頂管掘進(jìn)施工技術(shù)在水利工程中的運(yùn)用探析

李文智

（甘肅省水利水電工程局有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州730000）

非開挖技術(shù)是指利用少開挖和不開挖技術(shù)進(jìn)行管線的鋪設(shè)或更換的知識(shí)、工藝和應(yīng)用。在埋深較深、橫穿道路、交通干道下埋管或離建筑物較近的情況下，最能體現(xiàn)出頂管技術(shù)的優(yōu)越性。在工作坑內(nèi)，利用各種機(jī)械設(shè)備，減少管道和土壤的摩擦力，讓管道進(jìn)入到土中，運(yùn)輸土方，為水利工程建設(shè)工作的順利開展打下基礎(chǔ)。

1 頂管掘進(jìn)施工技術(shù)概述

地下管道的安置、更換一直都是水利工程建設(shè)中的重難點(diǎn)，也是設(shè)計(jì)人員需要思考和解決的問題。頂管掘進(jìn)施工技術(shù)的主要原理在于，利用主頂油缸和管道間的推理，將工具管沿著工作井內(nèi)部穿過土層，在達(dá)到接收井所處的位置后，完成吊起操作。頂管構(gòu)筑物與設(shè)備：（1）工作坑。工作坑是安放所有頂進(jìn)設(shè)備的場(chǎng)所，也是頂管掘進(jìn)機(jī)或工具管的始發(fā)地，同時(shí)又是承受主頂油缸反作用力的構(gòu)筑物。工作坑按形狀可以分為矩形、圓形、多邊形；工作坑常用的施工方法包括沉井法、逆作法和鋼板樁支護(hù)；（2）接收井。接收井是接受頂管掘進(jìn)機(jī)或工具管的場(chǎng)所，平面一般也呈現(xiàn)矩形，沿管道方向較長(zhǎng)，其長(zhǎng)度應(yīng)該滿足頂管機(jī)頭可被取出的條件；（3）機(jī)頭。機(jī)頭也叫導(dǎo)頭或工作管，主要作用是挖掘管節(jié)前的土壤，頂管時(shí)把管節(jié)導(dǎo)入設(shè)計(jì)位置，起到定向糾偏和埋設(shè)管節(jié)的作用。機(jī)頭的主要作用在于校正挖土方向，防止管節(jié)前土壤坍塌。

2 頂管掘進(jìn)施工技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

頂管掘進(jìn)施工技術(shù)有人工頂管和機(jī)械頂管兩種方式，兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。人工頂管施工更加注重工人在整個(gè)施工過程中的作用，機(jī)械頂管則著重依賴機(jī)械的幫助，所以人工頂管的勞動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)較大，工人進(jìn)行施工的時(shí)候也存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。機(jī)械頂管技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)有：（1）安全性高。除了豎井之外，頂管施工大多都為地下作業(yè)，不會(huì)受到表面環(huán)境的影響，減少了對(duì)人們?nèi)粘Ｉ钤斐傻挠绊懀梢栽趷毫拥奶鞖猸h(huán)境中開展施工作業(yè)。頂管掘進(jìn)技術(shù)受到鋼殼支護(hù)的保護(hù)，保證了施工過程中的安全性，施工管理較為簡(jiǎn)單，且不會(huì)受到人為操作的影響，保證了施工人員的生命財(cái)產(chǎn)安全；（2）環(huán)保。頂管掘進(jìn)施工技術(shù)主要依靠頂管機(jī)完成，頂管機(jī)不會(huì)對(duì)地面情況造成影響，在施工過程中對(duì)環(huán)境造成的破壞小；（3）經(jīng)濟(jì)性高。在工程施工過程中，管道工程費(fèi)用和覆蓋土層的深淺沒有直接聯(lián)系，適用于大型管道施工，即便在惡劣條件下開展施工作業(yè)，機(jī)械頂管技術(shù)也能夠克服困難，擁有比人工頂管更大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

3 頂管施工技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用

3.1 施工測(cè)量

在水利工程施工過程中，施工控制網(wǎng)和變形控制網(wǎng)需要同時(shí)布設(shè)，為工程順利開展提供必要保障。在施工開始之前，需要做好準(zhǔn)備工作，利用測(cè)量平差軟件處理平差要求，設(shè)置多個(gè)控制點(diǎn)，確保各控制點(diǎn)都滿足要求。當(dāng)頂管距離越長(zhǎng)、口徑越大時(shí)，水利工程的施工難度也就越大。為給后續(xù)工作奠定良好基礎(chǔ)，在施工開展之前，有關(guān)人員就需要明確工作管道的掘進(jìn)方向。詳細(xì)計(jì)算建筑體后墻的平面位置，設(shè)置頂管工作坑。樣線法在規(guī)模較小的水利工程中的應(yīng)用比較普遍，施工人員需要將起始位置和終端位置的線路進(jìn)行連接，開展打樁定向作業(yè)。為進(jìn)一步提升工程質(zhì)量，保證作業(yè)精確度，施工人員需要反復(fù)確認(rèn)導(dǎo)軌安裝環(huán)節(jié)，保證滿足要求。在上述各項(xiàng)工作完成后，要以第一根管道作為起點(diǎn)，將其吊裝在導(dǎo)軌上，開啟油泵，頂進(jìn)作業(yè)則可以順利進(jìn)行。水利工程本身就具有復(fù)雜性的特點(diǎn)，在工程進(jìn)行過程中容易受到水文環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境等各方面因素的影響，因此要提前制定全面的施工計(jì)劃，以便應(yīng)對(duì)突發(fā)情況。

3.2 管材選用

鋼管、鋼筋混凝土管在水利工程中的應(yīng)用十分普遍，其中鋼管頂管具有質(zhì)量小、密封性好、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，在運(yùn)輸、吊裝過程中都十分方便；鋼筋混凝土密封性、抗?jié)B性則存在一定缺陷，要根據(jù)工程的不同特點(diǎn)來選擇合適的管材，確保工程質(zhì)量滿足要求。

3.3 頂管安裝

為進(jìn)一步提升水利工程施工質(zhì)量，有關(guān)人員需要確保頂管安裝的位置符合要求。在施工時(shí)，施工人員要保障操作平臺(tái)安裝的精確度，為后續(xù)工程的順利開展奠定基礎(chǔ)。在安裝過程中，需要克服各方面負(fù)面因素的影響，例如地下水、復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境。

3.4 頂管施工技術(shù)

在施工過程中，泥漿的黏稠程度和壓力是開挖面強(qiáng)度的決定性影響因素。在頂進(jìn)過程中，施工人員要以工程周圍的土質(zhì)情況為主，合理調(diào)整泥漿的濃稠程度。除此之外，還需要控制好機(jī)械設(shè)備的頂進(jìn)速度，對(duì)泥水壓力值進(jìn)行動(dòng)態(tài)化監(jiān)督管理，將其控制在合理范圍之內(nèi)。在施工過程中不僅需要考慮到地下施工，還需要關(guān)注地表狀態(tài)，便于施工人員掌握頂進(jìn)作業(yè)的進(jìn)度和大致情況。通過對(duì)多方面的觀察和比較，施工人員要將地表沉降控制在一定范圍之內(nèi)，如果沉降范圍過大，就會(huì)讓工作面失去穩(wěn)定性，很容易坍塌，引起安全事故；地表隆起是泥水壓力過大的表現(xiàn)，需要施工人員根據(jù)實(shí)際情況合理調(diào)整泥水壓力。

3.5 洞口止水的處理

在工程開展過程中，為了讓管道更順利的進(jìn)入，需要對(duì)洞口進(jìn)行特殊處理，做好止水工作，要嚴(yán)格控制預(yù)留洞口的尺寸，確保比管道外徑更大，為其創(chuàng)造進(jìn)入空間，在頂進(jìn)時(shí)，還要進(jìn)行止水封閉。

3.6 降低頂進(jìn)過程的摩擦阻力影響

在利用機(jī)械頂管技術(shù)時(shí)，不可避免會(huì)受到摩擦力的影響，且頂進(jìn)距離越長(zhǎng)，導(dǎo)管質(zhì)量就越大，機(jī)械設(shè)備所受到的摩擦力影響就會(huì)更加嚴(yán)重。為了減少不必要的資源消耗和設(shè)備損壞，就需要有關(guān)人員將摩擦力降到最低，具體有：（1）在工具管中接入水管，讓頂管外部保持濕潤(rùn)的狀態(tài)，周圍土層在受到水分濕潤(rùn)的作用下，摩擦力就會(huì)大大降低。值得注意的是，該方法只適用于距離較短、工程規(guī)模較小的水利工程中；在長(zhǎng)距離施工作業(yè)中的實(shí)用效果并不明顯；（2）在應(yīng)對(duì)大規(guī)模工程、長(zhǎng)距離水利工程時(shí)，可以利用觸邊潤(rùn)滑劑，從頂管的外壁壓入，從而起到減少摩擦力的效果。潤(rùn)滑劑以4∶1∶1的比例，將水、石堿、膨潤(rùn)土進(jìn)行混合，就能夠在實(shí)際工作中起到積極作用；（3）在頂進(jìn)管道中加入接力環(huán)，在其周圍設(shè)置油缸，當(dāng)油缸啟動(dòng)時(shí)，后置的頂管就能夠起到支撐作用，該方法在長(zhǎng)距離施工中的應(yīng)用比較普遍，主要原理就是分解頂進(jìn)過程中的摩擦力，但需要耗費(fèi)大量成本。長(zhǎng)距離頂管接力環(huán)安裝示意圖如圖1所示。

圖1 長(zhǎng)距離頂管接力環(huán)安裝

3.7 注漿控制

在管道頂進(jìn)過程中，要采取有效措施減小其受到的阻力，注漿就是最簡(jiǎn)單、最直接的方法。注漿原理就是利用泥漿在管道外部形成一層包膜，起到潤(rùn)滑作用，值得注意的是，要保證工具管直徑略大于頂進(jìn)管，通常2～5 cm即可。除此之外，在泥漿材料的選擇上，要保證其配比符合要求，膨潤(rùn)土、水、摻和劑都要按照標(biāo)準(zhǔn)選擇，否則會(huì)對(duì)工程的順利開展造成嚴(yán)重影響。

4 頂管掘進(jìn)施工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

首先是朝著大直徑、長(zhǎng)距離頂進(jìn)的方向發(fā)展。以某工程為例，該隧道工程2標(biāo)順利貫通，首次采用了外徑10.4 m×7.5 m的巨型頂管機(jī)，土壓平衡模式，推進(jìn)總長(zhǎng)112 m，是當(dāng)時(shí)世界上最大的外徑頂管；以另一工程為例，該工程應(yīng)用了管徑2 m、全場(chǎng)2 080 m的過海鋼制引水管，準(zhǔn)確頂入接受井預(yù)留孔，管道全線實(shí)現(xiàn)貫通，由此創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)一次性頂進(jìn)最常距離的新紀(jì)錄。

其次，該技術(shù)還會(huì)朝著平面曲線、空間曲線頂管的方向發(fā)展。從國(guó)內(nèi)外曲頂技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀來看，目前曲頂?shù)墓軓揭灾小⒋罂趶綖橹鳎€類型有平面的、有垂直向的，還有S形的，基本上都能夠按照工程的要求進(jìn)行變換。同時(shí)，頂進(jìn)長(zhǎng)度向長(zhǎng)距離發(fā)現(xiàn)發(fā)展，比如，在上海合流污水一期工程中德國(guó)Zueberlin公司曾將直徑2 500 mm的鋼筋混凝土管曲線一次頂進(jìn)約1 500 m。

5 結(jié)束語

非開挖技術(shù)是在水利工程中的應(yīng)用還不夠普遍，該方法具有一定優(yōu)勢(shì)，不會(huì)破壞地表結(jié)構(gòu)，也將對(duì)周圍環(huán)境、居民日常生活的影響降到最低。在水利工程建設(shè)過程中，利用機(jī)械頂進(jìn)技術(shù)，能夠有效減少施工人員的工作量，提升工作效率，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益最大化。在施工過程中，還需要做好前期準(zhǔn)備工作，合理選用管材，加強(qiáng)對(duì)頂管施工技術(shù)的研究和應(yīng)用，盡可能減少機(jī)械設(shè)備在頂進(jìn)過程中受到的摩擦力，減少設(shè)備老化、損壞的可能性，從而提升水利工程建設(shè)效果。