市政給排水施工中長距離頂管施工技術的應用與分析

鄭泊軒

深圳市市政設計研究院有限公司 廣東 深圳 518048

長距離頂管施工是目前給排水工程施工中比較普遍的一種先進的施工技術，這種施工技術手段在工程實踐中具有很強的優越性，不僅可以提高施工效率，還能產生較高的經濟與社會效益。隨著城市基建工程范圍不斷擴大，頂進距離不斷延長，面臨著更加復雜的地質條件，施工的難度越來越大，必須要做好工藝技術手段的精細化管理，進一步提升施工專業水平，從而確保工程施工質量。

1 影響長距離頂管施工技術應用的主要因素

1.1 地質調查與勘探

地質勘探決定了頂管施工可行性，在地質條件良好的前提下可以采用長距離頂管施工。對于頂管區域地質條件的初勘、詳勘，需結合場地的復雜情況、周邊地形地勢開展。探明頂管區沿線的地形、地貌、地質、地下水位以及地下管線等勘探資料。只有在地質條件符合要求時，方可采用長距離頂管施工。但是，地質勘探無法覆蓋到每一個角落，頂管區域是有可能存在未探測到的孤巖或其他零星分布的物體的，從過往的工程建設經驗來看，長距離頂管的路線遇到這些孤立物體是一個極小概率的事件，但這也是長距離頂管施工的一個風險所在。

1.2 管體材質與選型

目前主要的頂管管材主要包括鋼筋混凝土管、鋼管、玻璃鋼管、鑄鐵管以及陶土管，在市政給排水工程施工中比較常使用的管道管材類型以前兩種為主。在長距離頂管施工中，管體材料的選擇適合與否直接影響著工程整體的施工質量，一定要結合工程實際情況選擇適合的管材，這樣才能保障施工質量。頂進管材優缺點如表1所示。

表1 頂進管材優缺點

1.3 頂管推力

市政給排水管道施工中頂管的推力對施工效果有重要影響，可以針對不同工況設定不同的頂管設備推力值。在實際施工中使用不同管材管道的推力值大小也具有很大差異，常規條件下，混凝土管道的抗壓為50MPa左右，玻璃纖維管的抗壓強度在90-200MPa，鋼管的抗壓強度在320MPa上下。基于此可確定鋼管的抗壓強度最高，在施工過程中能夠承受更大的頂管強度，同時因為其本身質量較輕，頂進阻力較小，因此在頂進過程中需要的推力也會相應減少，這也是這種管材常應用于長距離管道施工的主要原因之一[1]。

1.4 管道的偏移

在給排水管道頂管施工過程中，一般都會產生難以避免的偏差，在頂管施工過程中對管道的偏移進行及時的糾偏，把頂管的偏差控制在一個允許值范圍內，是保證頂管質量的關鍵。長距離頂管施工中管道偏移有很多種可能，地勘不詳、施工放線不精確、推力設定過高過低等都有可能導致管道偏移。偏移現象的發生會加大頂管施工難度，同時還為給排水管道工程施工埋下了安全隱患，對后續的施工以及維護等均具有不良影響。

1.5 工作井作業

長距離頂管施工技術在工程應用中一般需要一個工作井及一個接收井，由于頂推管道往往埋深較深，通常把工作井和接受井坑設計為圓井或矩形井的形式。在工程實際應用中，往往長距離頂管并非一條直線，在這種情況下就需要在轉角點合理設置中繼井，中繼井既可以作為工作井，也可以作為接收井。合理設計頂管工作井的位置，確定最優的頂管路線，能很大程度降低施工難度，保證施工質量。另外，在長距離頂管工作井施工的過程中，如果工作井是大開挖施工，工作井基坑周圍需要根據地質情況、井深設置強度足夠的支護措施，如果是用沉井法施工，沉井的井身應具備足夠的結構強度，在地下水位較高的地區，頂管工作井施工設置降排水措施以及井體的防水措施也是必要的。此外工作井的設計也需要結合頂管的管材和機具統籌考慮，工作井必須保證足夠的作業空間，例如采用混凝土頂管，由于市面上的混凝土頂管大多為2.5米/節，工作井可以設計得小一些，如果采用鑄鐵頂管，市面上的鑄鐵頂管多為6米/節，則工作井就要設計得更大，工作井的設計不僅關乎頂管工藝的具體實施，也關乎項目的整體投資，需要審慎設計。

2 長距離頂管施工技術在市政給排水施工中的應用研究

市政給排水管道長距離頂管技術在施工前期，施工班組在預先構筑的頂管工作井或工作坑中操作掘進設備，頂管設備一邊掘進一邊出土，掘進產生的泥漿和土通過管道輸送至地面的處理設施，經過處理后再由車輛運走。長距離頂管施工的管道長度定位一般以200m為界，超過200m的管道工程施工即可認定為長距離管道施工，相較于傳統的管道開挖施工工藝，在施工過程中對原有道路不會造成破壞，僅需開挖建設頂管所需的工作井、接收井，占用的施工場地面積較小，對交通通行帶來的影響較小，同時對地面活動也不會形成干擾，降低了施工過程中的噪音影響，具有多方面優勢，與當前提倡的綠色施工理念相符合，有很高的推廣價值[2]。

2.1 頂進施工土壓平衡控制

在機械頂管過程中頂進控制土壓力原始值為0.1-0.15MPa，初始頂進距離為20-30m。為保證工程按照施工計劃順利推進，需要在施工之前做好頂力計算，根據結果選用適當的頂進設備以提高施工效率，減少頂進偏差。頂力計算公式為：

其中P為管道的總頂力；f為頂進時管道表面與周圍土層之間的摩擦系數；ω為管道單位長度的自重；L為管道計算的頂進長度；PF為頂進時首節管道的迎面阻力；θ為弧形基礎支角；Dav為首節管道切土的刃角的平均直徑；t為用于切土的刃角厚度；F型管為承口鋼管厚度；R為擠壓阻力。

土壓平衡的控制與管理基于計算的頂力值需采用不同的管控措施，管理中需要考慮的關系只有兩種，一種是土壓的控制與頂進速度的關系，如果螺旋輸送機排出的土壤量是恒定的，那么頂進速度與土壓成正比。另一種為土壓力的控制與螺旋機排出的土量關系，在推進速度為恒定的條件下，初始頂進時，要重復測試，當排出的土壤量達到土壤質量的95%以上，被認為是正常的[3]。

2.2 頂管工程注漿減摩控制

頂管工程注漿作業關系著工程整體施工質量，只有控制好注漿作業質量，才能為頂管施工的后續工作順利展開提供保障，結合以往的給排水工程施工經驗總結一般實際的施工配比為膨潤土：土=1:10（質量比）；礫石層中觸變泥漿的混合比為膨潤土：水=1:8（質量比）；觸變泥漿比重為1.05-1.06g/㎝3。

在實際施工中，施工人員需要對觸變泥漿制作過程進行全面掌握，首先，需要按照施工技術的操作流程向混合罐中加入適量材料，并按照一定順序加入膨潤土，前期工作完后才可以加水。其次，在攪拌的過程中要控制好時間，以保障混合材料攪拌均勻，為滿足施工要求的漿料需求，當前攪拌作業時間一般用繼電器控制，達到時間后立即停止攪拌。最后，在攪拌完成后，需要根據漿液混合情況進行靜置，為膨脹劑吸水提供足夠時間。

在注漿操作管理中，首先需要確定注漿的安裝位置和間距，每段管道至少設置三個注漿孔，兩個斷面之間間隔在7m左右。其次，要控制好注漿時間和壓力，每個孔道的灌漿時間都需要控制在3分鐘以內，同時還要保證灌漿壓力的均衡性與泥漿的連續性，在具體操作中可通過三活塞式灌漿泵減少脈沖。最后，在注漿之前還要完成泥漿正循環清孔處理，原理圖見圖1。

圖1 正循環二次清孔原理示意圖

2.3 頂管工程測量控制管理

為確保測量數據的精準性，在頂管頂進過程中要做好測量，需要使用的測量系統為激光經緯儀、水準儀以及全站儀等。在頂進前端管道推力軸方向安裝激光經緯儀，由于頂進機不斷向前推進，激光束在頂頭和管接頭移動時可以穩定地跟蹤和測量目標。基于此可以糾正頂管存在的誤差，如果超過設定的允許值，可立刻進行糾正，借助激光束的強聚焦力，在測量中能夠將三個導體點引入每個工作井，以此來進行導軌安裝、頂管機頂進、高程走線測量工作。通過頂管工程測量控制管理，能夠更加全面地掌握管道推進過程中的具體情況，基本上能夠避免出現安全問題，可優化長距離頂管施工方式，提高管道附近土體穩定性，使長距離頂管施工技術保持在良好的工作狀態，保證工程質量滿足使用要求[4]。

2.4 接口處理技術

長距離管道頂進施工技術中的管道長度在200m以上，結合工程具體施工要求需要選擇不同的接口辦法，以便于對管道進行加固，接口處理在施工管理中是一項非常重要的工作，在安裝之前需要清除管道表面的雜物、塵土，以防止劃破接口位置的橡膠密封圈。在砼墊層上彈出管道中心線，對接之前用潤滑劑對承接口進行涂刷，同時保證插口端與承口端保持平行，圓周間隙大致相等，然后將橡膠圈嵌入凹槽中，注水檢查連接是否緊密，是否存在漏水和滲水現象。

2.5 水平螺旋鉆進技術

為了使市政給排水施工作業能夠達到預期施工效果，在設計施工展開過程中，施工人員一定要加大對水平螺旋鉆進技術的關注程度，這種特殊的施工技術在實際操作的過程中可以減弱地表波動程度，減少對土層的破壞程度，同時還能夠避免管道發生位移，使施工過程具有質量保證。基于水平螺旋鉆進技術展開市政給排水工程施工，施工人員應充分考慮管道口徑大小，因為該技術手段主要是由小口徑的給排水管道注入，另外在管道安裝完成后，還需采用中線法進行方位校正，以便于保持管道在設計施工的布設位置，這樣才能更好地發揮其功能效用[5]。

2.6 頂管深基坑的監測

為保證頂管施工技術施工質量，在施工的全過程中監測人員都需要對實際工程進行動態跟進，通過最大范圍內地掌握實際施工情況，進而保證后續工程竣工結算時有數據作為依托，頂進施工監測項目匯總表見表2。

表2 頂進施工監測項目匯總表

結合工程施工的總體情況布設多個監測點，以避免發生土地坍塌事故，保障工程施工安全的同時，減少對周邊環境造成的不良危害，監測成果如下展開了詳細的分析。

軸向地表變形。長距離頂管頂進深度達到10m時，從軸向上來看，地下土層尚未出現變形的情況，在工作面位置開挖土體，位于頂進距離10m處，此時土層有輕微隆起，繼續向前頂進，工作面后方的土體由隆起會變為沉降。當長距離頂管頂進到20m位置時，工作面前方土體沉降繼續擴大，頂進到30m、40m時，工作面和前方的土體依舊繼續沉降，沉降程度逐步遞增，受到頂進推力影響，會對地層造成一定程度的擾動，等到推進距離達到一定高值后，土層沉降量也基本達到穩定。

橫向地表變形。長距離頂管工作面達到5m之前，施工人員并不能預知后續繼續頂進所面臨的施工境況，難以全面地把握整體數據，隨著頂進深度持續加深，較為明顯的反應為前方土地存在一定擾動。等到工作面達到5m之后，據布設的監測點反饋土層開始沉降，頂掘機在正常頂進中會產生大橫截面，最終在重力作用下，地表發生沉降。頂掘機頭頂進時若是產生了比較大的作用力，還會導致周邊土體產生剪切力，此時同樣會發生地表沉降，頂掘機尾通過時，沉降現象繼續，直到頂進距離達到一定高值后，地表不再繼續沉降。

3 結論

綜上所述，通過對頂管施工技術在市政給排水工程中的應用情況分析，發現使用長距離頂管施工工法在工程建設中具有很大優勢，能夠有效提升施工效率，由于施工的范圍比較小，且不必進行土方開挖，因此不會影響到市區居民正常生活，同時還能夠降低施工成本與對周圍環境的破壞。目前，這種施工工藝在城市給排水工程施工中發揮著重要作用，隨著城市化建設持續推進，為確保長距離頂管施工狀況的良好性，相關的施工技術人員還要繼續對該技術進行深化研究。