頂管技術在市政污水管道工程施工中的應用

【摘 要】 頂管技術作為一種非開挖施工技術，憑借著開挖量少、容易審批、對交通干擾小、施工速度快等優勢而廣泛被應用到市政管道工程中。本文以市政污水管道工程為例，介紹了頂管技術在管道施工中的應用，指出了頂管施工中的技術難點和質量控制措施，工程取得了較好的效果，為頂管技術在類似工程中的應用積累了施工經驗。

【關鍵詞】 污水管道；頂管施工；頂進；減阻泥漿

城市污水管道作為城市的重要基礎設施，隨著社會經濟發展，污水管道的建設受到了人們的廣泛關注。污水管道一般埋設較深，如采用開挖鋪管技術，對環境污染嚴重，干擾大，破壞性大。而頂管技術是一種非開挖施工技術，是利用液壓油缸從頂管工作井將頂管機和待鋪設的管節在地下逐節頂進、直到頂管接收井的非開挖地下管道敷設施工工藝。與傳統的施工技術相比，它對地面活動影響較小，施工控制嚴格可保證交通暢通，日常活動正常，特別是在穿越鐵路、公路、河流、建筑物等障礙物時可減少沿線的拆遷工作量，節約資金和時間，降低工程造價。因此，頂管技術在市政污水管道工程施工中得到廣泛的應用。

1 工程概況

某污水管道工程沿線地勢變化較大，地面標高為1.51～6.16m，地下水埋深為1.17～2.39m，地下水位標高為0.23～1.19m。工程施工段位于公路主干道，該段設計施工長度為79m，但根據現場實際情況暫定頂進距離為60m。該處混凝土路面標高為6.05m，兩側綠化帶及路堤標高為6.50m，路堤下兩側（南側、北側）地面標高分別為1.60m和2.00m。穿越該處路面的D1550mm污水頂管管道槽底平均標高為－3.99m。管道槽底最淺埋深為5.59m，最大埋深為10.49m，埋深＞10m的長度為45m。

2 主要技術措施

根據施工實際情況和現有地質報告，結合現有頂管施工方案及經驗，確定采用超前小導管注漿固化土體、觸變泥漿減阻頂進、水泥粉煤灰漿液置換回灌等技術。

①超前小導管注漿固化土體

為了保證頂進面在開挖過程中土體不會塌方或產生流沙，開挖前需對前方土體采取超前支護、注漿加固等輔助措施。小導管注漿加固地層技術是通過沿頂管開挖輪廓線外縱向前傾斜安設注漿管，并注入漿液，達到超前加固圍巖和止水的目的，同時小導管還可起到超前管棚預支護作用。

②觸變泥漿減阻頂進

在頂管外圍，邊頂進邊灌很稠的膨潤土泥漿—觸變泥漿，泥漿在管壁和砂礫石間形成一層不透水的膠質防水層，對其施工和使用階段的防水都十分有利，可以使頂管順利進行，且無泥沙涌入。

③水泥粉煤灰漿液置換回灌

為防止管道附近道路、構筑物發生沉降，管道頂進結束后，用水泥與粉煤灰配制成的漿液對觸變泥漿進行置換、回灌，填充管道與原土體間的空隙。

3 主要施工方法

3.1 工作坑后背施工

通過頂力計算已得出工作坑后背承受的最大頂力，因該處工作坑埋深較大，所以用履帶式柴油打樁機夯打鋼板樁來制作工作坑的后背墻。

工作坑后背采用I56c工字鋼，縱橫交替排放，共計25根。此25根工字鋼經履帶式柴油打樁機打入，在其后挖開并澆筑C30鋼筋混凝土支墩（寬為4m，高為3m，下部厚度為1m，上部厚度為2m）。后背工字鋼底高程比管道內底深5m。在后背工字鋼管道頂進方向垂直放置一塊厚為400mm、寬為4m、高為2.5m的由鋼板焊接而成的內部帶加強肋的箱狀靠背鐵，并在靠背鐵背后與工字鋼的縫隙內澆筑混凝土，以保證后背的整體性和垂直性。頂管工作坑平面圖見圖1。

3.2 工作坑滑板、導軌施工

頂進工作坑底板基礎尺寸為6m×4m，基礎為0.30m厚的C40鋼筋混凝土，并預埋0.50m長的10#槽鋼8根（用來固定滑板），基礎下為0.3m厚的碎石，工作坑基礎深于管外皮5～6cm，因滑板厚為2.5cm，管外皮到滑板應有3cm間隙，此厚度（5～6cm）在砌井前用細石混凝土找平。滑板采用2.5cm厚的鋼板（5.5m×4m），鋼板兩側與預埋基礎中的10#槽鋼焊接，滑板與管道坡度相同。導軌采用P50重型鐵路鋼軌，高15.5cm，比滑板長0.5m，與滑板焊接牢固，保證與管道坡度、中線一致。工作坑內設備和頂鐵按下列順序布置：后背鋼筋混凝土→后背工字鋼→靠背鐵→放置在支架上的千斤頂→U型頂鐵→前部環形護鐵→管道→前部工具管及刃角。

前部環形護鐵做法與靠背鐵相同，護鐵由20mm鐵板卷制、加肋焊接而成，與管道圈口結合良好，能夠保護管道在頂進時不破損。前部鋼制工具管起到了管道在頂進時超前注漿、觸變泥漿減阻潤滑以及糾偏的作用，并保護操作者的安全，該工具管由20mm厚的鋼板加工焊接而成，外徑與管道直徑相同，其內部配有8個糾偏頂鎬。

3.3 洞口處理

采用空壓機由小導管注入化學漿對洞口處的土體進行固化，形成尺寸為3.5m×3.5m×3.5m的洞口導向墻，并在墻內預埋直徑大于管外壁4cm的帶有橡膠裙邊的鋼套環，以起到導向和阻漿作用。

3.4 超前小導管

由于頂管所穿越的土體為砂卵礫石，盡管力學性能較好，強度高，但其結構間粘結不夠緊密，自穩時間短、抗剪力差、結構松散、孔隙率大、透水性極強，管道頂進前需在工作面前端頂部布設超前小導管。導管為DN42鋼管，管長為3.5m，小導管頂端為尖錐形以利導管打入巖土壁內，小導管尾端加焊已接有止回閥（如自來水開關）的短鋼管。在管前部2m長度范圍內的管壁上打孔，做成花管，孔徑為12mm，孔距為80mm。將小導管沿工具管刃腳頂端向上傾斜5°，打入土體深度為3m。由于該部位土質孔隙率較大，為保證土體能夠均勻固化，滿足安全施工要求的注漿固化厚度，導管間距為0.3m左右，導管布置在管頂、側面，覆蓋范圍不小于管頂240°左右的范圍，布置小導管間距為0.5m左右。隨后通過小導管向土體內注入水泥—水玻璃漿液（漿液需在現場進行試配，以確定合適的配比）。

3.5 水泥—水玻璃雙液注漿液配制及要求

注漿液采用化學漿液，原料進場后，應在施工現場對原材料進行統一檢驗，合格后方可使用。使用前在現場進行漿液試配，確定凝結時間、滲透半徑、配比等指標。

（1）水泥液配制

水和水泥的配比為1∶1。注漿用水應是可飲用的河水、井水及其他清潔水，不宜采用含有油脂、糖類、酸性大的水、海水和生活污水或工業廢水。注漿用的水泥應采用標號425的普通硅酸鹽水泥，水泥應保持新鮮，一般不超過出廠日期3個月，受潮結塊者不得使用。水泥的各項指標應符合國家標準，并附有出廠質保單，礦渣硅酸鹽水泥和火山灰質硅酸鹽水泥不宜于注漿。

在滿足強度要求的前提下，可用粉煤灰替代一定量的水泥，摻入量應通過試驗確定。為改善漿液性能應在漿液拌制好時加入適量外加劑。如摻入表面活性劑KA可提高漿液擴散性和可泵性能。加入約5%的膨潤土可提高漿液的均勻性和穩定性，防止固體顆粒分離和沉淀。

（2）水玻璃液配制

選購市售的符合國家質量標準的水玻璃，將其稀釋至符合要求的濃度備用。水玻璃∶硫酸∶氯化鈣∶十二烷基磺酸鈉=7∶1∶1∶0.5（質量比），pH值在5左右。

（3）雙液漿的配制

對上述兩種漿液按1∶1的比例進行合理配制，并立即注入。雙液漿的粘度要求＞35s，密度為1.3～1.5g/cm3，初凝時間為2～3min，凝固強度為3～4MPa/2h。

每次配制漿液的數量需與現場注漿速度及所需數量相適宜，防止多配固結而浪費。一個導管注漿時，相鄰導管應打開止回閥讓原來管內貯存的裂隙水從相鄰的導管流出，當相鄰的導管內流出濃漿時停止注漿，關閉相鄰管的止回閥，待達到控制壓力時關閉該管的止回閥。然后在相鄰管接上注漿軟管，打開止回閥進行補壓注漿，待達到控制壓力時停止壓漿并關閉該止回閥。

3.6 頂進施工

吊管就位前必須設專人對管材進行檢驗，并留有記錄，合格方準下管，就位后仔細核對管中心線及管前后端的高程。

①頂進

開始時緩慢進行，待與土接觸部位密合后再按正常頂進速度頂進，管下面90°范圍內和管上部不能超挖，采用隨挖隨頂的方法，每次頂進長度不允許超過20cm。管頂上部240°范圍內平均超挖量宜控制在工具管的管壁外20mm；管底部位120°范圍內不得超挖。人工挖土前，應先將工具管刃口部分切入周圍土體中，挖土程序按自上而下分層進行，管前挖土人員應在管內操作。

頂進中若遇到塌方或遇到障礙、后背傾斜或嚴重變形、頂鐵發生扭曲、管位偏差過大且糾偏無效及頂力突然增大至接近管節端面許可承受的頂力等情況之一時，應立即停止頂進，查明原因，及時采取措施，處理完善后再繼續頂進。

②觸變泥漿和泥漿置換

頂管過程中同步注入減阻泥漿，它是減小頂進阻力、提高頂進速度的重要一環，減阻泥漿采用膨潤土配制而成。膨潤土一般要求膠質價在80以上，膨潤土進場后先測定其膠質價，然后根據膠質價確定配合比。

膨潤土泥漿的拌和時間一般為10～20min。泥漿制備后需靜置24h方可使用，使其充分吸水，膨潤成膠體，其密度以1.2g/cm3為宜。

在工作坑外適當位置設置觸變泥漿池，并將注漿管道預埋、鋪設至工具管前端設置的觸變泥漿注漿孔，頂進施工時同步注入觸變泥漿，并在后部每節混凝土管均布3個注漿孔，在同一斷面上的分布角度為120°，觸變泥漿填充范圍控制在管道上部240°的范圍，其填充厚度為20～50mm。頂進過程中通過各注漿孔持續補漿，以形成穩定、連續的原始漿套。注漿使用擠壓式注漿泵，注漿口壓力控制在0.8MPa左右。

③泥漿置換

由于路面上大量高速行駛的車輛所產生的震動會對路基產生擾動，為防止此主干道發生路基沉陷，需要對一經觸動（搖晃、攪拌、震動或通過超聲波、電流）即隨之變為流體狀態的沒有任何強度的觸變泥漿進行必要的置換。頂管工序結束后，從管內部通過每節管道預留的注漿孔向管外土體注入加固漿液，對土體進行加固。使用的注漿材料為水泥加粉煤灰，水泥∶粉煤灰∶水的配制比例為1∶3∶4。注漿次數不少于2次，兩次間隔時間不大于2h。每兩節管編為一組，第一節管注漿孔注漿，第二節管注漿孔排漿，從管道一端開始，依次進行。

4 結語

本工程在采用頂管技術后，減少了大量的土方開挖工作，降低了市政道路路面開挖賠補費，充分發揮了施工污染小，交通干擾小和減少工期等優勢，竣工驗收，各項結果均滿足要求。雖然在施工中還存在不少技術難題，但是頂管施工優勢還是其他施工技術無法比擬的。因此，在頂管施工中必須不斷總結施工經驗，著眼于改進提高頂管施工技術，為今后市政管道工程的施工積累經驗。

參考文獻

[1] 翟杰.市政工程中污水管道頂管施工技術探析[J].科技資訊，2007年19期

[2] 趙丙輝.頂管施工中的質量控制[J].甘肅科技，2008年第02期