試談頂管施工技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用

路平 孫桂芳

1.青州市仁河水庫運(yùn)行維護(hù)中心 山東青州 262500

2.青州市水利建筑總公司 山東青州 262500

頂管施工技術(shù)是一種始于19 世紀(jì)末的表土層地下工程的非開挖施工技術(shù)，具有很多其他開挖技術(shù)所不具備的優(yōu)點(diǎn)，能穿越地面建筑物、道路、河流以及位于地表以下的各種管線等，對(duì)地面的擾動(dòng)小。頂管施工一般包括工作井、推進(jìn)系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、定位糾偏系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)等，采用液壓千斤頂或具有頂進(jìn)、牽引功能的設(shè)備，以頂管工作井作為承壓壁，將管子按設(shè)計(jì)高程、方位、坡度逐根頂入土層直至到達(dá)目的地。

1 施工前中期的測(cè)量準(zhǔn)備工作

在水利工程中應(yīng)用頂管施工技術(shù)時(shí)，必須重視導(dǎo)向問題。一般來說，頂管的距離越長(zhǎng)、口徑越大、導(dǎo)向工作的困難性就會(huì)越高。在施工前期，應(yīng)該工作管道的頂進(jìn)方向，一旦出現(xiàn)偏差，將會(huì)嚴(yán)重影響施工質(zhì)量。具體流程如下：首先，在靠近建筑體后墻的平面位置進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算后，設(shè)置頂管工作坑。如果水利工程規(guī)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(rèn)頂級(jí)管道的“行駛”軸線后，執(zhí)行打樁定向作業(yè)。如果頂進(jìn)距離較長(zhǎng)，可以在經(jīng)緯儀等輔助工具的作用下，確定軸線。其次，將敷設(shè)工作坑平面的導(dǎo)軌作為頂進(jìn)管道的基準(zhǔn)。為了保證后續(xù)作業(yè)的精準(zhǔn)程度，進(jìn)行導(dǎo)軌安裝作業(yè)時(shí)必須反復(fù)確認(rèn)，直至滿足“牢固”、“水平”等要求，同時(shí)還應(yīng)注意導(dǎo)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(jìn)的管道作為起點(diǎn)，通過吊裝的方式，將之放置于導(dǎo)軌之上。此時(shí)可以啟動(dòng)油泵，正是開始頂進(jìn)作業(yè)[1]。在此過程中，必須時(shí)刻注意中心線與軸線的重合情況，一旦出現(xiàn)偏離必須即刻調(diào)整。水利工程周邊環(huán)境較為復(fù)雜，地下土層很容易出現(xiàn)各種突發(fā)情況，因此在頂進(jìn)過程中，必須采用良好的檢測(cè)方式，使管道按照預(yù)定線路前行。達(dá)到一定的行進(jìn)距離后（以1m 作為分隔），進(jìn)行降準(zhǔn)測(cè)量，務(wù)必保證行進(jìn)方向不會(huì)出現(xiàn)任何偏離。

2 頂管工作坑的設(shè)置方式

頂管工作坑作為頂管施工技術(shù)的核心操作場(chǎng)所，必須維持安全、穩(wěn)固的工作狀態(tài)。如前文所述，水利工程周邊的土層環(huán)境不可控性較大，工作坑的大小、應(yīng)用的支護(hù)設(shè)備等需要經(jīng)過精確計(jì)算。一般來說，工作坑的實(shí)際尺寸與頂管的各項(xiàng)參數(shù)息息相關(guān)。

（1）進(jìn)行平面參數(shù)確認(rèn)時(shí)，應(yīng)該按照下列公式進(jìn)行計(jì)算：工作坑寬度=頂管外徑（m）+2×套管兩側(cè)操作寬度（1．5m）+2工作坑兩側(cè)支撐板裝厚度（0．25m）工作坑長(zhǎng)度=單一頂管長(zhǎng)度（m）+油缸長(zhǎng)度（m）+后靠墻厚度（0．5m）+頂管外留的焊接長(zhǎng)度（0．5m）+引出土環(huán)長(zhǎng)度（m）+頂頭等特殊工具管長(zhǎng)度（m）

（2）進(jìn)行斷面位置確認(rèn)時(shí)，應(yīng)該按照以下公式進(jìn)行計(jì)算：斷面位置務(wù)必與水平方向保持垂直狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上，開發(fā)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(chǔ)厚度（0．35m）+頂管的截面直徑（外徑，m）

（3）進(jìn)行后靠墻確認(rèn)時(shí)，應(yīng)該充分考慮頂管的深度，否則在巨大的反作用力下，容易對(duì)水利工程的地下建筑結(jié)構(gòu)造成沖擊。此外，墻面必須保持90°的垂直狀態(tài)。

（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(shè)兩層以上的槽鋼，同時(shí)還應(yīng)注意對(duì)水平面的矯正。再次，沿著頂進(jìn)軸線設(shè)置一組導(dǎo)軌（一般來說，導(dǎo)軌之間的距離應(yīng)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(shù)），將之放置在升降調(diào)節(jié)架上，并執(zhí)行固定作業(yè)。最后，在頂坑的前端預(yù)留1m 左右的工作坑，用來焊接導(dǎo)管。

3 降低頂進(jìn)過程摩擦阻力影響的有效方式

執(zhí)行頂進(jìn)作業(yè)時(shí)，地下土層與頂管外表面必然產(chǎn)生較大的摩擦阻力。隨著頂進(jìn)距離的提升，導(dǎo)管的長(zhǎng)度、質(zhì)量均會(huì)增加，故而作業(yè)時(shí)間越長(zhǎng)，產(chǎn)生的阻力越大。為了提升頂進(jìn)作業(yè)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(huán)噴等方式，是水均勻覆蓋在頂管外表面。當(dāng)水分深入到土層后，土層的堅(jiān)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(yè)，一旦距離加大，效果將會(huì)顯著降低。②執(zhí)行長(zhǎng)距離頂進(jìn)作業(yè)時(shí)，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(zhì)量計(jì)，水、石堿、膨潤土的比例應(yīng)該大致滿足4：1：1，此比例無需嚴(yán)格控制，只要大致滿足即可。根據(jù)頂管施工實(shí)際案例的相關(guān)數(shù)據(jù)可知，受水分影響而形成的泥漿，阻力如果達(dá)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(jìn)管道中以串聯(lián)的方式安裝一定數(shù)量的接力環(huán)。此舉的目的在于將長(zhǎng)頂管分為多個(gè)接力環(huán)段，在其周圍布置油缸。當(dāng)接力環(huán)上的油缸啟動(dòng)時(shí)，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(jìn)[2]。

4 水利工程中應(yīng)用頂管施工技術(shù)的主要作業(yè)流程

上述四點(diǎn)主要介紹了頂管施工的各項(xiàng)要素，再具體作業(yè)時(shí)，應(yīng)該嚴(yán)格執(zhí)行如下流程：（1）預(yù)先檢查油泵、油缸、液壓系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等是否處于正常工作狀態(tài)。特別是供電系統(tǒng)，容易受到水利工程周邊濕潤環(huán)境的影響，必須仔細(xì)檢查。（2）操作頂管時(shí)必須循序漸進(jìn)，不可操之過急。（3）頂進(jìn)過程中必須時(shí)刻注意油缸活塞桿的行程，按照預(yù)先設(shè)計(jì)方案，行程數(shù)設(shè)定在1m 左右。如果油泵壓力表中的相關(guān)數(shù)值出現(xiàn)異常浮動(dòng)，則必須即可暫停作業(yè)，待查明原因后，方可繼續(xù)。（4）務(wù)必及時(shí)清理土方，保持“頂進(jìn)-清土-頂進(jìn)-清土”循環(huán)進(jìn)行。如果出現(xiàn)“悶頂”狀況，將會(huì)嚴(yán)重影響頂進(jìn)質(zhì)量（若工程規(guī)模較小，頂管外口徑在300cm 以下，則可以根據(jù)實(shí)際作業(yè)環(huán)境進(jìn)行悶頂）。（5）頂管施工應(yīng)該連續(xù)進(jìn)行。一旦施工間隔超過一定期限，土層堅(jiān)硬程度必然提升，導(dǎo)致阻力大幅度增加[3]。

5 結(jié)語

在水利等工程施工中，“非開挖”的設(shè)想雖然早已出現(xiàn)，但得以實(shí)現(xiàn)并受到廣泛應(yīng)用的時(shí)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(dòng)靜”極大，稍有不慎即會(huì)對(duì)周邊環(huán)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(shù)能夠從經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性等方面，為諸多工程項(xiàng)目提供更加合理的解決方案。