d=aDin+Dd　　　    (1)

式中d——鋼套管壁厚，mm

a——經驗系數，取值范圍為0.010～0.015，取0.01

Din——鋼套管的內直徑，mm，為2000mm

Dd——腐蝕余量，mm，取0.5mm

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

③鋼套管壁厚校核

校核依據為鋼套管所能承受的最大頂推力須大于最大頂進阻力。

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的計算式為：

 

式中Fs——鋼套管所能承受的頂推力，kN

dc——鋼套管的計算壁厚，m，為0.02m

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

b．最大頂進阻力

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

Fp=pDoLjFk+Ff 　　　　   (3)

式中Fp——最大頂進阻力，kN

Do——鋼套管外徑，m，為2.04m

Lj——鋼套管最大頂進距離，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——頂管機迎面阻力，kN

頂管機具有破巖功能(機頭帶有滾刀)，頂管機迎面阻力參照巖石掘進機機頭推力計算，Ff的計算式為：

Ff=nFi 　　　   (4)

n=Dg/2d         (5)

式中n——滾刀數

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

2.3　工作井設計

工作井長度L的計算式為：

L=L1+L2+L3+L4+L5 　　   (6)

式中L——工作井長度，m

L1——掘進機機頭長度，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使用。由于該工程需頂進平行的兩根鋼套管，所需后背反力較大，最終選取矩形沉井。沉井平面圖見圖2，圖中數值單位為mm。矩形沉井內尺寸(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，在供熱管道外護層外包覆一層0.5mm厚的鍍鋅鋼板保護供熱管道。穿管結束后，供熱管道與鋼套管之間通過泥漿泵填充黏土，以保護供熱管道。供熱管道穿管后截面見圖3。

 

2.5　頂管機選型

頂管穿越地層主要由安山巖、粉砂巖、礫巖等組成，根據地質勘察提供的參數，穿越巖層的飽和單軸抗壓強度標準值為10～30MPa，屬于軟巖，適合選用泥水平衡巖石頂管機。由于需要對巖石進行破碎，因此在頂管機機頭上布置了滾刀，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，當對巖石的擠壓力超過巖石本身強度后，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度相等，再往里擠壓，巖石便產生龜裂，向周圍擴散，切削溝槽兩側的巖石剝離破碎。

泥水平衡巖石頂管機具有以下優(yōu)點：可從機內更換滾刀，適用于長距離巖石頂管施工。適應土質范圍寬，適應范圍從普通土層到巨卵石、巖盤等混合土層。機內圓錐破碎裝置能有效地進行二次破碎，機頭內設有糾偏系統，能實時調整頂進方向。

2.6　注漿減阻

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

注漿泵選擇脈動小的螺桿泵，流量與頂進速度應相配。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的出土石采用全自動的泥水輸送方式，經過機頭滾刀切削和二次破碎后的土石體，通過在機艙內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、排泥管道沿線各布置若干臺管道泵加壓。在工作井附近設置沉淀池，排出的泥經沉淀后由自卸汽車外運。

2.8　防滲設計

①鋼套管外壁觸變泥漿置換

在頂進過程中，為減小頂進阻力，鋼套管外壁與巖土之間充填觸變泥漿。頂管結束后，需進行觸變泥漿置換，以水泥砂漿置換觸變泥漿，以填充鋼套管外側超挖等空隙。水泥砂漿置換觸變泥漿時，采用隔膜泵進行加壓，將水泥砂漿壓入鋼套管外側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實。

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，應對鋼套管出口采取防滲措施。

頂管結束后，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

①工作井的施工。工作井的施工必須按照設計進行，不得偷工減料，以保證工作井有足夠的強度，可以承受頂管機的作用力。

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

③頂進過程中的糾偏問題。第一節(jié)鋼套管頂進方向的準確與否，是整個頂管工程的關鍵，要確保入土點和安裝角度準確無誤，在頂進的過程中應時刻注意糾偏^[2]。

④供熱管道外護層的保護。在穿管過程中，應采用有效的保護措施，保證外護層不受破壞。

⑤確保施工安全。由于頂管作業(yè)是在井下進行的，出于安全考慮，應盡量縮短井下施工的時間，采取井下通風措施，保證井下有足夠的新鮮空氣。制定切實可行的安全應急預案，把頂管作業(yè)的風險降至最低。

4　結語

由于進行了詳細的設計計算與設備選型，該工程在工作井施工完成后，僅用時31d，就完成了兩根鋼套管頂管穿越。

 

參考文獻：

[1]王強．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[J]．石油工程建設，2006，32(5)：33-36．

 

本文作者：臧洪泉  時研  蘇日暘  王忠元

作者單位：中國市政工程華北設計研究總院有限公司第六設計研究院