試談頂管施工技術在水利工程中的應用

沈印

（安徽水利開發有限公司，安徽蚌埠 233000）

0 引言

頂管施工技術是一種非開挖或少開挖的管道埋設施工方式。籠統來說，在工作坑內，使用頂進設備，借助其在特定方向產生的頂力，降低管道與土壤間的摩擦力，從而將管道從目標坡度“頂”入土中，最后將土方運走。此種技術由于無需或少量開挖，不會對工程所在地的道路及其他重要設施的周邊環境造成破壞，因此已經廣泛應用于建筑工程、道路橋梁工程以及水利工程。

1 水利工程中應用頂管施工技術的產生背景及主要原理

在水利工程施工中，地下管道的安置、更換長期以來嚴重困擾著設計人員。頻繁的開挖不僅費時費力、造成極大的成本支出，還會嚴重影響工程建筑主體下方的土層環境，一旦出現問題，將會嚴重影響工程整體質量。面對此類問題，盾構施工法應運而生，以更加先進的頂涵作業，革新了工程主體結構的頂進支護結構方式，并將明挖開槽轉變為暗挖盾構支護，極大地降低了施工過程對交通造成的影響。而頂管施工技術在盾構施工法的基礎之上，得到了進一步的改進。應用于水利工程、橋梁隧道工程、地下管線鋪設時，無需開挖面層，即可穿越諸多障礙物。其主要原理為借助主頂油缸和管道間、中繼間的推理，將作業工具管甚至是掘進設備沿著工作井內部直接穿過土層，一直推到接收井所在位置后，執行吊起操作。與此操作同時進行的，是將緊隨工具管與掘進設備后方的管道埋設在工作井和接收井之間，最終通過非開挖的方式達到成功敷設地下管道的目的。

2 施工前中期的測量準備工作

在水利工程中應用頂管施工技術時，必須重視導向問題。一般來說，頂管的距離越長、口徑越大、導向工作的困難性就會越高。在施工前期，應該工作管道的頂進方向，一旦出現偏差，將會嚴重影響施工質量。具體流程如下：首先，在靠近建筑體后墻的平面位置進行詳細計算后，設置頂管工作坑。如果水利工程規模較小、施工距離較短，可以采用樣線法，將初始位置、終端位置的線路相連，確認頂級管道的“行駛”軸線后，執行打樁定向作業。如果頂進距離較長，可以在經緯儀等輔助工具的作用下，確定軸線。其次，將敷設工作坑平面的導軌作為頂進管道的基準。為了保證后續作業的精準程度，進行導軌安裝作業時必須反復確認，直至滿足“牢固”、“水平”等要求，同時還應注意導軌的中心線與頂管的軸線“完美重合”。最后，以第一根正確頂進的管道作為起點，通過吊裝的方式，將之放置于導軌之上。此時可以啟動油泵，正是開始頂進作業。在此過程中，必須時刻注意中心線與軸線的重合情況，一旦出現偏離必須即刻調整。

水利工程周邊環境較為復雜，地下土層很容易出現各種突發情況，因此在頂進過程中，必須采用良好的檢測方式，使管道按照預定線路前行。達到一定的行進距離后（以1m作為分隔），進行降準測量，務必保證行進方向不會出現任何偏離。

總體來看，在水利工程中應用頂管施工技術，很容易出現行進放線偏離預定線路的情況，因此，必須及時進行糾偏作業。常見的糾偏方式可以分為短距離人工法和長距離機械法：①施工人員可以將頂管偏離方向的土層清除干凈，此舉能夠使偏離區段土壤對頂管的作用力失衡，在調整油缸端的頂點位置后，即可達到糾偏的目的。②采用機械方式，在工具管的頂頭以及鋼管的環圈斷面上設置獨立運行的液壓系統。此舉能夠使工具管具備活絡頂頭的功能性，一旦出現偏離現象，受到異常作用力后，壓力表上的讀數會出現偏差，從而及時發現偏離現象。通過針對性改變油缸壓力的方式，可以對偏離的導管進行“導正”，從而完成糾偏[1]。

3 頂管工作坑的設置方式

頂管工作坑作為頂管施工技術的核心操作場所，必須維持安全、穩固的工作狀態。如前文所述，水利工程周邊的土層環境不可控性較大，工作坑的大小、應用的支護設備等需要經過精確計算。一般來說，工作坑的實際尺寸與頂管的各項參數息息相關。

（1）進行平面參數確認時，應該按照下列公式進行計算：

工作坑寬度=頂管外徑（m）+2×套管兩側操作寬度（1.5m）+2工作坑兩側支撐板裝厚度（0.25m）

工作坑長度=單一頂管長度（m）+油缸長度（m）+后靠墻厚度（0.5m）+頂管外留的焊接長度（0.5m）+引出土環長度（m）+頂頭等特殊工具管長度（m）

（2）進行斷面位置確認時，應該按照以下公式進行計算：

斷面位置務必與水平方向保持垂直狀態，在此基礎上，開發深度=地坪至頂管頂部的深度距離（m）+平鋪槽鋼的深度距離（0.25m）+混凝土基礎厚度（0.35m）+頂管的截面直徑（外徑，m）

（3）進行后靠墻確認時，應該充分考慮頂管的深度，否則在巨大的反作用力下，容易對水利工程的地下建筑結構造成沖擊。此外，墻面必須保持 90°的垂直狀態[2]。

（4）布置操作面。首先，使用混凝土，在工作坑的地步澆灌厚度在30cm以上的土層。其次，在土層上方鋪設兩層以上的槽鋼，同時還應注意對水平面的矯正。再次，沿著頂進軸線設置一組導軌（一般來說，導軌之間的距離應該在頂管外口徑的60%～70%之間）。之后，選用一組或兩組油缸（雙數），將之放置在升降調節架上，并執行固定作業。最后，在頂坑的前端預留1m左右的工作坑，用來焊接導管。

4 降低頂進過程摩擦阻力影響的有效方式

執行頂進作業時，地下土層與頂管外表面必然產生較大的摩擦阻力。隨著頂進距離的提升，導管的長度、質量均會增加，故而作業時間越長，產生的阻力越大。為了提升頂進作業效率，需要通過合理方式降低摩擦阻力的影響。常見的方法為：①在工具管中接入水管，采用環噴等方式，是水均勻覆蓋在頂管外表面。當水分深入到土層后，土層的堅硬程度必然降低，從而起到降低摩擦阻力的作用。此種方式僅適用于短距離作業，一旦距離加大，效果將會顯著降低。②執行長距離頂進作業時，可以使用出邊潤滑劑，從頂管的外壁壓入，接觸泥漿之后，能夠極大地降低摩擦阻力。觸變式泥漿潤滑劑的配置方法如下：以質量計，水、石堿、膨潤土的比例應該大致滿足4：1：1，此比例無需嚴格控制，只要大致滿足即可。根據頂管施工實際案例的相關數據可知，受水分影響而形成的泥漿，阻力如果達到30N/m2，添加泥漿潤滑劑之后，摩擦力的下降幅度接近70%。③在頂進管道中以串聯的方式安裝一定數量的接力環。此舉的目的在于將長頂管分為多個接力環段，在其周圍布置油缸。當接力環上的油缸啟動時，處于后置未知的頂管能夠切到支撐底座的作用，從而使頂管先前推進。此種方法的原理在于，將長距離頂管收到的摩擦阻力進行“分割”，類似于多人分處線路的不同位置，無需人移動，實現物品傳導的過程。然而此種方式需要消耗大量的機械動能，成本較高[3]。如圖1所示，為長距離頂管接力環的安裝示意圖。

圖1 長距離頂管接力環安裝

5 水利工程中應用頂管施工技術的主要作業流程

上述四點主要介紹了頂管施工的各項要素，再具體作業時，應該嚴格執行如下流程：

（1）預先檢查油泵、油缸、液壓系統、供電系統等是否處于正常工作狀態。特別是供電系統，容易受到水利工程周邊濕潤環境的影響，必須仔細檢查。

（2）操作頂管時必須循序漸進，不可操之過急。

（3）頂進過程中必須時刻注意油缸活塞桿的行程，按照預先設計方案，行程數設定在1m左右。如果油泵壓力表中的相關數值出現異常浮動，則必須即可暫停作業，待查明原因后，方可繼續。

（4）務必及時清理土方，保持“頂進-清土-頂進-清土”循環進行。如果出現“悶頂”狀況，將會嚴重影響頂進質量（若工程規模較小，頂管外口徑在300cm以下，則可以根據實際作業環境進行悶頂）。

（5）頂管施工應該連續進行。一旦施工間隔超過一定期限，土層堅硬程度必然提升，導致阻力大幅度增加。

6 結語

在水利等工程施工中，“非開挖”的設想雖然早已出現，但得以實現并受到廣泛應用的時間較短。其主要作用為糾正管道在地下延伸的偏差。很多大中型管徑的開挖施工“動靜”極大，稍有不慎即會對周邊環境造成破壞，故而具有“不開挖地面、不拆遷、不破壞工程主體建筑物、不影響管道段差變形”的頂管施工技術能夠從經濟性、環保性等方面，為諸多工程項目提供更加合理的解決方案。