建筑施工中頂管施工技術的使用和特性分析

薛勇

（綏化市工程建設監(jiān)理有限公司慶安分公司，黑龍江 慶安 152400）

非開挖技術是一種目前具有較高的社會經(jīng)濟效果且被廣泛使用的施工技術，它是指通過導向、定向鉆進等手段，在地表極小部分開挖的情況下（一般指入口和出口小面積開挖），敷設、更換和修復各種地下管線的施工新技術，具有對地表損壞小等特點。非開挖技術根據(jù)不同的施工工藝可以分為很多類，頂管施工就是其中的一種。

1 頂管施工概況

頂管施工作為一種非開挖技術，是在盾構施工后大力發(fā)展起來的一種非開挖施工方法。該方法不需要開挖面層就能穿越已有的鐵路、公路、地下管線、地下構筑物和文物古跡等，目前已被廣泛應用在給動力電纜、電力電纜、通信電纜、排水管線和煤氣管線等多種管道的施工當中。

頂管施工是將地表開挖很小的部分的情況下工作的，因此該方法受地質條件的影響比較大，為了滿足不同地層條件，根據(jù)不同國家的實際需要，在該方法發(fā)展的一個世紀以來，人們不斷改進施工設備、研究施工方法，并取得了較大的發(fā)展，現(xiàn)在該技術可以鋪設直徑從500 mm到3.5m的管徑管道，有的甚至可以更大，而頂進距離可以達到幾公里長。

2 頂管施工技術的特點及不足

頂管施工是利用主頂油缸和管道間的中繼環(huán)的推力，把工具管從始發(fā)工作井內(nèi)推入土層并頂?shù)浇邮芫畠?nèi)吊起，同時把緊隨工具管或掘進機的預制管節(jié)埋設在兩個工作井之間。這是一種非開挖鋪設地下管道的方法。一個比較完整的頂管施工主要包含了以下幾大部分：工作坑和接收坑、頂管機、洞口止水圈、頂鐵、主頂裝置、后座墻、基坑導軌、推進用管及接口、輸土裝置、注漿系統(tǒng)、地面起吊設備、測量裝置、中繼站、輔助施工、供電和照明以及通風和換氣。

頂管施工作為非開挖技術中的一種主要包含以下特點：(1)不需要很大的面積的開挖土方，對地面影響和破壞程度較小，因此可穿越鐵路、公路、河流、地面建筑物進行地下管道施工；(2)在頂管施工中工序簡單、設備少、工期短、速度快、造價低；(3)特別適用于軟土或富水軟土層；(4)大直徑、超長頂進、糾偏困難，并且可以在很深的地下鋪設管道；(5)適用于中型管道（1.5～2m）管道施工。

雖然頂管施工存在很多的優(yōu)點，并以此而被廣泛使用，但與此同時它也存在著一定的不足。使用該施工技術會對周圍土層產(chǎn)生移動，即沉降和位移，地面的沉降和移位會使土體的受力情況等發(fā)生變化，從而導致土體發(fā)生移動和變形，當這種影響達到一定程度容易使周邊構筑物產(chǎn)生管線等的安全問題。

并且對于長距離頂管來說，只是用增大主頂油缸推力的方法來提高推進距離是遠遠不夠的，可以通過分段法了解決該問題，既將整個管道分成幾段，在段與段之間設置一些中繼間，并且可以在管環(huán)外注入一些泥漿，當形成泥漿套時就可以減少摩阻力，從而達到增加推進距離的目的。

3 膨潤土泥漿

在頂管施工過程中，可能會因為土層的沉降、移位而對周圍建筑物產(chǎn)生影響，注漿能填補土體內(nèi)部的空隙，降低管壁與土體的摩擦，防止土體坍塌，從而能有效的減少土層移動。因此，為了能順利的將長距離頂管頂進的同時有效的控制沉降，就須要在施工過程中注入泥漿。膨潤土觸變泥漿是頂管施工中較為常見的一種泥漿材料，它能充滿在管節(jié)和泥壁環(huán)形空間內(nèi)，在泥壁土體建立不透水阻隔層，穩(wěn)定土體，防止塌落，形成的環(huán)形泥漿套懸浮管節(jié)，并且膨潤土觸變泥漿可以起到潤滑作用，將頂進管道與土體之間的干摩擦變?yōu)闈衲Σ粒瑴p小頂進時的摩擦阻力，同時在注漿壓力下，減小土體變形，穩(wěn)定隧洞，從而保證頂管推進施工安全高效進行，并且這種泥漿還比較便宜，是最經(jīng)濟和有效的一種，因而被廣泛采用。

3.1 膨潤土泥漿結構

膨潤土泥漿是一種由膨潤土、粉末化學漿糊（CMC）、純堿和水按一定比例配方組成的混合物質。膨潤土是一種以蒙脫石礦物為主、伴有石英、云母等雜質礦物的2:1型膨脹性層狀粘土礦物，其應用性能主要取決于蒙脫石礦物的微觀結構特征。蒙脫石是一種結構有缺陷并具有離子交換、膠體分散、粘結、吸附和催化等性能的礦物，而它的這些應用性能主要受其微觀結構狀態(tài)如層電荷密度、同晶取代等影響。膨潤土通常被分為兩類：鈣基膨潤土和鈉基膨潤土，鈉基膨潤土漿液比同體積的鈣基膨潤土漿液多15~20倍的極薄的硅酸鹽層，這些小且多的硅酸鹽層使得蒙脫石容易形成小粒子的空隙構造，增加了漿液的膨潤性，從而使得該泥漿在觸變以后的流動性和靜止下來的膠凝性、固化性都比較好。因此，一般情況下都選擇鈉基膨潤土作為頂管施工用的膨潤土。

3.2 膨潤土泥漿特性

膨潤土泥漿在具有假塑性流體和塑性流體的流動特性的同時還具有觸變性。觸變性是指膨潤土經(jīng)加水攪拌成為懸浮液后，當懸浮液靜止時分散的薄片狀蒙脫石微粒會絮凝變成凝膠體，當含有這種凝膠體的漿液被攪拌、振動或泵送時，大多數(shù)微粒結構將被分散、破壞，從而轉變成為具有粘性和流動性的膠狀液體，當該液體再次處于靜止狀態(tài)時，又會重新形成凝膠體，這種膠狀液體和凝膠體之間的結構可以發(fā)生無數(shù)次的交替，這一特性稱為觸變性，膨潤土泥漿也因此被稱為觸變泥漿。

3.3 膨潤土泥漿注漿減摩作用原理

膨潤土泥漿的這一觸變特性，讓其能有助于頂進管道在靜止時，則可成為支撐地層的凝膠體，在地層間運動時，以粘性液體減少摩阻力而成為減摩劑，而其具體的減摩作用原理如下所述。

從注漿孔注入泥漿時，泥漿首先填補管節(jié)與周圍土體之間的空隙，從而抑制地層破壞的加劇。當泥漿與土體接觸后，在注漿壓力的作用下，注入的漿液會將水分向土體顆粒之間的孔隙以及泥漿向土體顆粒之間的孔隙中滲透并擴散；當泥漿達到可能滲入的深度后，須經(jīng)過一個短暫的時間讓泥漿靜止下來而變成凝膠體，充滿土體的孔隙，形成泥漿與土壤的混合土體；隨著漿液滲透的增多，泥漿與混合土體之間會形成密集的滲透塊；隨著滲透塊越來越多，在注漿壓力的擠壓作用下，許多的滲透塊之間粘結，形成一個能夠阻止泥漿繼續(xù)滲入土層的套狀物，既泥漿套，泥漿套具備不透水、密實等特點，并能起到一定的支撐、減少摩擦的作用。

合理的注漿可以起到減小土層運動的作用。從注漿孔注入的泥漿首先會填補管節(jié)與周圍土體之間的空隙，進而形成泥漿套，能夠起到支撐隧洞的作用，使開挖的隧洞保持穩(wěn)定，不讓土體坍塌到管道上，從而可以減小地面沉降。由于土體與管道之間被泥漿隔離，使得管道頂進對土體產(chǎn)生的剪切摩擦力大大減小，可以減小深層土體水平移動。在形成泥漿套之后，留在管道與泥漿套的空隙之間的泥漿，在自重作用下會先流到管道底部，隨后向上漲起，從而使得頂進管在整個圓周上被膨潤土懸浮液所包圍，起到保護作用。

當施工開挖對管道周圍土體產(chǎn)生影響，使得部分土體結構遭到破壞而變成松散的土體時，注入膨潤土泥漿，它就可以滲入土層的孔隙內(nèi)，充滿孔隙，使其成為有效應力壓實土體，并且泥漿的液壓能夠起到支撐、保持穩(wěn)定隧洞的作用。

頂管施工能很好的減少對地表的損壞，并且能有效的減少對已建好設施的影響，而膨潤土泥漿因為其特有的觸變性可作為減少摩阻力的減摩劑，這就從一定程度上，有效的提高了頂管施工的安全性能，確保頂管施工的實現(xiàn)，增大了頂管施工的范圍。

[1]李家鑫，于庭偉.頂管施工技術在市政工程中的應用［J］.重慶建筑，2007，07,25.