市政給排水工程中的長距離頂管施工技術

郭盛

（太原市政建設集團有限公司， 山西 太原 030000）

頂管技術常被應用于管道工程中， 以無需開挖的方式將管道高效布設到位， 相較管道開挖敷設的方法而言具有施工擾動性小、 對地面保護效果突出的優勢， 地面建 （構） 筑物不會由于管道鋪設而遭到破壞。

1 長距離頂管施工技術的原理

頂進設備采用土壓平衡頂管機， 工作井的油缸提供動力源， 促進頂管機的運行， 將管道順利向前頂推到位。 頂管期間， 刀盤對現場土體有切割作用，產生的細碎土體被送至土倉和螺旋輸送機， 擠壓后形成壓縮土體， 而后被送出， 在該流程化作業方式下， 施工期間產生的棄渣可被轉運至指定場所， 避免隨意堆放。 頂管機開挖面的土層特性存在差異，為順利頂管， 需根據土層特性增添適量清水、 粘土漿或其它有助于改善土壤特性的材料， 促進土質轉化為可塑性和流動性均較強的泥狀土， 以便做擠壓處理， 高效輸送泥狀土。 頂管施工示意圖， 如圖1 所示。

圖1 頂管施工工藝示意圖

2 長距離頂管施工技術的應用優勢

2.1 對工程施工的積極影響

市政給排水管道頂管施工作業發生在地下空間中， 對地面的干擾較小， 不會由于現場施工而影響路面交通和路表建筑。 頂管施工全程的噪聲較低，環境污染問題得到有效的控制， 滿足安全文明、 生態環保的施工要求。

2.2 提高施工效率

長距離頂管施工技術對現場環境的適應能力較強， 無需提前開挖地面。 工程活動發生在地下的工作井內， 即便遇到雨雪等惡劣天氣， 施工進度也不會因此而受到過多的影響， 可按照施工計劃有條不紊地推進工程建設進程， 在指定期限內保質保量完成給排水管道的鋪設作業。

2.3 防護管線設施

隨著城市的發展， 地下管線的規格趨于多樣化，數量可觀， 地下空間內的設施豐富， 給排水管道施工時需兼顧既有管線的穩定性要求。 在應用長距離頂管施工技術后， 根據各類地下設施的布置情況靈活調節作業方式， 例如以曲線的方式穿行， 避開既有管線， 全程不易對地下管線設施造成過多的影響。

2.4 防護周邊生態環境

頂管施工未涉及大面積的開挖作業， 因此對地表的影響較小。 管道走向的可控性較佳， 可根據現場施工條件靈活控制， 不易對周邊環境造成影響。工程竣工后， 于短時間內恢復周邊環境， 避免傳統開挖鋪設方式存在的重新綠化問題。 可見， 頂管施工對周邊環境較為友好。

3 長距離頂管技術施工重點分析

3.1 管道材質及長度的選擇

根據管道的用途、 管道特性和施工現場的實際情況， 選用鋼管、 鋼筋混凝土、 球墨鑄鐵管等材料[1]。 在城市給水工程頂管施工中， 由于采用了千斤頂所產生的巨大推力， 而且管線中流動著大量的生活污水和城市雨水， 會對管片造成很大的腐蝕，所以選擇具有高強度、 耐腐蝕性能的鋼筋混凝土管材， 可以在長時間內不滲漏， 從而確保工程的工期和質量。

3.2 頂管機的選型

為了保證建筑施工項目工程的質量和安全， 必須按照設計要求和操作規范合理使用頂管設備。 通常在地下水位超過穩定的情況下， 可以在局部采用敞口頂管設備， 或者選用土壓平衡頂管設備； 如果使用在不穩定層的地下頂管施工中， 必須按照地下水位的高低合理選取頂管機， 首選土壓平衡頂管或者泥漿水平衡頂管， 同時也要根據具體土層情況而定； 對于含地下水的砂礫巖和碎石， 必須采用泥漿平衡頂管。

3.3 工作坑的施工

在城市給水工程頂管作業中， 工作坑的澆筑形式主要以現場施工為主， 模具形式主要有圓形、 多邊形和方形等， 方形的長寬之比首選3∶2， 通常是用在直立頂管或兩個切向角度接近180°的折線頂管上。如果遇到工作面夾角過小， 無法使用方形作業環境時， 而且工具坑深度大于可作業距離時， 要根據此情況采用圓形， 并采用沉井方法進行作業。

4 長距離頂管施工技術在市政給排水工程實例中的應用

某市政給排水工程， 管道鋪設采用長距離頂管施工技術， 頂管全長 535.5m， 最大單元長度為140m， 管道采用C50Ⅱ級加強離心式預應力鋼筋混凝土管， 抗滲等級為S6， 按30m、 40m兩種間距修筑檢查井， 并配套2 個工作井 （管道頂進） 和3 個接收井 （頂管出洞）， 提供充足的空間用于頂管作業。 頂管施工流程， 如圖2 所示。

圖2 頂管施工流程圖

4.1 頂管準備工作

頂管范圍內以淤泥砂或粘土層為主， 由于地質條件的特殊性， 頂管難度較大， 且管道的直徑超過800mm， 僅采取人工作業的方法面臨頂進困難、 效率低、 效果差的局限性。 因此， 以機械化作業的方式頂管， 根據長距離頂管施工要求適配千斤頂、 起重機、 經緯儀、 全站儀、 水泵等各類設施， 進場時安排檢驗， 保證設施運行狀態穩定可靠、 運行精度較高。

4.2 工作井的修筑

工作井長 7m、 寬 4m， 用 C30 鋼筋混凝土設0.4m厚的護壁， 維持井壁的穩定性， 底板為0.5m厚的鋼筋混凝土結構[2]。 于工作坑外修筑水泥攪拌樁止水帷幕， 樁徑 0.50m， 搭接量 0.15m， 采用P.032.5 普通硅酸鹽水泥， 用量 70kg/m， 水灰比0.45 ～0.50。 人工垂直開挖工作井， 每開挖1m隨即采取護壁措施， 保證各段井壁的穩定性。 于井底施打木樁， 并采取封閉措施。

4.3 后背墻的設置

后背墻屬于支撐結構， 有助于維持千斤頂的穩定性。 后背墻高2.76m， 厚30cm， 以工作井兩邊內墻加寬的方法施作后成型， 于后背墻上鋪設鋼板，使后背的受力具有均勻性。 后背墻壁面垂直度允許偏差為0.1%， 與管道頂進方向垂直。

4.4 工作井導軌的安裝

導軌引導管節按特定的方向有效頂進， 為保證頂進的準確性， 要求導軌的位置和穩定性均達到要求。 在本工程中， 導軌材料采用雙排I20 工字鋼和20 槽鋼， 經焊接后構成導軌。 提前加工成型， 運至現場后用于安裝。 導軌安裝時加強監測與控制， 軸線位置偏差需在3mm 以內， 頂面高程也需滿足要求。

4.5 千斤頂的配套

1） 聯合應用3 臺200t的千斤頂， 布設位置與管道中心的垂線對稱， 為避免千斤頂產生過大的頂進偏差， 要求合力的作用點與管壁反作用力作用點共處相同的軸線。 著力點以管節垂直直徑的1/5 ～1/4 處較為合適； 2） 為千斤頂適配 zB.50 型高壓油泵， 各千斤頂的進油管并聯， 油管安裝時盡可能減少轉角， 保證油管順直。

4.6 頂進作業

4.6.1 正常頂進

頂管前， 全面檢查頂管所需的各類設備和材料，開鑿護壁的管孔并打設工具管。 頂進期間加強觀測，每頂進30cm安排一次測量， 必要時增加測量頻率；管道被頂進至土層后， 測量頻率為每100cm至少一次[3]。 頂進初期加強現場觀測， 要求軸線偏差不超過3mm， 高程偏差不超過0 ～3mm， 某項指標不合理時隨即調整。 新開頂時對管路補漿， 并做到邊壓觸變泥漿邊頂進。

4.6.2 測量與糾偏

于觀測臺上布置激光經緯儀， 將儀器的激光束作為管道中心線和頂管導向的基準線。 正常頂進狀態下， 頂管機的測量靶中心與激光斑點中線呈重合關系， 產生頂進偏差時， 激光斑點偏離原有位置，操作臺的監示器及時呈現測量靶的圖像， 告知工作人員激光斑點的偏離情況， 進而根據顯示結果控制糾偏千斤頂的伸縮量， 恢復正常頂進狀態。 頂進全過程中， 頂管機始終沿激光束方向前行， 現場作業人員及時測量管線的中心方向、 高程和坡度， 根據測量結果動態控制。

1） 沿線路布設四等水準路線， 為獲得準確的頂管高程放樣結果， 于井口位置埋設臨時水準點； 2）根據導線點和水準點測定井的平面位置及深度， 以測量數據為指導， 妥善開挖工作井； 測量始發井與接收井的管道中心線， 投射至地面， 設置標記； 3）根據導線點和方位角重新精密測量二井間的導線，聯測二井投點。 條件適宜時， 投點可作為導線點進行使用， 原因在于此時投點的坐標更具準確性。 布設的各導線點均要穩定可靠， 以便后續高效復測；4） 于始發井邊緣測放頂進方向的坐標點， 向井下投設方向線， 傳遞高程， 埋設臨時水準標點； 5） 在工作井下建立控制觀測臺， 適配儀器基座， 調節儀器直至處于中線位置為止， 同時根據儀器的布設情況對其橫軸進行調節， 要求調整到中線的高度上。

4.6.3 糾偏措施

頂管機發生偏移時， 測量靶激光點偏移， 根據偏移量計算頂管機的斜率， 再以計算結果為參考調節千斤頂組， 實現對頂管機頂進方向的調節。 為保證糾偏的有效性， 以緩慢、 多次的方式操作， 使管節逐步復位。 激光經緯儀安裝在觀測臺上， 將儀器發出的激光束作為管道中心線和頂管導向的基準線。頂管機運行過程中出現偏差后， 測量激光靶中心無法與光斑中心保持重合， 由于偏差的產生， 隨即發出偏離信號， 工作人員經由監示器及時獲取監測視頻， 判斷頂管機的作業偏差， 采取方向糾偏措施。以循序漸進的方式糾偏后， 使工具頭沿激光束方向平穩運行， 高效推進頂管作業進程。 工具頭頂進初期的偏差必須得到有效控制， 否則將導致整體頂進效果偏離預期。 以開始頂進的5 ～10m尤為關鍵， 軸線位置、 高程的偏差分別不超過50mm、 30mm， 某項參數超標后隨即糾偏。 糾偏禁止強制性進行， 糾偏時根據偏差量靈活調整糾偏的次數， 以循序漸進的方式使管節逐步復位[4]。

工具頭前方有糾偏節， 于該處設置糾偏千斤頂，作為頂管機糾偏的關鍵設施。 頂進期間加強觀測，根據實際偏差靈活調整糾偏千斤頂， 優化工具頭的作業方向。 考慮到小偏差未及時糾正易導致大范圍偏差的情況， 需在工具頭的方向偏差達到10mm以上時隨即采取糾偏措施， 確保工具頭始終沿著合適的路徑運行。 管頂出穿墻管時的偏差易對全段的頂管效果造成影響， 有必要加強控制。 管段長度短、工具頭重量大， 加之現場土質條件的特殊性， 易在進出洞口時出現 “下偏” 的情況。 為此， 一方面調整千斤頂作用力的合力中心， 另一方面利用工具頭自身糾偏， 將頂管方向穩定在合理的范圍內。 糾偏作業遵循多次、 少量的基本思路， 每次糾偏的幅度以5mm為宜， 經過糾偏后繼續頂進1m， 若在此階段的頂進過程中頂管機的測量偏位趨勢并未得到緩解， 需加大糾偏力度， 采取更具有效性的糾偏措施。糾偏后， 若測量結果顯示偏位趨勢有減小的變化跡象， 在原糾偏方式的基礎上適當減小糾偏力度， 逐步使頂管作業恢復正常狀態。

5 長距離頂管的其它施工措施

1） 穿墻頂進、 頂管出洞是頂管全流程中極為關鍵的階段， 容易由于控制不當導致頂管偏差超出許可范圍。 為保證頂進的有效性， 在接收井四周做深層水泥攪拌處理， 通過水泥漿液的應用實現對穿墻管前方2m內土體的加固， 土體經過加固后更具穩定性， 兼具擋土、 阻水的作用； 2） 利用觸變泥漿降低頂管時的阻力， 以便順利將給排水管道頂進到位。 按照膨潤土∶堿∶水 =0.4∶0.02∶1 （質量比） 的方式制備泥漿， 利用LI50 型壓漿泵進行壓力注漿， 壓注的泥漿發生固結， 形成完整、 穩定的泥漿套。 每4 節管設一處注漿孔， 逐孔有序注漿。 壓漿遵循 “即壓即頂， 少量多次” 的基本原則， 保證壓漿的有效性；3） 頂管節接頭的形式主要根據管道類型而定， 以混凝土管為例， 適配F型橡膠密封圈柔性接口是可行的方式， 為保證接口部位具有嚴密性， 配套合適規格的氯丁橡膠楔形膠圈， 接頭內設置止水鋼環， 避免任何滲漏水現象[5]。

6 結語

綜上所述， 為減小市政給排水管道施工對周邊環境的影響， 工程常采用長距離頂管施工技術， 但施工中難免遇到技術難點， 需要結合現場實際狀況對施工技術做靈活的優化， 為頂管作業創設良好的條件。 例如， 頂進前做好現場準備工作、 頂進期間采取監測和糾偏措施、 加強管節間的密封處理， 在工程人員的共同配合下， 以科學的方法順利將市政給排水管道頂進到位， 使建成的給排水管道能夠滿足城市的給水、 排水要求。