刘斌
青海平兴建设集团有限公司
摘要：为了研究道路工程学中重力下水道管道的管道推进技术和力学效果，分析和计算了管道推进工程过程中的管道应力，并对管道推进力的影响因素进行了分类和详细化。管道推进应力分析和计算分别计算了垂直于管道轴的载荷和管道剪切力，并充分考虑了管道和施工条件。管道推进推力的分析和计算应包括推进阻力和管道推进结构的摩擦阻力两个方面。
关键词：道路工程，顶管施工，力学。
一、顶管施工
顶管施工是不进行挖掘和挖掘的管道铺设工法的无沟工法。管道千斤顶工法是借助工作坑内推进装置产生的推动力，克服管道与周围土壤之间的摩擦，按照设计的倾斜角度将管道推进到土壤中，运送砂土。管道第一段被压到土壤层后，管道第二段继续被压入。原理上，主要借助推进油气缸、管道、中继室之间的推力，将工具管或装载头从工作坑推压至装吊坑。顶管被推压在两个坑洞之间。管道工法是盾构机工程后开发的地下管道工法。不需要挖掘表层，可以通过道路，铁路，河川，地下建筑物，地下构造物，各种地下管道。在管道之间的主要推进油缸和继电器室的推力帮助下，工具管或装载头会被压到井上，以便通过土层从工作轴上推上去。同时，在两个工作坑之间埋设工具管和通往路基的管道，实现了无沟埋设管线的施工方法。
二、技术要点
施工单位的调查人员要去现场观察人们、车辆和交通状况，分析最好的交通转换计划。根据地下管道的分布图，定位排水管、下水道管、电力、煤气、通信、供水等管道，综合研究与建设管道的位置关系。如果重新安排一部分配置的管道，或者暂时关闭，要与相关部门交涉，如果他们不能解决的话，请考虑是否进行设计变更。了解局部土壤层的物理性质，根据情况进行不同的处理。砂层和岩石层有不同的处理方法。明确了砂层的砂量，渐变关系和细度。如果是风化岩的话，必须测试其压缩强度和剪切强度，是否为整体结构或条形结构。水面是否受到潮汐的影响。施工单位应根据实际情况选择最佳工法，掌握各种管道推进工法，综合考虑是否使用微管推进工法，水平挖掘工法，导杆底片工法，平衡管推进应结合困难、风险、成本和其他因素。
施工单位应根据设计图的管线计划进行现场调查，准确定位作业井的位置，决定各推进部的长度。由于作业成本高，需要判定作业井的位置、数量和井的好坏。在决定千斤顶推进线的过程中，设计者必须严格设计推进线，应充分考虑树木的位置、建筑基础和桥墩基础，避免要交叉的障碍物或其他结构。此外，如果在千斤顶深度范围内的土壤层或地下管网复杂且不可避免，则建设单元与设计单元协商减少或提高管件的升降，以减少或避免其他原管线的建设困难。。
三、施工力学效应
顶设计应基于地质学和周围环境条件、管道材料的合理选择、管道填埋深度、井间距、管道千斤顶井结构形式等。管道厚度、管径、管线方向等因素管道上部标高低于建筑物基础底部时，管道底面标高值必须是管道直径的2倍以上，不能通过建筑物基础的影响范围。如果管道推进对建筑基盘产生不良影响，为了保护其必须采取保护措施。相比之下，管道底面标高高于建筑物基础底或相等时，管道底面标高不小于管道直径1倍。
在顶力设计中，负载结构方法是研究管道结构的应力状态的主要方法。这被认为是只有地层对管接头的作用才会产生作用于管接头的负荷。在推进过程中，管道受到一些不同的负载，包括径向和轴向负载。管道推进径向负荷包括自重，上负荷，土负荷。在轴方向上，管道受到渗透阻力、管道与土壤之间的推力、校正插孔的推力和摩擦阻力。推进管道的摩擦阻力是推进力的重要部分。
摩擦阻力直接或间接地受土壤参数，填埋深度，管道直径和管道和土壤接触应力的影响。在管道推进过程中，一般采用触变泥浆减少摩擦的方法，不仅支撑管道而且润滑管道。添加触变泥浆后，膨润土悬浮液包裹千斤顶管接头，管道底部法向力因浮力而减少，摩擦阻力也会减少。
四、施工参数
（1）顶进速度
顶管在建设过程中，为了保证正面出土量均匀以及顶管切口土压力稳定，必须不断调整，以在千斤顶速度、正面土压力和挖掘量之间找到最高的组合值；初始值一般在5mm/min~10mm/min，通常的建设阶段应该控制在20～30mm/min。
（2）出土量
挖掘量的大小直接影响地基下沉。因此，在顶进工法中，尽可能准确地计量各区间的挖掘量，使之与理论上的挖掘量一致，稳定前土块量，控制地基下沉。
（3）触变泥浆配比及注浆量
一般的触变泥浆主要由膨润土和水构成。另外，不同聚合体的添加剂必须根据不同的土块调整触变泥浆的性能，以满足使用条件。在管道推进结构的挖掘工序中，为了形成润滑膜层，必须尽可能均匀地分配浆料。为了确保挖掘效果，注浆量是理论值的3～5倍。
五、顶管施工对地面的形变的影响
在管道推进工法中，包括施工时产生的摩擦、振动等地基损失和施工障碍引起的卸荷扰动，管道推进周边的地基经常沉降。施工结束后，管道推进的土壤再次压密，导致土壤下沉。多年的现场监测表明沉降是不可忽视的。因此，根据管道推进的施工顺序，通过管道推进导致的地面变形可以分为3个阶段：
顶管的正面变形。这一部分的变形是由于在顶管机前面的切割头和振动的干扰，导致土壤中内部应力的重新分布而导致的。土壤中存在地下水时，会引起地下水的排出，使土壤中的土壤粒子被打乱并重新排布。这些扰动会引起一定量的泥土压缩变形，地面会有一点下沉，再加上顶管机顶进时，不论土压平衡顶进还是泥水平衡顶进，如果压力过大或过小，土壤都会被压力顶起或下沉。
顶管顶进时的变形，该部分变形一方面是管道推进的变形，另一方面是由于管道推进机和周围土壤之间的剪切滑动面产生的巨大剪切力产生的变形。在顶进速度高的情况下，对应的剪切应力变大，周围的土的位移变大。另一方面，由于顶管机的直径比顶管的直径稍大，管道推进机周围的土壤通过管道推进机后的管道壁会沿着管道壁移动，这个部分变形的尺寸与间隙尺寸和施工时的挖掘压力有关。。
施工后土体固结沉降变形。该部分变形是顶管顶进完成后, 受扰动的土体发生再固结而引起的地面沉降。
六、顶管施工流程
在进行工程期间，第一步是调查、设置沉井机的中心线，第二步安装最上面的框架和主要的推进装置，然后使用顶管机进行推进。第三步是吊下第三节管道，然后是拼接管道，保证推力接近容许力，再打开继电器环。然后，按照上面的方法继续顶进，最后出洞，顶管机与管道接头分离。
七、结论
顶管过程涉及材料力学、岩土力学、流体力学、弹塑性力学等诸多学科，必须严格控制好顶管推理，而对顶管计算复核能够准确估计顶管的推力。另在封闭的工作仓内加水泥压力平衡地下水压力，是防止泥沙涌入的重要方法。泥水压力一定要合理。压力较小，大量泥沙涌入，会造成路面破坏，地表设施受损；压力过大，会增大主千斤顶负荷，严重的可能产生冒顶现象。此工程必须通过严密的顶管计算，采取先进的顶管设备，才能成功地完成顶管施工工作。
参考文献：
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