淺析市政頂管施工工藝技術探討

左宇超

(山西八建集團有限公司,山西 太原 030027)

頂管施工技術的適應性強，在不穩定的及飽和土層中均可有效應用，在順利頂管的同時還可減小對周邊環境的破壞。但同時，頂管作業復雜度高，頂管期間涉及到巖土力學、彈塑性力學、流體力學等多個學科的相關知識，對施工人員的技術水平提出較高的要求，因此需加強技術探索，把握技術的原理和方法，妥善落實頂管施工的各項工作，保證最終的頂管效果。

1 頂管施工技術的應用優勢和基本要求

頂管是一項無需對面層開挖的管線敷設方法，作為一種非開挖管道敷設手段，相比傳統的開挖敷設技術有著擾動性小、施工效率高、節能環保、投資少等優勢。頂管施工技術可減小管道敷設時的噪音和粉塵量，對施工場地周邊的生態環境和居民生產生活環境較為友好，屬于一項高效率、低污染的優質管道敷設技術。得益于頂管施工技術的多項優勢，其在市政給排水管線工程中取得廣泛的應用。概括而言，頂管施工技術的優勢主要體現在如下幾方面。

1)施工面的占地面積較小，不會由于頂管作業而對周邊環境造成過多的影響;2)頂管施工的擾動性較小，地面的車輛行駛、人員通行等活動基本不會受到頂管施工的影響，在繁忙的城市中具有突出的應用效果;3)頂管施工技術的噪音較小，無過強的震動作用，可減小對居民日常工作、生活的干擾;4)頂管施工期間，周邊的管線及構筑物可維持穩定，避免了傳統開挖敷設方式下既有設施失穩、受損等問題;5)由于頂管施工技術的擾動性小、效率高，可減少工程成本投入，具有經濟效益優勢。

1.1 頂進的方法

頂管施工技術的應用優勢突出，但若要有效應用該項施工技術，需加強對施工條件的分析，判斷頂管施工技術是否具有適應性。除了考慮現場地質、地下水位、管徑等因素外，還需要兼顧到如下幾項條件。

1)現場為黏性土層或砂性土，同時無地下水的干擾，可以采取手掘式頂管或機械挖掘式頂管的作業方法；2)現場軟土層厚度較大，周邊不存在障礙物，可以考慮擠壓式或網格式頂管的方法；3)現場分布黏性土層時，若要有效控制地面的平整度，可考慮土壓平衡頂管的方法；4)現場有粉砂土層時，若要控制地面平整度，可考慮泥水式平衡法；5)頂進的金屬管較短或管徑較小時，較為適宜的是擠密式土層法。

1.2 頂管井的布設要求

頂管井的基礎由碎石或鋼筋砼構成，現場土質較硬時，可用方木作為基礎，土質缺乏穩定性時，在其周邊架設支撐，提升穩固效果。頂管井的地基修建需根據管線位置和坡度做靈活的控制，要求地基維持穩定，不可發生沉降，配套的導軌和頂管位置也均要足夠準確。

1.3 管道的頂進要求

頂管井設置到位后，安排管道頂進。先在管的前端開挖深度約為30～50cm、形狀與管道形狀相似的坑道，用千斤頂將管道頂進，按照此方法重復作業，沿著預先規劃的路徑向前頂進。

1.4 頂管接口的處理要求

頂管的接口以電弧焊接的方法為宜，保證連接部位的嚴密性與穩定性。為避免混凝土管的接口部位發生滲漏，用橡膠墊、麻絲油氈或是其它可行的材料嵌縫，管道頂緊后，兩管間的空隙需控制在1～1.5cm。

1.5 管道的壓漿要求

管道頂進和檢查井的施工均完成后，經檢查若無質量問題，用管道預設的壓漿孔進行壓漿，期間加強現場觀察與控制，避免地面出現沉降。

2 市政頂管施工技術的應用要點

2.1 頂進管的選擇

2.1.1 頂進管的直徑

以工程性質和工程要求為導向，確定頂進管的內徑；根據管道受到的荷載作用，合理設計混凝土管的壁厚，并明確配筋方式，以此來確定外徑。根據頂管施工要求，工作面上應配備挖土工人，為給人工作業提供充足的空間，管內徑不小于800mm。

2.1.2 頂進管的長度

不同長度的頂進管所對應的頂進難易程度和成本投入均有所差異。直線段頂進時，較長的管道可減少裝管的次數，但若管道過長，管道姿態的可控性降低，易偏離原設計路線，并且此時糾偏難度較之于短管而言明顯更大，從這一角度來看，直線段頂推的管道不宜過長。但需注意，管道過短也將面臨著局限性，例如短管易進入周邊土層，導致管道呈蛇形彎曲的形態，此時也不易控制管路頂進姿態。

2.2 頂管的準備工作

2.2.1 現場平面布置

以頂管施工要求為準，安排現場平面布置，主要考慮到起重設備、自動控制室、管材堆場、注漿系統、棄土坑等，合理規劃位置，提升協同性。始發工作井內的配套設施豐富，需將發射架、反力架、主推千斤頂、頂管機等配備到位。為給員工的上下通行提供便捷的通道，在工作井邊側設置下井扶梯。

2.2.2 頂管機進、出洞土體的防護

以高壓旋噴樁、堆土反壓等方法加固進、出洞范圍內的土體，使土體具有穩固性，以便頂管機安全地進、出洞。在工作井安裝洞口止水裝置，避免頂進期間壓注的觸變泥漿大量流失，同時也可以有效緩解頂管機進、出預留洞的泥水流失問題。

2.2.3 頂管施工的設備配套

頂管施工技術通常被應用于淤泥質砂和黏土層中，管道直徑需在800mm以上，在確定管道直徑以及管材、現場土體摩擦力等各項條件后，進一步適配頂進機具、千斤頂等頂管施工所需的設備。

2.3 頂管施工工藝(如圖2所示)

圖2頂管施工流程圖

2.3.1 注漿止水(穿墻前)

注漿止水方法主要應用在頂管工作井穿墻洞口前方，注入的漿液與自然土結合，經過固結后構成完整且穩定的整體，既能夠使工具頭順利穿墻，又可發揮出擋土、止水的作用。漿液的配合比為石灰∶水泥∶黏土=2∶1∶3，做充分的拌和，得到均勻性較好的漿液后，及時用于注漿止水施工。

2.3.2 穿墻

穿墻的施工技術要點，如下。

1)穿墻管內填入低強度水泥黏土拌和土，通過此類材料的應用，起到臨時阻水擋土的效果;2)穿墻孔外側土體可能由于施工擾動而失穩，為保證該部分土體有足夠的強度和穩定性，以注漿的方法處理穿墻管外側土體，在此前提下方可安排工作井工具管穿墻;3)穿墻前注重對現場施工條件的分析，判斷是否存在不利于施工的因素，若有則采取處理措施，加強源頭防控后，竭力營造安全、穩定的施工環境;4)悶板開啟后，隨即頂推工具管，設置止水法蘭加壓板，中間設置拉伸率較大、耐磨性較好的天然橡膠止水板環，隨著管道的有序頂進，逐步使橡膠板形成逆向止水裝置。加強工序協調，盡可能縮短穿墻管外側土體的暴露時間，否則將由于外部因素的影響而出現流變現象。

2.3.3 頂管出洞

頂管出洞是頂管施工全流程中的重點環節，需要加強施工控制。例如，及時檢測管線的姿態，判斷是否偏離設計要求，若有偏離現象則用工具管調零，實現對管線的精細化調整；于工具管的井壁處設置支撐裝置；結合管線頂進情況，為工具管預先設定一個初始角，以此來彌補管線出洞時的下跌量，使管線出洞的位置達到設計要求。

2.3.4 注漿減阻

頂管期間，管道周邊的空隙以壓注觸變泥漿的方法予以填充，建立泥漿保護套，用于支撐地層，維持地面的穩定性，并通過觸變泥漿的注入減小頂進阻力，以便管道的順暢頂進。注漿減阻的方法在長距離頂管施工中具有適用性，先對頂管機頭尾部壓漿，再同步頂進，而后根據實際頂進情況在中續間和混凝土管道的適宜部位跟蹤補漿，在補充適量的漿液后，彌補頂進期間的泥漿損失。

3 頂管施工的關鍵技術控制

3.1 頂管測量及糾偏

頂進偏差的成因錯綜復雜，例如：主頂油缸的后背墻表面缺乏平整性；導軌未準確安裝到位，存在較大的偏差，不利于精準頂進；主動油缸頂力的分布缺乏均勻性；迎面土阻力缺乏均勻性；管外摩擦力的分布缺乏均勻性。部分頂管工程的糾偏具有被動性，通常是管段頭部偏離軸線后才安排糾偏，而此時的管道已經存在偏差，有效糾偏并非易事。因此，需化被動為主動，在頂進時便采取防控措施，例如加強對頂進系統的檢查，保證頂力的均衡性，以便將管道沿著特定的路線頂進。條件允許時，在計算機的輔助下糾偏，向計算機內輸入原始數據，計算機綜合判斷管道偏差軌跡、工具管端部位置及外力分布狀態，自動分析并顯示如何糾偏，技術人員根據顯示的信息妥善糾正偏差。

若頂管施工中已經存在軸線偏差，則根據實際偏差量采取適宜的糾偏方法，軸線偏差在10～30mm時，采用挖土糾偏法；超過30mm時，采用頂木糾偏法。除前述兩種方法外，千斤頂糾偏也是常見的糾偏方法，其思路是在超挖的一側管端壁上配置小千斤頂，由該設備提供適量的頂力，用于糾正管端部的方向。在整個頂管施工中，按照“勤頂、勤測、勤糾”的方式進行偏差控制，要求全程偏差均在20mm以內。

3.2 地表變形以及地面沉降的控制

頂管施工有一定的擾動性，易導致地表變形，具體又分為地面沉降和土的縱橫向移動兩類。經驗表明，工具管前方的土體有移動的跡象，易影響到地表現有建筑物，例如出現建筑物局部破壞的情況。頂管的作業形態復雜，既有開挖又有頂進，同時隨著深度的改變，對應的土體軸線位移量也不盡相同，在多重作用下，工具管周邊土體的運動具有三維特性。地層發生移動的誘發因素也錯綜復雜，在各類因素中，以地面沉降最為關鍵，易由于施工控制不當而導致地層損失。

地層損失包含如下兩類。

一是正常地層損失，屬于頂管期間難以避免的地層損失，包含開挖面的地層損失、工具管與管道外徑差異而產生的地層損失等，針對此類問題，需從技術措施的優化著手，盡可能減小地層損失量，但無論如何優化頂管技術，均難以完全消除正常地層損失。

二是不正常地層損失，例如管節止水圈的嚴密性不足而導致頂管周邊土體流失，洞口止水裝置失效而導致周邊局部土體失穩，此類地層損失在合理應用施工技術后可避免。在頂進施工中，為保證地面建(構)筑物的穩定性，需要加強對地面沉降量的監測與控制。頂管工程中，可根據規范和現場施工條件設定最大沉降量允許值，經計算后對比分析地面沉降量和實際沉降量，根據實際偏差采取控制措施，具體可考慮如下幾項方法：取適量黏土、熟石灰、水泥，并摻入適量的水，拌和均勻后制作磚坯，將該材料填入穿墻管；以壓密注漿的方法處理工作井的內、外側，保證嚴密性；若頂進距離較長，可采用外套或止水柵欄，確保在施工期間可靈活更換止水盤根。

4 頂管施工質量控制措施

全面的現場勘察、施工工藝的合理優化、頂進參數的有效控制、頂進偏差的監測與糾正等均是重要的頂管施工質量控制措施，下文對關鍵的頂管施工質量控制措施展開分析。

4.1 施工工藝的合理選擇與優化

在施工工藝的選擇中，需要充分兼顧到設備進場至頂進完成全流程中的各環節，具體涉及到頂進機械的配套、頂進路線的規劃、進出洞方式等。頂管直徑屬于重要的參考對象，可根據頂管直徑選擇網格加密式、頂部前伸式或是其它形式的工具管。塌方是頂管期間的常見問題，與暫停頂管后未采取防坍塌措施、開挖量超標等原因有關，此時地面的穩定性不足，可能發生沉降。因此，為從源頭上避免頂管期間的各類問題，需在前期設計階段便確定合適的施工工藝，并遵循因地制宜的原則，根據現場施工條件合理優化頂管工藝，提高可行性。

4.2 頂推動力控制

合理設計頂推的反力墻，使頂推后座有足夠的穩定性；制備泥漿，以壓力注漿的方式注入管體與巖石間，從而起到減小管體偏移量、維持頂進系統穩定性等效果。頂進過程中，及時檢查管道接頭的密封情況，保證該部分的嚴密性，以免由于密封性不足而發生滲漏。針對管道密封問題，首先需選擇合適類型的管道，要求管材的材質較佳；正式頂進時，嚴格控制頂進的速度，不宜過快，否則易導致地面隆起；頂進后，隨即安排注漿，此方法既能夠填充管體與巖土間的空隙，又可以發揮出注漿減阻的作用，有利于頂管作業的有效進行。

4.3 頂管穿越密集建(構)筑物的施工控制

頂管埋深應合理，以便在開挖時產生拱效應，用于維持開挖面上方土體的穩定性，確保在地面荷載作用下地面不出現坍塌。部分管線臨近地表建筑物或既有的地下管線時，可能由于頂管而導致此類建筑物和構筑物受到影響，為保證建筑物和構筑物的穩定性，需針對管線下方的土體做加固處理。土體加固可采用壓密注漿的方法，制備優質的漿液，將其注入土中，在漿液的固結作用下，改善土體的力學性質，提升土體的穩定性，保證頂管安全。

4.4 頂管偏差的預防與糾正措施

綜合考慮機頭折角、機尾地面沉降等現場監測數據，經綜合分析后，判斷頂管是否存在偏差，若有則安排糾偏。實際糾偏過程中，若糾偏動作后無折角變動，需隨即停頂，連同機械工、電工深入現場進行檢查，判斷電路和液壓管路的運行狀態，識別故障并妥善處理，使設備恢復正常，確保軸線達到設計要求。糾偏應具有及時性，盡可能在源頭上糾偏；觀察傾斜儀讀數的糾后趨勢，將實際情況告知地面和地下壓漿作業人員，必要時可適當加大壓漿量；頂進偏差用千斤頂糾偏，管道左側千斤頂采用左伸右縮的方法，反之亦然；遇到高程和方向均存在偏差的情況時，先確定偏差量較大的一項，予以調整，再調整另一項；較大偏差的糾正采取的是“少量多次”的方法，直至實際偏差被控制在許可范圍內為止；頂進偏差超出許可范圍時，隨即暫停頂進，探明實際情況，采取針對性的處理措施。

5 結語

綜上所述，頂管施工技術具有擾動性小、效率高等特點，是一項極具應用價值的管道施工技術，在市政給排水及其它的管網工程中取得廣泛的應用。但頂管施工技術應用期間涉及到的要點較多，工程人員需予以高度的重視，例如管道的選擇、進出洞的安全防護、偏差的調整等各項工作均要有效落實到位，在安全的前提下高效完成頂管作業。