中继顶压站在长距离顶管施工中的应用

陈滨
（镇江市污水截流工程指挥部办公室，江苏 镇江 212003）

　　摘要：介绍了一种长距离顶管施工的改进工艺——中继顶压站的施工工艺、技术参数及施工器具等，总结了该工艺在城市地下管网工程改造中的应用经验。
　　关键词：顶管；中继顶压站；施工
　　中图分类号：TU992.24
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2000)12-0047-02

　　镇江市污水截流工程由中国市政工程华北设计研究院设计，该工程由新铺28.5km截流管道和7座提升泵站组成，其中部分截流干管将在市区狭窄道路和交通繁忙地段路面下铺设。1998年5月在实施市区环城路DN1400截流管道过程中，遇到一段长约450m、宽仅15m，车流量很大的路段，该处管道设计埋深在7m左右，如采取路面大开挖的方法，将实行交通全封闭施工，且在基坑开挖过程中还需对路面上原DN700的自来水输水管和一雨水涵管进行保护。经分析各种因素和对工程费用进行综合比较，决定在该段采用顶管法施工，在顶管过程中增设中继顶压站以减少顶管工作井的数量，尽可能少占交通路面。

　　1 中继顶压站的作用原理

　　在顶管施工中，可通过外表面光滑的管道或正确利用膨润土悬浮液作为润滑介质以降低摩擦系数，从而大大降低推顶阻力，以便能够加长推顶距离。但是在管道被顶入一定的长度之后，阻力仍会达到管道所不能承受的最大推顶力数值，而中继顶压站的作用是不再使整个管道同时向前推进，只是将管道分段向前推顶。这样，管道的外壁摩擦每次便只发生在正向前移动的那部分管道上，而处于静止状态的那些管道上并不会出现任何管外壁摩阻力。中继顶压站由一些短行程千斤顶组成，这些千斤顶共同产生的推顶力必须达到推动中继顶压站前方的管段所需的数值。

　　2 顶管过程摩阻力的确定

　　根据作用和反作用定律，推顶管路上任意部位的推顶力必须大于或等于该处所受到的推顶阻力之和。推顶阻力由工作面前壁阻力和管外壁摩阻力组成，其中：
　　前壁阻力＝π4·D²顶·B
　　管外壁摩阻力＝π·D·L·M
　　式中　D顶 ——顶头的外径，m
　　　　　D——管道的外径，m
　　　　　L——顶进时管路长度，m
　　　　　B——前壁单位面积阻力，9.8kN/m²
　　　　　M——外壁单位面积摩阻力，9.8kN/m²
　　前壁单位面积的阻力估计为294～588kN/m²，(取决于土层性质和顶头的结构、状态及摩损程度)，因而将顶头前壁阻力定为1.2×106N。管外壁单位面积摩阻力由于受诸多参数影响，要预先准确地算出单位面积摩阻力的数值是不现实的。预先计算的意义，仅在于得知其极限数值，从而能够据此设计推顶设备，并对管道推顶的限度有所了解。一般在干滑动摩擦情况下，这一单位面积摩阻力最大可达49kN/m²，在本次顶管过程中加注了按一定比例配制的膨润土，以降低管外壁摩阻力，根据以往顶管施工经验，将管外壁单位面积摩阻力定为4.9kN/m²。

　　3 中继顶压站及其顶力的选定

　　本次顶管采用一座顶管工作井双向顶进，一侧顶进280m，另一侧顶进170m，现以280m一侧的顶进为例加以说明。千斤顶在正常推顶情况下，最多只可使用其容许极限数值的70%～80%，从而留有足够的储备，这里取75%。根据摩阻力的推算及所选钢筋混凝土顶管管材的强度，本段顶管共设3套中继顶压站(两用一备)，见图1布置。每套中继顶压站设8台6.86×105N千斤顶，顶管工作井设2台3.92×106N的千斤顶，即每套中继顶压站顶力为75%×(6.86×105)×8＝4.12×106 N；总站顶力为75%×(3.92×106)×2＝5.88×106N，考虑顶管过程中可能遇到障碍物，取安全系数为1.5，则可推算相应中继顶压站前管道顶进过程的摩阻力：

　　1号中继顶压站：1.5×(120+π×1.72×35)×(4.9×10³)＝3.16×10⁶N＜4.12×10⁶N，满足要求。
　　2、3号中继顶压站：1.5×π×1.72×100×(4.9×10³)＝3.97×10⁶N＜4.12×10⁶N，满足要求。
　　3号中继顶压站仅作安全储备用，原则上不用，只有在总顶压站顶力不够时启动。
　　总顶压站：1.5×π×1.72×145×(4.9×10³)＝5.76×10⁶N＜5.88×10⁶N，满足要求。

　　4 中继顶压站的工作方法

　　首先由总顶压站将管道向1号中继顶压站顶进，当顶进一段长度后，启动1号中继顶压站，它将前面的管道连同顶头一起向前顶出一个该中继顶压站千斤顶的顶程［见图2(b)］，后面的中继顶压站和顶管工作井的主千斤顶保持不动，这时1号中继顶压站便支撑在其后面的管道上，直至最后整个管道支撑在顶管工作井主千斤顶上。应当指出，当1号中继顶压站顶出时，其余中继顶压站和主千斤顶都承受着全部荷载，因此必须始终保持所有千斤顶内的油压。当1号中继顶压站完全顶出后，它前面的管道便停止不动，这时必须释放其千斤顶的油压，将液压系统转换为自由回程状态。下一步则是2号中继顶压站开始启动［见图2(c)］，它将第2个管道向前顶出一个该站千斤顶的顶程，这时2号中继顶压站支撑在其后的管道上，与此同时后面的中继顶压站和主压站保持不动，但都承受着全部荷载。最后是总顶压站开始工作，它将2号中继顶压站至总顶压站的管道(包括3号中继顶压站)向前顶进，顶出一个该总顶压站千斤顶的行程［见图2(d)］。当总顶压站千斤顶的顶力不够时，可启动3号中继顶压站，重复以上过程，借助这种交替动作的方法，可将总推力分割开［见图2(a)］，使之成为各次推顶力的总和［见图2(a)至(d)］。

　　5 结语

　　从以上对中继顶压站作用原理的分析可以看出，顶管施工中，在管路上适当增设中继顶压站，可减少顶管工作井的数量，加大一次顶进管道的长度。同时可利用中继顶压站上安置的千斤顶来调节和控制管路的导入方向。
　　采取这种方式，从理论上讲可使顶进管道达到任意长度，但实际上仍存在一定限制。当某一中继顶压站工作时，只是被其所顶的管道向前移动，其他管道则不动，所以顶管总效率大为降低，经济性也随之降低；另一个限制是所有管道在每次卸压时都会发生回弹，造成这种现象的原因是被顶进的每一节管道之间都必须配置弹性垫圈，以避免管端混凝土之间的集中压力，每一个弹性垫圈在受力时都被压缩若干mm，卸压后这些弹性垫圈又都胀开，当垫圈的数目很多时，中继顶压站的行程就有很大一部分要消耗在这种弹性变形上，而无法用来推顶管道。

---

电话：(0511)4438457
收稿日期：2000-06-17