浅议顶管施工中中继间的设置及闭合措施

浅议顶管施工中中继间的设置及闭合措施
作者：付军建
来源：《城市建设理论研究》2013年第07期
【摘要】长距离顶管施工在我国市政工程的应用越来越广泛，上海青草沙原水南汇支线工程为二根钢管输水管线，沿线管线线路长且地下管线及穿越建筑物多，对顶管施工存在较大风险，长距离顶进应设置中继间，中继间的关键设置是分段克服摩阻力的一种施工技术，通过中继间将管道分段向前推进，使主千斤顶的顶力分散并使每段管道的顶力降低到允许顶力范围内。

管道贯通后中继间被拆除, 对中继间闭合处容易造成管道运行的薄弱环节。

针对本工程钢管顶管中继间闭合可能出现的破坏情况提出了中继间的闭合措施, 以满足管道的正常使用需求。

本文结合顶管实际工程对顶管施工中中继间的设置及闭合措施进行探讨和阐述。

【关键词】中继间布置计算闭合措施
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
1、中继间的工作原理
在顶管施工中, 随着顶进长度的增加, 顶推力将不断增大, 过大的顶推力将导致管道或者后靠背的破坏, 甚至引起顶管工作井的破坏。

克服顶推力的技术主要包括触变泥浆减阻和中继间技术等。

中继间技术, 即在长距离顶管, 特别是超长距离顶管工程中, 将顶进管道分成若干个顶进区间, 并在每个区间设置一个中继间。

每个中继间由多个均匀分布的顶推油钢、特制钢外壳、前后两个特殊顶进管道及加劲环和密封件等组成, 如图1所示。

当所需要的顶推力超过主顶工作站的顶推能力、施工管道或后座装置所容许承受的最大荷载时, 则需在管道上安装中继间以协助主顶工作站的顶进作业。

在顶管的工具头开始顶进施工过程中, 先由中继间按先后次序将管道向前推进油缸行程到位后, 再由主顶工作站的主顶油缸推进最后一个区间管道；这样不断地重复伸缩顶进, 一直把管道从工作井顶到接收井。

图1钢顶管中继间
2、中继间设计原则
钢顶管中继间的设计与使用,结合对实际顶力的分析,提出了如下的设计原则: (1) 中继间设置的设计要考虑以下几个方面的因素: ①首先考虑主千斤顶最大设计顶力,不能超过顶进油缸的总顶力；②考虑管节的允许抗压强度,最大顶力压强不能超过管节的允许抗压强度；③考虑后背墙的最大允许顶力,不能超过后背墙的允许顶力；④考虑一定的安全系数,为了防止遇到各种情况必须留有充分安全的余地。

(2) 中继间设计顶力应采用同种规格且不能大于主千斤顶的最大允许顶力。

(3) 根据此段的实际地质情况,应考虑同种工艺、同种管径的顶管实测数据,尽可能详细掌握沿途顶力变化趋势。

(4) 设计时选择一个较为合理的顶力公式来确定中继间的数目；一般第一个中继间加设位置宜按中继间设计顶力的60 %计算,其余中继间的间隔宜按中继间设计顶力的80 %计算,主千斤顶所能顶推的长度应按最大设计顶力的80%计算。

3、顶进距离控制及中继间布置计算
本工程青草沙南汇支线大治河路惠南段管线为2根DN1800钢管，管道自成农饲料厂西侧的J73井沿大治河路向东至惠南水厂南侧的J76井止，单线总长3470.8m，平均每段顶距约为700m；结构设计包括3座顶管工作坑，分别为J73-1、J74-1、J76井；3座顶管接收坑，分别为J73、J74、J75井。

以J73-1~73为例，单线长为738.56m共设置三个中继间，因考虑到第一环中继间的重要性，机头至第一环为50m；第二环为300m；第三环为388.56m,具体计算如下：
顶管工作井的设计允许最大顶力为4000KN，中继环允许顶力为4000KN（由18个500KN 的油压千斤顶组成），对顶管工作坑的最大允许顶力、管材的允许顶力以及地质情况等因素进行综合考虑，本工程安全系数取60%～80%。

主顶控制顶力：F主=4000×80%=3200KN
中继环控制顶力：F控=4000×70%=2800KN
土的基本參数由于所在土层分别为③1、④层灰色沙质粉土及灰色淤泥质粉质粘土，其土质参数综合取值：γ=16.8KN/m3、C=10Kpa、φ=12.5o，ht=h-1.0=12.85
泥水平衡设备因机壳泥水平衡正面水压力，固r0=r土-r水=7.9
P主=r0httg2（45°-Φ/2）-2C·tg（45°-Φ/2）=49.33（Kpa）
P被=r0httg2（45°+Φ/2）+2C·tg（45°+Φ/2）=182.51（Kpa）
P设= P主+2/3（P被- P主）=138.117（Kpa）
1）顶力估计
F=F0+f×L（f为每m管外壁摩阻力，L为管道长度）
F0—封闭式工具管迎面阻力，F0=π/4·D2·P设
f—考虑注浆工艺时管壁外摩阻力，直线段取 f1=1.2KN/m2 f=f1πd
F0=π/4·D2·P设≈365.66KN
主顶计划顶进距离：L=（F-F0）/f=300m，最大为388.56m
2）第一环中继间顶进距离计算
Pt=r×（h+2/3×D）×tg2（45°+Φ/2）
=16.8×(13.85+2/3×1.836)×tg2(45o+12.5o /2)=393.148KN
F1 =1/4×π×D2×Pt
=1/4×3.14×1.8362×393.148=1040.858KN
L1=(F控-F1)0.8/(πDf)
=(2800-1040.858) ×0.8/(3.14×1.836×1.2)=203.311m
结论：第一环中继间至顶管机头距离小于203.311m
3）中继环之间（主顶至最后中继环）顶进距离计算
管外壁单位长度摩助力：f =f1πd=1.2×3.14×1.836≈6.921KN/m
F= f×L〈2800KN计算值：L＜404.565m
4、中继间闭合措施
1、中继间的构造形式及其存在问题
南汇支线工程采用全线钢管顶管的施工方案,两根管道总长约3.4708 km, 共分为5 个顶管区段，区段顶程为约700m。

为克服长距离顶进施工中顶推力的问题, 各区段均设置了一定数量的中继间。

本工程管道线路长, 因此所使用的中继间数量较多, 构造形式也不一致, 很易出现渗水问题, 所以必须对中继间的闭合采取严格的控制措施。

钢管顶管中继间主要包括顶推油缸、
中继间前位管、中继间后位管、橡胶止水圈、加劲环、加劲板、内封板等构件, 中继间一般根据顶进过程中顶推力控制的要求制作。

南汇支线工程中典型的中继间构造形式如图2所示。

1 中继间前位管
2 中继间后位管
3 顶推油缸
4 橡胶止水圈
5 加劲环
6 加劲板
7 闭合焊缝 8内封板A9 连接焊缝
图2 中继间构造形式
在顶管施工阶段, 当主顶油缸达到其最大顶推能力时, 就需要开启中继间油缸, 进行接力顶进。

在
南汇支线工程中, 中继间的总推力一般控制在9 000 kN。

中继间处的推力主要由图2中的加劲环5和加劲板6承受后传递到管道上, 加劲板6和管道间的焊缝为传递顶推力的主要受力焊缝, 而连接处的焊缝9一般均按构造设置, 焊缝高度在10~ 14mm。

由于焊缝9并非顶进阶段的主要受力构件, 在中继间制作阶段对连接焊缝的质量也未作严格控制。

但是, 当拆除加劲环5、加劲板6等临时设施后, 连接焊缝9和内封板8成为正常运行阶段主要的传力构件, 若处理不当, 将成为正常使用时的薄弱环节, 如图2所示, 中继间将可能在内封板处或者连接焊缝处产生破坏。

如若内封板的厚度太薄, 则在温度荷载或者管外水土压力作用下产生破坏。

最可能出现的则是在连接焊缝9处由于焊缝高度不够或者质量不合格, 在使用阶段各种荷载的作用下使管道在焊缝连接处产生破坏。

连接焊缝9处可能的破坏形式有3种, 分别为加劲环与顶管后位管间连接焊缝破坏、加劲环与内封板间的连接破坏和内封板与前位管间的连接破坏, 如图3所示。

图3 使用阶段可能发生的破坏形式
2、中继间的闭合处理措施
针对上述中继间闭合存在的问题, 为保证整条管道的正常使用, 南汇支线工程对上述中继间形式采取了严格的闭合措施, 闭合后管道的最终状态如图4所示。

1 中继间前位管
2 中继间后位管
3 加劲环(割除后余留)
4 内封板A
5 内封板B
6 闭合焊缝h f1
7 闭合焊缝h f2 8 闭合焊缝hf3
图4 中继间闭合最终状态
中继间闭合实施的步骤如下:
(1)、在中继间内封板的选择上, 不仅考虑顶进阶段的受力情况, 还考虑其运行阶段的受力情况, 根据最不利的工况来确定内封板的厚度。

在中继间闭合处应分析其截面的环向荷载和纵向荷载, 中继间的环向荷载包括管内水重、管道自重、管四周的土压力、管侧土体抗力及和管内水压力；中继间的纵向荷载包括温度力、管道摩阻力以及转弯处因内水压力而产生的纵向拉力等。

经计算, 南汇支线中继间的内封板厚度取为20mm。

(2)、为保证中继间闭合时的安全, 防止在拆除中继间临时橡胶止水装置后管外地下水的渗入, 必须采取注浆止水措施。

这时可利用中继间处在顶管阶段时的预留注浆孔, 向中继间前位管和内封板的环形空隙中压注双液水泥浆, 替换掉顶管时起减阻作用的膨润土触变泥浆。

注浆要均匀密实, 中继间外侧需均匀包裹, 确保管外地下水不能渗入, 为中继间闭合的后续焊缝工作创造一个相对干燥的环境。

(3)、将内封板A 与前位管焊接(闭合焊缝hf1), 焊缝高度20mm。

(4)、内封板B 按长度不小于250 mm, 厚度为20mm, 在厂内卷管后等分為6 ~ 8块, 运至现场拼接分块数量不宜太多, 尽量减少拼接焊缝。

(5)、图4中加劲环3伸入管内的部位分6~ 8等分(与内封板B 逐一对应), 逐段割除, 打磨并清理掉残渣。

(6)、内封板B 两端分别与中继间内封板A 和中继间后位管焊接, 焊缝高度20mm。

(7)、内封板B各子块间采用纵向焊缝相互焊接。

(8)、严格控制中继间闭合处各连接焊缝的焊接质量, 焊缝质量等级不应低于二级, 角焊缝高度不应
低于20mm。

中继间闭合处的连接焊缝均应进行相关的焊接工艺评定, 并对焊缝进行100% 超声波探
伤检测, 不合格焊缝需进行返修。

(9)、关于焊缝缺陷的处理: 凡熔深< 2mm的焊接处均判定为不合格, 并要求测出其熔深不够在焊
缝熔合区的总长度。

对于搭接板熔合线上的缺陷,只要是确认未熔合均作不合格处理, 并进行返修。

(10)、中继间闭合处焊缝经超声波探伤合格后再进行管道内部防腐处理。

5、结束语
青草沙水源地原水工程南汇支线工程在顶管施工中有许多不确定因素，施工前制定了相应的技术方案及应急措施，对各种不利因素进行了认真讨论和分析。

为克服长距离顶进施工中顶推力的问题, 按要求设置了一定数量的中继间。

针对在管道贯通后中继间闭合处容易成为管道正常运行的薄弱环节这一情况, 在南汇支线工程中对中继间的闭合予以了高度重视并采取了严格的闭合措施,以满足管道的正常使用需求。

参考文献
1.马. 谢尔盖, 顶管工程. 北京: 中国建筑工业出版社, 1983；
2.韩选江. 大型地下顶管施工技术原理及应用. 北京: 中国建筑工业出版社, 2008；
3.上海市排水管道通用图PSAR-D-01-92 上海市市政工程管理局，1990；
4.软土市政地下工程施工技术手册上海上海市市政工程管理局，1990；。