頂管施工工藝在市政管網施工中的應用

劉 馬 彥

(山西太水市政工程有限公司，山西 太原 030002)

1 概述

城市建設的步伐不斷加快，在市政管網的建設當中，涉及的工程內容也不斷增多，因此要采用合適的施工工藝來滿足建設需求。頂管法可減少大量土方工程、對周邊環境影響較小，節約施工用地，減少拆遷工作等優點，被廣泛應用于市政基礎建設中，在一定程度上被認為實現文明施工。

城市建設管網中，施工管道不斷加長，因此管道的埋置深度也在不斷的加深，在一些地區地質比較復雜的區域，施工難度更大，因此針對這種使用頂管法施工的施工工藝應進行系統的研究分析，采用合理的方案，保證施工工程的質量。

2 頂管施工技術的發展

頂管法首先被研究應用于實際工程中起源于美國[1]，時間發生在1896年，美國鐵路鋪設過程中采用了該種施工方案，之后該施工方案受到了廣泛的關注。20世紀30年代，越來越多的國家開始研究頂管法施工，其中里程碑事件是1982年的英國[2]，將直徑1 524 mm的混凝土管頂進了49 m，用了9.5 h，該記錄打破了當時的世界記錄。該工程的成功促使歐洲各國開始重視以及研究頂管技術。之后日本在二戰結束也開始使用頂管法施工。該技術工藝在被大量應用后，很多國家開始著重進行理論研究，其中日本主要針對小管徑技術進行探究[3]，取得了實質性的進展后，又開始研究長距離的頂管法施工。各國在基于自身市政建設過程中使用的材料進行不斷優化頂管法，例如一些發達國家使用帶橡膠密封環的混凝土管道[4]，實現了頂管法施工的提升，同時促進了城市的可持續發展。

國內關于頂管法技術研究滯后于國外，起初于1953年，在北京首先采用該技術，之后1956年，上海開始進行試驗研究，采用手掘式頂管機[5]。之后上海的先進企業進一步研究，將直徑為2 m的鋼筋混凝土管道的頂進距離達到120 m，然后又對不同口徑、不同類型的頂管進行實驗研究，其中研究最多的當屬土壓型[6]，但是當時的研究重于實踐使用，理論知識較少，因此在施工時，只能針對某些具體情況進行施工，不能根據實地情況進行設置施工條件。1967年的上海一家公司，開發了一種無須人進入管道即可進行施工的小直徑遙控土壓式機械頂管機[7]，該機生產后被應用于隧道、高速公路以及下穿鐵路當中，其累計頂進長度在1969年已經超過400 m[8]。1978年，一種名叫擠壓型頂管被開發應用于淤泥土等不良地質條件，隨著頂管技術的不斷更新以及進步，從最初的應用于給排水工程到電力電纜的施工，該法的發展得到了大力的推廣使用。

3 頂管法在市政給排水施工中工藝分析

1)管材的選擇問題。

目前頂管管材有鋼管、鋼筋混凝土管、玻璃鋼管、球墨鑄鐵管以及陶土管等材料，鋼筋混凝土管材應用最廣，其主要特點是強度高，性價比較高，缺點是止水性和抗滲性能較差。鋼管的優點是重量輕、頂進阻力較小，密封和抗滲性能好，但是缺點是防腐性能較差，造價高，壽命短，適用于短距離的頂進。玻璃鋼管的優點是重量輕，承壓能力高，使用壽命長，可適用于長距離的頂進，缺點是成本造價偏高，只能直線頂進，難以推廣應用；鑄鐵管的優點是具有較高的頂進力，缺點是成本高，使用范圍較窄；陶土管的優點是防腐性強，性價比高，適用于長距離施工，缺點是剛度大，容易脆性破壞。

2)頂管設備的選擇。

主要指的是頂進頂管的頂管機。目前使用的類型有手掘式頂管機、泥水式頂管機、土壓式頂管機、氣壓平衡頂管機。不同類型頂管機的選擇主要依靠土質條件，正常情況下，淤泥質黏土主要使用的頂管機類型是泥水式和土壓式兩種；砂性土主要選擇泥水式頂管機，在實際施工過程中，可以通過改良開挖面來達到理想的頂進效果；黃土地質條件一定要進行改良，使用敞開式和氣壓平衡式頂管機；強風化及中風化巖根據現場的情況進行選擇，同時根據內部的結構和構造層選用不同的刀盤和管頭，確保頂管施工的質量和水平。

3)頂管算法。

頂力計算是最重要的工作。通過頂力計算，合理確定背部強度、管道強度、千斤頂數量和噸位。單坑頂進工程長度和尺寸的選擇也要依靠頂力的計算，確定最大頂推長度。

4)注漿減阻。

頂管機的直徑一般要大于管的直徑，這就使管的外徑和頂管機的內徑之間有漿體存在，同時管道與周圍土壤之間的間隙也存滿了漿體，間接形成了一個泥套，泥套的形成可防止泥漿滲透到外層土壤中，同時周圍的土壤可以形成支撐浮力，在管道和周圍土壤層之間存在流動的泥漿，保持為濕摩擦，具有較小的摩擦阻力。在頂管施工中，要不斷推廣減摩技術，保證頂管施工的質量，確定注漿材料的選型。

5)頂進方法。

頂進方法直接影響施工的成敗，在進行頂進方法選擇的時候，要先了解項目的情況，項目所處地質條件，以及周邊的環境，其次根據技術的角度，泥水式頂管機施工的時候選用直徑較小的管道；如果地下水位低且土壤層相對穩定，則可采用手工掘進的頂管，地下水位較大且土壤層強度較低，宜采用掘進法施工；對于地質存在碎片的情況，則適用于手動式上管。當在粘性土層控制地面沉降時，采用土壓平衡頂管法；爍石土壤層要采用帶有支撐功能的工具管；在淤泥層中需要提升地面的情況，采用的是泥水平衡式頂管或者是泥土式土壓平衡；當頂管所處位置的正上方具有較厚的土壤層時，則采用擠壓或者網狀頂管。根據確定的技術方案，綜合考慮管材以及人工費用確定最經濟的方案。最后一定要考慮安全因素，切不可因進度或者是趕工程進度而發生傷亡事件。

6)頂進糾偏。

施工過程中，需要進行糾偏控制，確保施工質量。頂管施工一般施工過程是在地下進行，若是出現偏差，要及時進行處理，否則會影響項目質量和施工工期，甚至會造成工程事故。萬文松等研究出一種系統名為頂管智能糾偏控制系統，利用該系統，可實時控制管道頂進過程是否偏離了軸線位置，可以提高施工質量和施工效率。若是在施工過程中，發生了偏差，則可以通過以下方法進行糾偏：

a.挖土。通過挖土的方式，將兩側進行平衡處理，使得管道注漿恢復到合理的狀態，該法適用于軸線偏離位置為10 mm～30 mm的情況；

b.頂木。軸線偏差距離超過30 mm的情況下采用該法。該法主要是通過在管道內放置木頭或者是方木，通過木頭的傾斜產生的分力使得管道的軸線恢復正常狀態；

c.千斤頂。該法無法單一使用，通過結合挖掘修正法使用。放置于超挖側端，然后在頂進的過程中，通過千斤頂的自身的重量，使得管道逐漸恢復到設計所要求的位置。

4 頂管施工存在的問題以及應對對策

1)在施工過程中，頂力較大，對于設備、管道糾偏以及注漿阻力的要求較高；

2)施工過程中，地面條件復雜的情況，可能會出現較大的沉降，甚至會出現坍塌事故，因此要嚴格控制頂管進尺、出土比例等條件；

3)市政工程中，周邊環境以及地下管線比較復雜，施工風險較大，要在施工過程中做好施工監測以及重大風險的控制。

5 案例分析

以某市區污水管網工程為例，全長4 092 m，主要管徑有三種，D2 000,D1 200以及D1 000，全程設有30座沉井，結構全部采用鋼筋混凝土結構。頂進區間分布見表1。

表1 頂進區間分布

工程按照要求以及當地情況采用DK2000型頂管機，20 t的門式起重機,工藝流程見圖1。

該工程采用的是市政排水鋼筋混凝土管長距離施工工藝，相比于短距離頂管法，平均成本降低了95元/m，經濟效益較高，而且對周邊影響較小，有利于文明施工，節約了成本。

6 結語

頂管法在市政給排水施工中已經相對成熟，但是在實際過程中仍存在各種各樣的問題，而且地下情況的復雜性不能一概而論，因此在實際施工中，要合理規避風險，嚴格審查技術方案，保證理想的施工效果。