广州市固肽玻璃钢有限公司生产的玻璃钢夹砂顶管是在玻璃纤维增强塑料管的基础上为适应地下非开挖顶进施工法而发展起来的一种管道产品。由于顶管施工工艺不仅对穿越软质地段、铁路、公路、河流等障碍物有特殊的实用意义，而且对埋设较深、处于城市闹市区的地下管道施工有显著的经济效益和社会效益，从而被广泛应用于管道的施工。夹砂玻璃钢顶管具有顶力小、顶进精度高、重量轻、耐腐蚀、内壁光滑摩阻系数小、寿命长、管道和接口抗渗性能好等优点，应用越来越广泛。在原材料、生产工艺等方面，顶管和常规的玻璃纤维增强塑料夹砂管有一定的相似之处，但在一些技术要求上也有明显的不同之处。
本文结合某饮水工程顶管项目的执行，介绍了该案例夹砂玻璃钢顶管的设计、制作、施工。
2 项目简介
该饮水工程包括引水工程与水质环境工程两大子项：
2.1 引水工程
开辟城市第二水源，引上游水库水进市区，新建取水、输水和净水工程，改扩建配水管网，提高城市供水安全性和生活用水质标准。取水工程规模95万m3/d，输水管路总长度76km，其中隧洞40.4km，管道35.6km。净水厂设计规模近期30万m3/d;远期60万m3/d。
2.2 水质环境工程
水质环境工程包括新建两座污水处理厂，并改造、建设与其配套的排水管网。其中A污水处理厂工程规格10万m3/d;B污水处理厂工程，一期工程规格16万m3/d的现状，达到国家规定2010年重点城市污水处理率不低于70%的标准。配套该项目的建设需要截污干管及污水压力管道夹砂玻璃钢顶管规格如下：
3 顶管的产品设计
3.1 施工技术要求
(1)极限破坏顶力
极限破坏顶力为管环在均匀轴向力作用下的破坏顶力。极限破坏顶力除以安全系数得到施工容许顶力。极限破坏顶力除以安全系数得到施工容许顶力，不同的施工方案可选择不同的安全系数。泥水平衡方法可选择3倍安全系数；土压平衡方法可选择3.5倍安全系数；人工开挖可选择4~5倍安全系数。
(2)标准长度：有效长度为3米/根。
(3)管材刚度：
环向弯曲刚度SN≥Pa;
初始挠曲性的径向变形率及要求：
(4)管材强度
管身材料及设备轴向抗压强度>62MPa
管端材料及设备轴向抗压强度>100MPa
(5)管口形式：不锈钢套筒联接
(6)连接密封性能测试：设计内压力0.25MPa的1.5倍时，不渗漏.
3.2 产品设计
(1)管身设计：
通过对管道的施工要求的顶力、刚度及玻璃钢材料铺层特性等的分析，通过有限无对管材进行结构受力分析，最终确定夹砂玻璃钢顶管的壁厚及铺层。管体采用典型夹砂结构进行铺层，为了提高管道的强度及提高工艺性能，对管体辅以单向布进行轴向增强，端头范围采用纯玻璃钢进行铺层，提高端头承受和传递向载荷的能力。顶管采用有限元法进行受力分析如图1示：
通过有限元计算，对轴向施加工作顶力，管道的最大组合应变为0.0024，一般控制短时最大允许应变小于0.003，应力为15MPa，较最小轴向抗压强度62MPa有效较高的安全系数，所以设计壁厚及设计铺层满足要求。
(2)接头设计
顶管联接接头设计采用不锈钢套圈以避免套筒局部腐蚀，设计壁厚大于4mm，其需用拉伸强度根据GB150《钢制压力容器》进行选择。不锈钢圈、遇水膨胀胶圈和管头凹槽配合进行弹性密封，对管端凹槽的详细尺寸设计充分考虑胶圈的遇水膨胀量、压缩率、充盈度等指标。
其典型密封结构如图2示：
4 产品制造
夹砂玻璃钢顶管的施工是对于受施工现场客观条件的限制无法采用开挖方式埋设管道而采取的从地下顶进管道的一种施工方法。这种施工方法要求的管材与用埋设法要求的管材有非常大的区别，顶管相对于普通的埋设管的要求要严格多。其制作要点如下：
(1)管道外表面要求平整光滑，只有管道外表面平整光滑，在施工过程中才能减小磨擦阻力和顶力，管道外表面不平势必会造成顶进过程中摩擦阻力增大，从而增大顶力。除管道外表面要求平整外，管道与不锈钢圈之间也要平齐，不能出现明显的高低差，否则同样会增大磨擦力和顶力。因此，顶管的生产是要以控制顶管外径为准，并与不锈钢圈外径保持一致。生产措施上可以考虑管道两端上钢制的挡环，挡环的高度与不锈钢圈的外径一致，以便生产时控制好管外径。
(2)管道端面要平齐，垂直度要好，误差要尽可能小。顶管是靠管端面作为接触面来承受和传递顶力的，端面不平齐、垂直度不好会造成管道端面受力不匀，如局部接解点受力过大，最终会导致顶进施工时局部受力过大而出现顶管端头破裂分层现象。
(3)钢圈采用不锈钢材质，否则必须做好防腐处理。钢圈长时间在外或埋于地下会生锈，从而影响整 体管线的长期使用寿命。
(4)为了防止顶管夹砂层分层破坏，顶管的两端应采用纯玻璃钢制作，以保证有足够的轴向强度和层间强度以承受和传递顶力。
(5)因顶管壁厚大，所以生产时间很长，故生产顶管的配方要小，否则会出现固化分层、炸裂或纤维浸润等不良现象。
(6)顶管的模具精度要保证，顶管外表面要求光滑，锥度不能过大，因顶管是控制外径的，所以模具的锥度对管道的外径偏差有直接的影响，模具直径的最大与最小差值易控制在3-5mm以内。模具的偏心也应严格控制以方便控制外径(偏差在3mm以内)。
(7)制作设备必须考虑收尘措施，否则车间环境将会受到很大影响。可采用水洗 或移动式吸尘。
5 顶管施工技术 顶管施工技术就是在不需要开挖面层，借助于主顶油泵的推力，把工具箱或掘进机从工作坑内穿过土层，与此同时，也就把紧随着工具箱或掘进机的顶管埋设在土层中的施工方法。顶管施工技术主要分为手掘式顶管施工、泥水式顶管施工、土压式顶管施工、气压式顶管施工等。顶管施工技术所用的主要设备主要有主顶油缸、油泵、顶柱、导轨、控制阀门、浆液搅拌机、控制室 等。在该工程案例采用的是手掘式顶管施工，并在管外壁注浆润滑减小顶进阻力。顶进施工的一般准备要求如下： (1)玻璃钢顶管可在厂内一端套好胶圈及钢圈，施工时再将另一端套上胶圈。施工时向前插入前面的顶进头或前一根玻璃钢顶管的钢圈承口中，钢圈和橡胶圈构成了接头密封形式，钢圈还可以使前后推进的管道头部对剂，也可以保证接头有足够的刚度并起到导向的作用。 (2)每根顶管应在其一端在圆周每隔120度均布3个注浆孔，以便施工时浆液注入。浆液的作用是减小土层与管道之间的摩擦力，增加润滑，使管道更加容易的被顶进，从而使主顶油缸用力较小，减少管道损坏的概率。注浆机需要带有螺纹，以方便注浆管联接。也可以根据现场的情况调整注浆孔的使用量，视顶进难易程度间隔1-2根管道进行注浆润滑。 (3)钢套环接口要求无疵点，焊接接缝平整且需进行外部防腐处理。铁圈的外径要求与管道外壁一致，刚套环最好使用不锈钢材料。 (4)在顶管的工作过程中，还应有一根管子直接通到掘进室内，用来送入新鲜的空气，以方便空气的流通，工人呼吸。 顶进施工的一般步骤如下： (1)施工时，主顶油箱和油泵都安装在钢板后背上，钢板后背靠在墙上，掘进室先放在导轨上。 (2)由工人在掘进室中挖土，挖出的土由运土斗运到工作坑，由吊车把运土斗吊出工作坑，将掘进机靠顶柱伸缩从工作坑内顶进穿过土层。 (3)随后玻璃钢顶管跟进。顶铁应置于主顶油泵和玻璃钢顶管之间，以便把主顶油泵的推力较均匀的分布在所顶管子的端面上。 (4)在工作坑上面预先配制好浆液，并用管子将浆液和注浆相连以便随时注浆，在顶管前进之前，通过注浆孔向管道和土层的缝隙中注浆，直到继隙被充满浆液为止。当注浆孔不用时，可暂用一个UPVC的六角螺母盖将注浆孔封住，施工结束时可用手糊玻璃钢将注浆孔封死。 (5)通过油缸前进实现顶管前进，待前面的管道顶进之后，由吊车把后续管道吊入工作坑中，由油泵把管道顺着导轨顶进，直到与前面一根管子紧密连接为止。两根玻璃钢顶管之间应垫上纤维板以平衡过渡和分布顶力。 (6)如此循环操作到所有的管道全部顶完为止。 |