市政給排水施工中長距離頂管施工技術(shù)研究

1 引言

在市政給排水工程中， 長距離頂管施工是極為關(guān)鍵的技術(shù)體系與作業(yè)環(huán)節(jié)。 結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，長距離頂管施工技術(shù)雖然由來已久， 但仍在工程應(yīng)用中存在諸多實踐性問題，如施工質(zhì)量的保障問題、施工環(huán)境的適應(yīng)問題等。 基于此，本文對長距離頂管施工技術(shù)的工程應(yīng)用進行研究， 并探索把控施工質(zhì)量、降低環(huán)境影響的可行路徑。

2 市政給排水施工中長距離頂管施工技術(shù)的影響因素

首先，施工材料、施工設(shè)備等基礎(chǔ)條件對施工效果存在決定性影響。 一方面，若鋼材、混凝土等材料的性能或質(zhì)量較差，以其為基礎(chǔ)制成的工作井、 管道等構(gòu)筑物勢必存在基礎(chǔ)性的質(zhì)量隱患，繼而容易出現(xiàn)工作井井壁開裂、管道受力形變等負面問題。 另一方面，吊裝、頂管、掘進等施工設(shè)備若存在性能不穩(wěn)定、推力不足、耐磨性差等問題，不僅難以滿足長距離頂管施工的應(yīng)用需求， 還可能在投用運行中出現(xiàn)嚴重的設(shè)備故障或部件損耗，進而對施工的安全性、穩(wěn)定性、連續(xù)性造成消極影響。 所以，必須在施工前期做好設(shè)備、材料的合理選擇與檢驗調(diào)試，并全程實施材料、設(shè)備的監(jiān)測管理[1]。

其次， 工藝缺陷也會對長距離頂管施工的實際效果產(chǎn)生影響。 例如，若單純采用頂管設(shè)備開展推進作業(yè)，并未在方案設(shè)計、施工實踐中引入注漿保護、軸線糾偏等輔助機制，將很容易引發(fā)鋼管破損、地質(zhì)擾動、管位偏移等問題，導(dǎo)致施工風險的形成。 所以，必須合理安排工藝流程、科學運用輔助手段，以全方位地提高施工質(zhì)量[2]。

最后，長距離頂管施工具有施工線路長、涉及范圍大的特點，所以，難免面臨復(fù)雜多變的環(huán)境條件。 在此背景下，若未及時做好環(huán)境分析與施工調(diào)整， 也容易引發(fā)不必要的施工質(zhì)量與施工效率風險。 一般來講，長距離頂管施工中常見的土質(zhì)包括淤泥質(zhì)黏土、砂性土、強風化巖等。 其中，淤泥質(zhì)黏土質(zhì)地較軟、頂管難度較低，但存在較大的土基形變風險。 砂性土的黏結(jié)性、凝聚力較差，在頂管擾動作用下易發(fā)生流沙現(xiàn)象。 強風化巖結(jié)構(gòu)相對脆弱，通常在較小的作用力下便會粉碎崩解。 實際施工時，需要根據(jù)土質(zhì)選擇合理的頂管施工設(shè)備，淤泥質(zhì)黏土及砂性土宜選用多刀盤土壓平衡式的頂管機械， 強風化巖則宜選用偏心破碎泥水式的頂管機械。

3 市政給排水施工中長距離頂管施工技術(shù)應(yīng)用分析

以河北省某市政污水管網(wǎng)建設(shè)工程為例， 對長距離頂管施工技術(shù)的應(yīng)用進行分析研究。 工程位于河北省中部某地，長距離頂管施工段處于市政污水管網(wǎng)中部， 總長度2 723 m，分WJ1-WJ2、WJ2-WJ3 兩個區(qū)間進行長距離管道的頂進，其中，WJ1-WJ2 頂進區(qū)間的施工距離為1 310 m，WJ2-WJ3 頂進區(qū)間的施工距離為1 413 m，主要地質(zhì)為淤泥質(zhì)黏土和沙土。 管道主體材質(zhì)為鋼筋混凝土，管道外徑φ1.8 m。

3.1 施工準備

施工準備階段，需要做好工程區(qū)域的全面調(diào)查，并根據(jù)實際情況進行所需頂力F 的計算， 基本公式為F=F迎+F頂（其中，F(xiàn)迎為頂管施工相對方向的阻力；F頂為頂管施工頂進方向的阻力）。 案例工程中，主要進行如下計算：首先，F(xiàn)迎與土壓力有關(guān)，因此，需要按照公式P=KγH（P 為土壓力；K 為土壓系數(shù)；γ 為土壤濕密度；H 為地面高程與頂進設(shè)備中心位置的最大間距）進行土壓力的計算。 結(jié)合工程調(diào)查與常規(guī)標準，所得土壓系數(shù)為0.55，土壤濕密度為1.9×103kg/m3，地面與設(shè)備高程的最大設(shè)計間距為6.55 m。由此，得到土壓力為6.8×103kg/m2。其后，按照公式F迎=πDP/2（D 為長距離頂管施工中管道的外徑尺寸，即1.8 m）對F迎進行計算。 由此得到頂管對向阻力為192.1 kN。 最后，按照公式F頂=πDfL（f 為摩阻力；L 為單次頂進施工的最大距離）對F頂進行計算。案例工程中，施工段土層摩阻力取800 kg/m2，施工設(shè)計的單次最大頂距為96 m，由此得到頂管頂進方向阻力為4 340.7 kN。 最后，對F迎與F頂進行相加計算， 即可得知案例工程實際施工所需的最大頂力為4 532.8 kN。基于此，在選擇頂進設(shè)備時，將總推力定為5 000 kN，以滿足管道頂進的施工需求。 同時，做好經(jīng)緯儀、起吊機、龍門架、泵機等設(shè)備工具的完善配置，并落實材料、能源、組織、安全等基本的工程管理準備工作。

3.2 工藝方法

長距離頂管施工涉及多個技術(shù)環(huán)節(jié)，整體的工藝流程如圖1 所示。 在此基礎(chǔ)上，各技術(shù)環(huán)節(jié)還進一步包含多個施工步驟

圖1 長距離頂管施工的整體流程

案例工程中主要使用的工藝方法、方案安排如下。

首先，做好施工現(xiàn)場的各項準備工作，主要包括施工場地清理、材料進場檢查、設(shè)備到位調(diào)試、人員技術(shù)交底、布置安全設(shè)施等。 其后，開展沉井施工，構(gòu)建工作井，并進行導(dǎo)軌、后靠墻、油泵站等設(shè)施的井內(nèi)安置，為頂管設(shè)備的進出洞夯實基礎(chǔ)條件。 其后，依托導(dǎo)軌設(shè)施，將頂管設(shè)備下放安裝至井下預(yù)設(shè)位置，操作設(shè)備機頭穿墻出洞[3]。機頭順利出洞后，操作起吊設(shè)備將工廠預(yù)制的鋼混材質(zhì)管道吊裝至WJ1-WJ2、WJ2-WJ3施工段上的指定位置，并進行嚴格的糾偏調(diào)整。 在此基礎(chǔ)上，啟動頂管設(shè)備勻速、穩(wěn)定地開展頂進施工。 頂進施工期間，同步開展掘進作業(yè)，并全程做好頂管方向、頂管路徑、頂管應(yīng)力等方面的測量工作，及時、動態(tài)地進行頂進糾偏與參數(shù)調(diào)整。階段性頂進施工完成后，對相鄰段管道進行連接安裝，并嚴格檢查連接質(zhì)量。 最后，在確認管道埋設(shè)方位、安裝質(zhì)量等整體達到工程要求后，才可開展下一階段的施工作業(yè)。 長距離管道全段頂進完成后，穩(wěn)定撤出頂進設(shè)備及配置設(shè)施，實現(xiàn)整體管道連接貫通，并結(jié)合設(shè)計圖紙、施工方案、技術(shù)標準等工程資料對施工成果實施精細化、嚴格化的竣工驗收。

3.3 技術(shù)要點

1）在工作井的沉井構(gòu)建環(huán)節(jié)中，主要采用分節(jié)沉井、分次降水的技術(shù)手段。 沉井制作時，運用分層澆筑的方式，先對沉井底腳部分進行澆筑成型。待混凝土強度超過70%時，再進行沉井上部結(jié)構(gòu)的澆筑。 沉井安置時，嚴格控制井體下沉的垂直度，并在每節(jié)沉井結(jié)束后及時進行檢測糾偏。 一方面有效保證了工作井的成型制作質(zhì)量，避免了井壁施工縫的形成。 另一方面， 充分實現(xiàn)工作井的下沉位置、 結(jié)構(gòu)強度與工程設(shè)計相一致，進而為后續(xù)頂管施工提供穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)的基礎(chǔ)設(shè)施保障。

2）在頂管設(shè)備的機頭出洞環(huán)節(jié)，對洞門進行止水處理，具體手段主要為安裝止水閥及止水膠圈。 同時，通過設(shè)備精控實現(xiàn)機頭的快速、穩(wěn)定出洞，從而保證洞口的封閉效果處于理想水平，避免洞外淤泥質(zhì)黏土、軟質(zhì)沙土進入工作井內(nèi)，對頂管施工的質(zhì)量產(chǎn)生負面影響。

3）在管道頂進施工中，全程化、實時性地對頂管軸線、頂管速度、頂管推力、設(shè)備狀態(tài)進行監(jiān)測控制，持續(xù)保證勻速、穩(wěn)定作業(yè)。 本工程中， 主要依托全站儀實現(xiàn)頂管施工的軸線控制。 實踐時，先使用全站儀對管道的中線進行測定，再在工作井上部的前后兩端各裝設(shè)一塊鋼板， 并用全站儀在鋼板上放出軸線點。 其后，使用鋼絲在鋼板下方懸掛吊錘，吊錘質(zhì)量為10 kg，并調(diào)整其懸掛方向與軸線相重合。 最后，使用經(jīng)緯儀以垂直角度向頂管機標靶處發(fā)射激光， 由此實現(xiàn)頂管軸線的偏差確定。 在施工過程中，一旦發(fā)生軸線偏角過大、頂管推力波動、油缸參數(shù)變化等情況，及時進行停工檢查，并通過調(diào)整設(shè)備伸縮量實現(xiàn)偏移糾正， 使實際頂管軸線與設(shè)計軸線實現(xiàn)高度重合。 檢修糾偏完成后， 方可再次開展后續(xù)的管道頂進施工。 做好這方面的技術(shù)控制，既能充分避免位移量累積導(dǎo)致的圖實不符問題，保證管道的安裝位置、連接效果與工程預(yù)期相一致。 同時，也能防止頂管設(shè)備出現(xiàn)帶病運行的問題，從而確保施工活動的穩(wěn)定性、安全性與經(jīng)濟性。 在此基礎(chǔ)上，在管道頂進的同時開展注漿作業(yè)， 從而在施工管壁與外部土層之間形成泥漿護套。 如此一方面有助于降低土層對管道頂進的阻力影響，繼而提升頂管施工的順利性，并對管道、機頭起到有效保護作用。 另一方面，也有助于降低頂管施工對周圍土層的擾動影響，從而淡化地質(zhì)事故的形成風險。

4）對頂管設(shè)備實施適應(yīng)性處理。 在案例工程的WJ2-WJ3頂管區(qū)段中，存在含有大塊碎石、卵石的復(fù)雜土層，進而導(dǎo)致頂管設(shè)備的機頭發(fā)生嚴重磨損，檢測發(fā)現(xiàn)刀盤尺寸已有3 550 mm 損耗至3 480 mm。 對此，及時根據(jù)實際工況對頂管設(shè)備刀盤部分實施適應(yīng)性改造， 將刀具更換為高強度的耐磨合金材質(zhì)， 并將刀盤外圈耐磨件由6 個增加到12 個， 如圖2所示。 改造完成后，頂管設(shè)備機頭刀盤對復(fù)雜土層的適應(yīng)能力明顯增強，磨損程度降至較低水平，有效削弱了機頭磨損對頂管施工質(zhì)量與進展穩(wěn)定性的影響，從而保證了WJ2-WJ3 區(qū)段的按期保質(zhì)完工。

圖2 機頭刀盤改造

3.4 施工效果

長距離頂管施工完成后，WJ1-WJ2、WJ2-WJ3 兩區(qū)間的作業(yè)質(zhì)量全面達標， 施工效果滿足市政污水管網(wǎng)建設(shè)的質(zhì)量與工期要求，并符合GB 50268—2008《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》等技術(shù)文件的各項規(guī)定。 在此基礎(chǔ)上，長距離頂管施工技術(shù)的應(yīng)用效果較為理想，對施工環(huán)境的適應(yīng)性強，工程活動對施工區(qū)域內(nèi)土層、設(shè)施的影響較小，全程未發(fā)生嚴重的安全事故、地質(zhì)事故，綜合效益顯著。

4 結(jié)語