大口徑頂管施工技術在市政工程項目中應用

李玉輝

（山東宇通路橋集團有限公司，山東 廣饒 257300）

市政工程項目開展階段，大口徑頂管技術應用水平的好壞直接關乎著項目整體建設進度以及質量，因此在大口徑頂管技術應用環(huán)節(jié)中要了解該技術的應用原理以及應用范圍，構建出科學有效的技術方案這樣才能夠推進工程項目的有效開展。

1 大口徑頂管施工技術的原理與優(yōu)勢

1.1 原理

大口徑頂管施工技術應用到市政工程項目地下工程建設，應用效果良好，被廣泛投入到工程中應用。該施工技術的原理就是通過產生巨大推力的設備，將管道直接推入到土層結構內。在實際施工階段，需要落實管道的鋪設施工，在開端和盡頭都要建設工作井和接收井，以滿足現場施工的要求。如果管道施工地帶的地質條件復雜性較高，需要在管道鋪設線路的中間位置再建設中間井。然后通過應用推力非常大的設備實現鋼管完成頂進作業(yè)，把正式管道通過工具直接推入到工作井內，就完成管道的鋪設施工。

1.2 優(yōu)勢

大口徑頂管施工技術較之傳統施工技術來說，市政工程地下空間施工不需要進行土體開挖作業(yè)，所以施工工作量相對較少，同時還能夠有效的降低成本、提高經濟效益。該施工技術在進行公路、鐵路等工程地下進行管道鋪設施工操作非常方便，施工效率比較高，尤其是在城市商業(yè)或者民用住宅的區(qū)域內，進行管道鋪設施工效果良好，不會給地上建筑的運行帶來任何的不利影響。和以往的開挖鋪設管道施工技術對比，大口徑頂管施工技術的應用速度較快，成本相對較低，同時在施工環(huán)節(jié)還不會產生過大的噪音或者粉塵污染的問題，相對來說對于環(huán)境影響較小，施工效益比較高。此外，大口徑頂管施工技術在使用，占據的施工空間比較小，還不會給周邊居民的生活造成過大的影響，所以是市政工程首選的施工方式。但是因為該技術的復雜性要比傳統技術高，所以在施工中對于工作人員的技術要求較高，還要結合現場的具體情況進行地質條件的勘察，各個方面資料和數據信息完整后，才能使得項目施工完全符合設計方案和技術要求，否則將無法有效控制，出現嚴重的質量問題。

2 工程概況

某工程項目是市政工程，為當地重要的基礎設置，其建設的管道總長度為4750m，主要是從市區(qū)的醫(yī)院通向污水處理廠內，符合當地的城市規(guī)劃設計要求。該管道的埋設深度為7～12m，場地的30m范圍內地層條件比較特殊，地層的類型比較多，變化也比較大，為中軟場地的土質條件。經過分析發(fā)現，該地區(qū)的建設土質材料為粉質粘土，需要穿越粉沙土。

經過該區(qū)域內，地下水的深度為2.4～5.8m，地下水的類型為潛水類型，經過當地的地質條件資料分析發(fā)現，水位的年變化范圍在1.0m左右。該項目施工的長度較長，沿線的地質條件變化比較大，地質條件也會有很大的變化，尤其是臨近交通基礎設施的地帶，地質條件發(fā)生很大的變化。經過和城市基礎設置資料統計分析，發(fā)現該施工范圍內輸水管道、天然氣管道以及光纜等，同時還有重要交通設施，對于現場施工的影響比較大。經過技術人員的現場勘測和分析，發(fā)現如果使用傳統開槽的施工方式并不能滿足要求，容易引發(fā)施工質量問題，還會給周邊的建筑物、管線等產生影響，確定應用機械頂管展開項目施工。該施工方式的優(yōu)勢在于不會開挖地面結構，所以不會給地下管線和地上建筑物產生影響，施工質量和效果完全符合要求，施工工期比較短，能夠盡快投入使用。

當前所應用的頂管施工中，比較普遍應用的是如下三種平衡理論：氣壓平衡、泥水平衡和土壓平衡理論。土壓平衡理論是應用掘進土倉內泥土的壓力以平衡掘進機位置上土層土壓力和地下水的壓力以完成頂管的施工。從發(fā)展實際情況分析，土壓平衡理論已經大量的應用到實際中，具體原因如下：首先，使用范圍要比其他技術廣泛，主要是進行全土質頂管掘進機開展施工，所以使用范圍較大；其次，土壓平衡掘進在具體施工中，排出的渣土較之泥水平衡方式排出更加容易。再次，土壓平衡掘進施工方式要求比泥水平衡氣壓設備要簡單。因此，本次工程中，最終選擇使用DK式土壓平衡掘進機開展施工。該施工中，應用該方式就是通過土倉前的輻條式刀片處理，現場通過攪拌棒的攪拌處理，所使用的是全新的一種全端面鉆削式土壓平衡頂管掘進機，施工效率高、速度快。

3 頂管技術要求

3.1 管材選用

頂進作業(yè)環(huán)節(jié)，管材部分受力條件很特殊，分析了解結構形式以及制作方面的標準和要求，且受到地下水位的影響，所以管道必須不會存在滲水的情況。基于此，施工設計人員決定選擇應用“F”型鋼筋混凝土管開展頂進作業(yè)施工，一般來說，根據需要在檢查制作襯板，并且使用橡膠圈密封處理，不會發(fā)生錯口、不能糾正、管縫存在漏水以及混凝土管因為壓力不均勻而產生管道發(fā)生斷裂的問題。該混凝土管施工主要具備如下的優(yōu)勢：和平口管的形式對比分析，其接口不容易發(fā)生滲漏問題，也不會出現錯口的情況；和“T”型套環(huán)管形式對比，節(jié)約了一環(huán)筋板和一環(huán)沉淀的材料，運行可靠性更高，使用范圍擴大，即使在砂礫土的地質條件下，也能夠滿足使用的要求；因為鋼套環(huán)是埋設到混凝土管內，所結構剛度性能提升比較明顯，運輸階段不會發(fā)生變形的問題。此外，接口的部位容易安裝橡膠密封圈，充分的保護注漿管道；如果管道發(fā)生偏移，可以及時進行糾正，其最大張角會達到3°左右，可靠性良好；該方式和企口管對比分析，接口之間的接觸面積增加一倍左右，應用到長距離頂管施工。

經過現場檢測與分析，應用“F”型鋼管混凝土管開展施工，頂力會達到2000kN，超出理論參數16273kN，沒有出現管道開裂的問題。同時，在現場施工中，有些曲線頂管出現過大的偏差，還會導致管道受力比較大的管道位置發(fā)生嚴重的損壞問題。

3.2 頂力、頂距的確定

頂力和頂距屬于矛盾的結構體，同時因為地質條件以及土壤環(huán)境的變化，是管道以及工作井在設計中必須要考慮的因素，對于結構計算會造成影響，同時也會影響工作井的數量，對于項目建設的成本帶來很大的影響。

本次施工中，創(chuàng)業(yè)粘土層、粉土層以及粉沙土層，地質條件復雜性較高，并且管徑比較大，為了確保項目施工可以順利進行，保證頂力以及工作井抗力為9000～10000kN。為了保證長距離頂進施工可以順利的進行，在頂管作業(yè)的階段應該選擇使用必要的減阻方式，同時每個井段的具體情況為主，增設1～3個中繼間，保證逐級頂進施工可以順利進行。在頂進時，采用的是雙向頂進的方式，如圖1所示。

圖1 施工流程

在項目設計中，總計包含有16個工作井與接收井，然后繼續(xù)進行頂進施工，根據實際應用的需要增加頂進的長度距離，然后做出必要的改進和調整。從本次工程實際應用情況分析可以確定，總計減少工作井、接收井11個，所以施工量減少比較明顯，并且單一頂進施工的距離最大可以達到396m，最小也只是116m，確保施工可以順利完成。

3.3 工作井和接收井選擇

對于機械頂管施工來說，出入口的位置尤為重要，井壁是后座墻的結構形式，受到總頂力的持續(xù)性作用，做好現場合理設置工作，消除對于頂管產生的影響，且因為該次頂進施工距離比較長，還有地下水位的影響，所以在施工中采用鋼筋混凝土沉井。

4 施工關鍵工序

4.1 沉井施工

沉井施工的作用就是實現下沉處理，包含下述幾個方面的工作：1）糾偏。沉井下沉的施工過程中，最為常見的問題就是井筒偏斜、沉降偏差過大等問題，應該立即采取措施糾正，應該立即選擇合適的措施進行糾偏處理，并且輔助局部增加荷載糾偏的措施；2）下沉環(huán)節(jié)的控制。頂管施工作業(yè)的目標是提高速度、節(jié)約成本，不會影響建筑和人們的生活。如果沉井時，下沉影響的范圍較大，頂管施工就無法滿足要求，尤其是在交通要道的位置上，沉降下沉范圍較大，容易導致交通中斷。本次工程中，為中小沉井的方式，下沉深度為12m左右，且下沉速度要保持在合理的范圍內，保證沉降在頂部低于地面時才開裂，保證影響范圍每側為3m左右，確保不會影響建筑物和交通的安全；3）封底。在沉井達到設計標高后，經過觀測8h累計沉降在10mm左右時，進行沉井封底。

因為在這一條件之下，地下水含量過高的情況下，封底作業(yè)施工應該立即采取排水處理方式，并且封底環(huán)節(jié)應該結合實際情況布置盲溝與集水井，讓底部結構的強度和剛度性能合格，為頂管作業(yè)施工提供基礎條件。

4.2 頂管施工

經過兩年實踐，頂管施工作業(yè)順利開展，在具體的施工中，應該做好如下幾個方面的控制工作。

4.2.1 頂管掘進機出洞

頂管出洞環(huán)節(jié)非常重要，其主要是在施工中，在工作井的位置上安裝掘進機與第一節(jié)管從井中破封門進入到土體結構內。在頂管出洞的環(huán)節(jié)，一般要做好如下幾項工作：管線放線、后座墻附加層制作、導軌鋪設、洞口止水以及穿墻等工作。下面只選擇幾個重要方面分析：后座墻附加層在制作中，主要包含下述工作：①該工作面的布置與頂管管線是垂直的；②如果發(fā)現管線有折角，應該使用圓形工作井的方法，后座附加層結構上寬度尺寸精度合格，能夠根據需要架設主頂油缸發(fā)射架，為后續(xù)施工提供基礎；③如果有折角管線的形式，還可以使用方井的結構，后座墻附加層厚度按照標準要求確定，如果在現場布置有加勁肋的結構，能夠根據需要調整厚度，可以結合具體的情況設定，保證寬度達到發(fā)射架使用的要求。后座墻附加層結構通常會使用混凝土結構制作，所使用的材料型號至少為C20，保證后座附加層結構的覆蓋洞口符合要求，要在洞口部位上應用型鋼加固施工；④后座墻附加層不能應用方木的形式，這是因為木材存在彈性，頂管作業(yè)階段，主頂油缸會持續(xù)性作用到木材上，其會發(fā)生變形的問題，長期作用之下會發(fā)生結構變形、損壞，導致頂進施工質量無法滿足要求，也會造成設備損壞的情況。

4.2.2 洞口止水

頂管工程施工階段，讓管子從井內直接出洞，通常來說需要使用工作井預留洞口的直徑稍微大于管道外徑，通常為100mm左右，頂進施工環(huán)節(jié)，該間隙必須做好封閉性處理，否則容易導致地下水和泥砂經過間隙直接進入到工作井內，容易出現洞口塌陷的問題，誘發(fā)安全事故，極大的影響周邊建筑物、管線的正式運行。根據實際情況分析，在現場需要使用洞口止水的方法制作沉井，預先在洞口的位置埋設10mm厚的法蘭，使用螺栓進行連接，安裝16mm厚的橡膠法蘭，并且使用10mm的鋼板壓緊。

頂管安裝工作全部完成后，在現場使用16mm的橡膠法蘭止水處理，如果沒有地下水或者泥砂等進入到結構內部，通常情況下可以再次利用橡膠法蘭和壓板，施工成本控制效果良好。圓形工作井的結構是比較先進的，在洞口設置弓形止水墻，能夠滿足使用的要求。止水墻的強度和性能滿足要求，按照法蘭尺寸制作。

4.2.3 穿墻

穿墻主要指的是從開啟封門到掘進機定出工作井的過程，這是頂管施工的關鍵性工序，由于穿墻施工之后掘進機的方向是否正確，做好管道的方向控制，保證井內管節(jié)拼裝質量合格，不會影響工程的實施效果。穿墻環(huán)節(jié)，首先要避免泥水進入到井內，避免出現塌陷或者流沙的問題。其次，管道結構精度合格，頂進方向符合使用要求。

①控制泥水進入到井內，一般會在現場的規(guī)定位置上砌筑擋土墻，即保證洞口不會出現涌入的情況，并且保證井壁外側預埋鋼板能同時沉降；②如果土質強度不足或者存在流沙的情況，防止在現場出現塌方的問題，需要在洞口的結構位置上實施加固處理，達到強度性能和標準的要求，通常加固長度為工作井外20m；③在掘進設備即將進洞的條件下，要保證封門部位上不會有任何雜物的存在，同時將刀刃逐步的深入到井壁結構內，使用止水橡膠法蘭以及掘進機進行穩(wěn)定的連接，保證鋼板樁可以在該位置上拔出；④頂管出洞之后，應該將掘進機調零；⑤要想避免出現穿墻時發(fā)生下跌的情況。下跌的問題發(fā)生，主要是由于入土數量較少，掘進機的自重知識通過兩點支撐的形式，中點為導軌的位置，零點是比較淺的土體結構。這是應用到支撐結構的應力難以超出允許承載力，所以發(fā)生了掘進機下跌的問題；二是工作井下沉環(huán)節(jié)擾動洞口而掘進較重。為了避免發(fā)生下跌的問題，通過土體加固、延伸導軌、保留預留風等方式處理，同時還要適當的抬升掘進機頭，以不會發(fā)生下跌的問題；⑥避免掘進機和前幾節(jié)管道后退。要想達到這一要求，必須做好掘進機主頂面的土壓力控制，避免掘進機與管道周邊存在過大的摩阻力，從而保證施工順利進行。通常來說，主頂油缸回縮前，應用螺旋出土機進行卸壓處理，或者使用手拉葫蘆在洞口位置拉住，也可以使用鋼材等頂住，保證不會發(fā)生后退的情況。

4.2.4 中繼間設置

機械頂管施工工藝的應用，其關鍵的就是掘進機，但是如果頂進距離過長，容易造成頂進力不足，必須設置中繼站方能滿足要求。因為長距離的管道施工方式，由于周邊有較大的摩阻力，并且會隨著時間延長，阻力會快速增大，只是通過主頂油缸進行頂進是不能滿足要求的。一方面主站油缸頂力有限，另一方面主站頂力受阻。為了能夠有效的解決上述的問題，需要設置中繼站。中繼站可以分散頂力，讓管道分節(jié)段開展頂進施工。中繼站設置后，并無明確的規(guī)定。第一套中繼站的設置應該綜合分析掘進機迎面阻力與部分關閉阻力形式，需要留有較大的安全系數，其他中繼站的設置要分析管壁的摩阻力，具備一定的安全性。這樣設置后，可以滿足頂進施工的要求，且不會產生結構的損壞，保證施工質量和效果。中繼站設置時，要結合現場的土質條件確定，按照頂進施工的狀態(tài)，通常要在粘土、粉質粘土等位置設置中繼站即可滿足要求。在砂土、淤泥質土等土質條件下頂管施工，應該根據需要調換密封裝置設置中繼站，否則容易導致頂管施工無法繼續(xù)進行。

4.2.5 注漿減阻

注漿減阻也是施工的重要工作，尤其是長距離頂進或者曲線頂管施工中，對于頂進效果的影響最大。頂管施工作業(yè)的條件下，如果注入的潤滑漿比較充足，然后在管道周邊環(huán)境內形成漿套，達到保護與潤滑的效果，減阻效果比較好。注漿設備、注漿材料是關鍵，影響注漿質量，注漿應用的膨潤土應該使用鈉基膨潤土，不能使用鈣基膨潤土的材料。此外，在使用之前應該進行檢測，主要從比重、靜切力、粘度、失水量、穩(wěn)定性方面出發(fā)檢測，只有全部符合要求才能投入到現場進行施工。

5 結語

綜上所述，大口徑頂管施工技術應用到市政工程項目中，綜合效益較高。在大口徑頂管施工技術支持之下，能夠保證施工順利實施，完全滿足管道運行標準。因此，施工單位應該積極總結施工經驗教訓，發(fā)揮出大口徑頂管施工技術的優(yōu)勢，提高施工質量水平，還要加強新技術、新工藝的研發(fā)和應用，提高市政工程的質量水平，為城市高水平發(fā)展奠定基礎，為我國城鎮(zhèn)化進步起到積極促進作用。