頂拉管工藝淺析及應用

王曉楠

（廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

0 引言

在市政排水管道施工中，國內采用較多的非開挖工藝為頂管工藝和水平定向鉆工藝。其中，頂管工藝相較于傳統的開挖施工可以減少對地面的影響，提高施工安全性，對復雜地形的適應性也較強，但頂管井和接收井的施工周期較長，糾偏困難，頂進精度不高，對于小管徑管道來說施工成本較高，對土體及周邊擾動大，地基處理困難[1]。而水平定向鉆工藝起源于油田鉆進技術，其將石油工業的定向鉆進技術和傳統的管線施工方法結合在一起，施工速度快、成本低，廣泛應用于供水、煤氣、電力、電訊、天然氣、石油等管線鋪設施工工程中。該工藝施工所需的空間小，但是標高控制不夠準確，且在拉管中管道軸向受力大，容易造成軸向變形[2]，使其在排水管道施工中受到一定的限制。

頂拉管工藝是由頂管工藝和水平定向鉆工藝改進的施工工藝，該工藝結合了兩者的優點，由于其環保、高效、適應性強等特征，正逐步獲得推廣應用。

1 頂拉管工藝流程

頂拉管工藝利用水平定向鉆施鉆造斜段，鉆頭穿入近端工作井后，沿著管道設計中心線鉆進，從近端的工作井鉆至遠端工作井；在遠端工作井內卸下導向鉆頭，安裝比設計管道外徑稍大的反向掘進鉆頭，進行反向擴孔，反向掘進鉆頭后方連接分動傳力連接桿和管頭連接罩，通過管頭連接罩與設計管道連接；在管道后端設置錨環、特制連接短鉆桿及管道后端頂板，通過后端頂板的作用力將管道往前推進并完成自鎖連接。施工過程中，管道基本只承受井壁與土壤之間的摩擦力，相比于水平定向鉆技術和頂管技術，管道施工過程中的軸向受力小，軸向變形少。頂拉管工藝流程如圖1所示。

圖1 頂拉管工藝流程

2 頂拉管技術要點

頂拉管工藝包含以下4 個關鍵環節：前期工作、工作井施工、定向鉆導向及擴孔鋪管。

2.1 前期工作

前期工作包括場地勘察、管材選擇、管道設計等，是頂拉管施工的基礎和依據，詳盡合理的前期工作可以減少施工過程中的風險，提高施工效率，降低施工成本。

2.1.1 場地勘察

場地勘察包括地形測量、管線探測和地質勘探，通過地形測量，了解施工場地周邊的環境情況，如道路寬度、構筑物分布、水系分布等，作為管路設計的基礎資料。通過管線探測摸清場地埋地管線分布位置、標高、規格、材質，以確定新建管道的平面位置和豎向標高。施工場地的地質條件對頂拉管工藝影響較大，通過地質勘探掌握地層的分布情況、地下水位高程情況，設計時根據地質勘探資料采用合理的處理措施。

2.1.2 管材選取

頂拉管工藝要求所選用的管道應能滿足剛度要求，同時也需要具備一定的柔性，工程中采用雙密封自鎖承插接口復合實壁管，該管道具有以下優點。

（1）剛柔兼備。管道為實壁塑料管，能滿足管道剛度的要求，同時具備足夠的柔性以滿足施工工藝和地質不均勻沉降的要求。

（2）管道連接可靠、方便。管道采用承插連接，在承口的內側和插口的外側為鋸齒狀的條紋，確保管道在抗拉和抗壓的工況下均能保持有效的結構連接，管道接口處的膠圈確保了管道接口的密封性，在施工過程中，通過后擋板的頂力即可實現管道的連接。

（3）管道輕便、短小。該管道最小的管節為0.50 m，輕便短小的管材能夠滿足小空間的安裝需求，特別適用于場地局促的建成區[3]。

2.1.3 管道設計

管道設計是前期工作中的核心，包括管道工藝設計和管道結構設計。工藝設計確定管道的平面位置、管徑、豎向標高及工作井間距；結構設計確定工作井井型和施工方案。根據形狀的不同，工作井分為圓形井和方形井，圓形井受力條件好，方形井可應用于場地寬度受限處，工作井的施工方案有開挖法、逆作法和沉井法，設計時，應根據場地環境和地質條件的不同，選取合適的井型和施工方案。

2.2 工作井施工

根據定向鉆機的放置位置，將頂拉管工藝分為兩種工況：定向鉆機放置在地面的地面式工況和定向鉆機放置在檢查井內的坑式工況。坑式工況由于設備放置在工作井內，對工作井空間需求較大，工作井直徑通常大于2.5 m，而地面式工況工作井直徑可以采用2.0 m，甚至1.5 m。當施工場地交通繁忙或地面存在敏感設施時，建議采用地面式工況，以減小對現狀地面設施的破壞，頂拉管井可采用現澆或預制檢查井，現澆檢查井現場適應性好，可以根據現場排水管接入情況調整孔洞位置，較為靈活，但施工工期長。預制檢查井批量化生產，可以大幅縮減施工工期，提高產品質量，但遇到現場調整時，會對井的整體結構造成一定的破壞。

工作井施工方式可采用支護開挖施工、逆作法施工或者沉井施工[4]。支護開挖施工需要對場地進行鋼板樁支護，對周邊場地的擾動較大，敏感區域謹慎采用；逆作法施工可以減小對周邊場地的影響，施工可控性較好，但需要對井周邊加注止水樁，工程造價較高；沉井法施工適用于土質較軟、地下水位較高的地段，但在沉井過程中遇到管線或漂石等障礙物時，處理較困難。

2.3 定向鉆導向

定向鉆導向孔施工是頂拉管工藝的關鍵步驟，地面式工況將導向鉆機放置于井外，通過造斜段使導向鉆頭到達設計標高，整鉆頭角度，按設計管道中心標高鉆進至第一個工作井，穿過預留孔洞后沿著設計管道中心標高穿入下一個工作井，這種工藝可以減小工作井徑尺寸，降低對地面設施的影響，但標高控制難度較大。此外，還有一種導向方式，即為井內導向，將導向設備放置在井內，工作井直徑較大，但標高控制較為準確。

2.4 擴孔鋪管

擴孔鋪管為頂拉管工藝的核心步驟。完成定向鉆導向后，在工作井內將導向鉆頭更換為反向擴孔掘進鉆頭，該鉆頭沒有內置動力，依靠定向鉆機提供拉力及擴孔所需的切削扭矩，在反向擴孔鉆頭后面連接傳力桿，傳力桿與特制連接短鉆桿連接，可以根據施工進程不斷將特制連接短鉆桿進行連接加長，在管道后面安裝后端頂板，當管道貫入土層以后，再加長連接短桿，并安裝第二節管道，管道接口形式采用雙密封自鎖承插接口，通過導向機傳導至后端頂板的頂力，即可實現兩節管道的咬合連接，重復以上步驟，直至完成整個管段的安裝。在此過程中反向掘進鉆頭的直徑要根據管道直徑來選取，通常掘進鉆頭的直徑比管道直徑大50 mm 左右即可，這樣既能減小管道在頂拉過程中的受力，確保管道的順利敷設，又不會因為管道周邊空隙太大而導致地面沉降和塌陷，影響公共安全。地面式頂拉管工作如圖2所示。

圖2 地面式頂拉管工作

3 技術特點

頂拉管工藝因其獨特的優勢，獲得業內認可和應用，該工藝具有以下優點。

（1）施工周期短、效率高。頂拉管工藝無須進行大范圍的支護開挖作業，工作井井徑小，且其獨特的管道連接方式方便、可靠，大大縮減了施工周期，提高了工作效率。

（2）施工質量控制好。施工過程中管段一次性頂拉到位，整體性好，在施工過程中管道受到的軸向力小，軸向形變小，減少了管道施工過程中的結構性缺陷，確保了管道施工質量，另外擴孔鉆頭的外徑僅需略大于管道外徑，標高控制準確[5]。

（3）施工安全性好。頂拉管工藝為非開挖施工，相對于明開挖施工，其安全性好，且頂拉管工藝工作井徑小，施工周期短，難度小，可減小施工過程中不可控風險。

頂拉管工藝獲得了成功應用，但目前還沒有出臺相應的設計和施工標準，無法為設計和施工提供規范的技術標準和工藝做法，且由于頂拉管工藝需要管材能承受一定的頂力，需要采用實壁塑料管，管材成本比較高。

4 工程案例

象角涌位于中山市沙溪鎮，起點為康樂北路，中游有沙溪一涌從西北側匯入，河道整體流向為自東北向西南，流入沙溪涌，總長0.97 km，寬度約8 m。由于片區周邊沒有完善的市政污水管，區內生活污水直接或間接排至象角涌，導致河涌水體重度污染，黑臭嚴重。

為了解決河涌黑臭問題，本工程完善了象角涌周邊的市政污水管，新建污水主管位于康樂北路，管徑為DN40～DN500，管道埋深2.60～7.05 m，康樂北路為片區的市政主干道，道路寬37 m，其中車行道寬16 m，由于非機動車道和人行道范圍管線密集，已無新建管管位，因此將污水管敷設于機動車道下。根據項目地質勘查資料，管道埋深范圍內自上而下為素填土、淤泥及粉質黏土。該區域地下水位較高，開挖施工容易引發次生災害，且考慮到道路交通繁忙，為了減小對交通影響，最后確定采用頂拉管施工。區內共新建DN400 污水管1254 m，新建DN500 污水管383 m，新建頂拉管工作井62 座。污水管平面布置如圖3所示。

圖3 污水管平面布置

頂拉管工作井的間距依據污水支管接入位置、污水管檢修要求、工程地質情況等綜合確定，本工程井間距控制在40 m 以內，采用圓形井，頂拉管機采用地面設備，工作進井徑根據管節長度及所需操作空間確定，本工程采用的管道為單節長1.0 m 的HDPE 雙密閉自鎖承插復合實壁管，考慮1.0 m 的安裝空間要求，工作井采用直徑2 m 的預制井，施工方式為沉井法施工。對頂拉管工藝、明開挖工藝和頂管工藝在工程施工、環境影響及單位工程費用等進行分析對比，如表1所示。

表1 象角涌截污工程施工工藝對比

在工程施工方面，頂拉管在標高控制方面沒有明開挖施工準確，但在施工周期和安全性方面都有明顯的優勢。在環境影響方面，頂拉管對場地的占用少，對交通影響和周邊構筑物影響小。在費用方面，頂拉管工藝綜合單價略高于明開挖工藝和頂管工藝。

5 結語

頂拉管工藝安全性高，施工周期短，效率快，對周邊環境影響小，特別適用于建成區的改造工程，近年來也逐步獲得了業內認可，為了進一步推廣該工程技術，需要盡快制定相應的技術標準，用于指導和規范設計、施工，充分發揮該技術的應用潛能。