非開挖頂管技術在市政給水管線施工中的應用

曹曉博，劉研文，孫 偉

（北京市自來水集團禹通市政工程有限公司，北京 100011）

0 引言

隨著城市化進程的加速和基礎設施建設需求的增長，傳統的市政給水管線施工面臨諸多挑戰，尤其是在城市密集區域。在這種背景下，非開挖頂管技術應運而生，為市政給水管線施工提供了一種創新解決方案。該技術通過地下頂推的方式安裝管線，避免了大規模開挖帶來的地面破壞和社會影響。

1 非開挖頂管技術原理

非開挖頂管技術是一種先進的地下管道鋪設方法，主要用于在不破壞地表的情況下鋪設或更換地下管線。這種技術的核心原理是使用特制的頂管機械在地下形成管道路徑，而不需要像傳統開挖那樣挖掘大面積的溝渠。頂管技術首先在預定的起始點挖掘一個較小的工作坑，然后從這個坑中將頂管機和管材順序推進到地下[1]。頂管機通常配備有強大的推力和回轉力，能夠在地下精確地鉆進，同時頂出土壤或其他物質。這種方法可以用于鋪設各種類型的管道，包括污水管、供水管、或電纜管等。非開挖頂管技術模擬如圖1 所示。

圖1 非開挖頂管技術模擬

2 市政給水管線中的非開挖頂管技術

2.1 工程簡介

我司亦莊水廠一期配水干線工程位于北京市亦莊開發區，該工程頂管部分為2 段，呈L 型走向，第一段橫穿成壽寺路進出南五環路的匝道，第二段沿南五環內環邊溝頂進至接收井。

該配水干線工程是北京市水資源配置的關鍵組成部分，旨在滿足亦莊開發區及中心城區的水需求，并確保水資源的可靠供應。

工程設計特點：考慮到管線沿線地形和土質條件，工程設計對覆土厚度進行了精確計算和平均化處理，以確保管線的穩定性和安全性。

環保與可持續性：在工程設計與施工中，特別關注覆土厚度的最小值，以最大限度地減少對地下水和自然環境的影響，體現了工程在環保和可持續性方面的關切。

2.2 技術優勢

非開挖頂管技術在市政給水管線施工中的應用顯著地減少了對環境的破壞，這是其最大的技術優勢之一。傳統的開挖方式往往需要在施工區域進行大范圍的挖掘，這不僅破壞地面景觀，還可能影響周圍的自然生態和居民生活。例如，在城市中，開挖施工可能導致道路封閉、交通擁堵，甚至影響周邊商業活動和居民的日常出行。而非開挖頂管技術通過在地下進行管道安裝，極大地減少了對地面的干擾。這種技術只需要在管道起始和終點處進行小范圍挖掘，以安裝和接收頂管設備[2]。

在提高施工效率方面，非開挖頂管技術同樣具有顯著優勢。傳統開挖工程通常涉及大量的地面挖掘、土壤運輸和復填工作，這些工作耗時而且復雜。特別是在城市密集區域，施工空間限制和交通管制可能進一步延長工程進度。非開挖頂管技術通過地下頂推管道的方式，大幅減少了這些時間消耗和復雜的步驟。此外，由于地面挖掘工作減少，相關的安全隱患和施工中斷風險也相應降低。這種技術的應用使得整個管道鋪設過程更加連續和高效，尤其適用于城市環境，可以在不干擾地面交通和活動的情況下進行快速施工。

2.3 施工工藝

2.3.1 頂管施工準備階段

在市政給水管線施工項目中，非開挖頂管技術的應用始于精確的施工準備。在施工開始之前，首先進行詳細的地質勘探，以評估頂管路徑下的地質條件，這對于確定頂管機類型和施工參數至關重要。地質勘探結果顯示，頂管路徑下存在一根移動光纜和兩根軍用光纜，因此，施工過程中需特別注意避免對這些重要設施的損害。此外，施工團隊還需確保施工范圍內正在運行中的原取水管的安全。因此，在頂管施工前的準備階段，施工團隊制定了詳細的施工計劃和應急預案，確保在施工過程中能夠迅速應對各種情況。

2.3.2 頂管施工實施階段

在非開挖頂管技術的施工實施階段，首要關注的是對頂管機的精確操控。操作過程中，頂管機必須沿著預定的軌跡準確推進，同時確保管頂覆土厚度符合規范規定的范圍。這一關鍵控制對于保護現有光纜和水管至關重要，以防止施工對周圍環境產生不良影響。在推進過程中，頂管機同時進行土壤切割和移除，以維持管道路徑的穩定性。為確保施工的準確性，高精度的監測設備被廣泛應用。這些監測設備能夠實時監控頂管機的位置和姿態，以保證其按照預定軌跡無誤推進。這項技術的應用有效降低了施工誤差，提高了整個頂管過程的精密度。同時，施工團隊也定期檢查現場的安全狀況，強調安全管理的重要性，確保施工過程中不發生意外事件，保障工程的順利進行[3]。

2.3.3 頂管施工完成及驗收階段

頂管施工完成后，進入驗收和評估階段。對于供水工程，頂管施工完成后，工程團隊進行了詳細的管道檢查和試壓測試，以確保管道的完整性和功能性。管道的檢查重點在于確認管道是否有損壞，接縫是否緊密，以及管道是否按照設計標準正確鋪設。試壓測試則是確保管道的承壓能力滿足工程標準要求。在驗收階段，施工團隊還需確保管道周圍區域的地面恢復到滿意狀態，特別是公路穿越部分。對于本工程而言，驗收階段也包括了對周邊光纜和原有水管的再次檢查，確保施工過程中沒有對這些設施造成任何損害。通過這一系列嚴格的檢查和測試，確保了頂管施工的質量，為后續的管道運營奠定了堅實的基礎。

2.4 頂進過程中進出洞施工技術

2.4.1 進洞施工技術

進洞施工是頂管工程的初始階段，關鍵在于準確地建立起始井（或進洞口）并將頂管機正確定位。在進洞施工中，首先需要在預定的地點開挖一個大小適宜的起始井。這個井的尺寸通常比頂管機的直徑大出一定的余量，以便于頂管機的安裝和操作。例如，在本頂管工程中，起始井的直徑可能需要達到14000m 或更大，以確保足夠的工作空間。起始井的深度則根據設計的管道埋深和地下水位等因素確定[4]。在頂管機進入起始井后，需要進行精確的定位和調整，確保其按照預定的方向和角度開始推進。在這個過程中，高精度的測量儀器和監測設備被廣泛應用，以實時監控頂管機的位置和姿態。此外，為了確保進洞施工的順利進行，還需考慮地下水位、土質等因素，并采取相應的措施，如水泵抽水、井壁支護等。

2.4.2 頂管推進技術

在頂管推進技術的實施過程中，關鍵的頂進階段決定了整個頂管工程的成功與否。頂管機必須按照預設的軌跡有序推進，而這涉及一系列關鍵參數的精確調控。推進速度、推進力和旋轉速度等參數的設定至關重要，需要根據地質條件、管道直徑和頂管機型號等多方面因素進行全面考慮。在本項目工程中，推進速度的合理設定可能在每小時幾米到十幾米之間變化，具體取決于土質的硬度和頂管機的性能。推進力作為另一個關鍵參數，必須足夠大以克服土壤的阻力，但又不能過大，以免造成管道損壞。在推進過程中，密切關注推進力的實時變化，調整力度，確保在克服土壤阻力的同時保護管道的完整性。同時，頂管機的位置需要不斷進行監測和調整，以確保其沿著預定軌跡準確無誤地前進。這項技術要求高度的精密度和實時性，以確保整個推進過程的可控性。通過對推進速度、推進力、旋轉速度等參數的實時監測和采集，可以獲得大量的工程數據。利用數據分析技術，工程團隊能夠深入了解地下土層的特性，精準掌握頂管機的工作狀態，及時發現并解決問題。數據分析還可以為今后類似工程提供經驗總結和優化建議，實現工程技術的持續改進。

2.4.3 出洞施工技術

在出洞施工技術的實施階段，頂管機到達終點標志著整個頂管工程的進入關鍵的出洞施工階段。首先，施工團隊需要在頂管機預定到達點進行接收井的挖掘工作。與起始井相似，接收井的尺寸和深度需要充分考慮，以提供足夠的空間容納頂管機和相應的管段。在頂管機即將到達終點時，施工團隊必須進行精確的監控，以確保頂管機準確無誤地進入接收井。一旦頂管機完全到達接收井，接下來的工作將主要集中在管道的接縫和檢查方面。這包括確保管道的接縫嚴密無泄漏，同時進行管道完整性的檢查，如壓力測試等。這一步驟至關重要，因為管道的質量和可靠性直接關系到整個頂管工程的成功與否。通過高精度的檢測設備和技術手段，施工團隊能夠及時發現并解決任何潛在的問題，確保管道在后續運行階段的穩定性。除了管道的接縫和檢查工作，對接收井周圍土壤的復原處理也是出洞施工階段的關鍵任務之一。通過合理的土壤處理，可以確保接收井周圍地面的穩定性和安全性。這包括土壤的填充、緊實和表層修復等工作，以使地面恢復到施工前的狀態，減少對周邊環境的影響。出洞施工的完成標志著整個頂管工程的順利落幕，隨后進入管道的運行和維護階段。在這個階段，科學的管道管理和定期的維護將確保管道的長期穩定運行，為城市基礎設施的可靠性和持續性提供了強有力的支持。整個工程的成功實施不僅依賴于先進的技術手段，更需要施工團隊的精湛技藝和嚴謹管理。

2.5 注漿減阻

注漿減阻技術的基本原理是通過注漿來改變土壤的物理和化學性質，從而降低土壤對頂管機或隧道掘進機的阻力。這種技術通常使用一種特殊的漿液，如水泥漿、化學漿或泥漿，這些漿液能夠滲透到土壤中，增加土壤的穩定性和流動性。例如，注漿的目標可能是減少頂管機推進時的阻力，從而提高施工效率。在實施注漿減阻時，需要精確計算漿液的注入量和壓力。注漿量的計算通常基于土壤類型、頂管直徑和推進長度等因素。例如，對于黏土類型的土壤，可能需要更多的漿液來改善其性質。注漿壓力則需要足夠高，以確保漿液能夠均勻分布在土壤中，但又不能過高以免導致地面沉降或對周圍結構造成損害。

2.5.1 注漿減阻施工實施步驟

（1）漿液配制。在這一步驟中，需要根據實際土壤條件和施工需求選擇合適的漿液類型和配比。漿液的粘度、流動性和固化時間等參數需要被仔細考慮。合理的漿液設計是確保注漿減阻效果的重要前提。

（2）注漿點布置。注漿點的布置是根據頂管機或隧道掘進機的推進路徑進行精確規劃的關鍵步驟。通常，這些注漿點會沿著預定的路徑均勻分布，以確保漿液能夠有效地覆蓋整個施工區域。布置的密度和位置需要根據土層特性和注漿效果的預期來確定。

（3）注漿施工。在注漿施工階段，專業的注漿設備被用來對每個注漿點進行漿液注入。施工團隊需要根據設計要求實時監控漿液的注入量和注漿壓力，確保注漿施工按照計劃進行。操作人員需要對注漿設備的性能和操作進行熟練掌握，以確保注漿的精準度和效果。

（4）效果監測。為了評估注漿減阻效果，施工區域需要進行定期檢測。這可以通過使用地下雷達或進行鉆探等方法，檢測土壤的密實度和漿液的分布情況。這些檢測數據提供了對注漿效果的實時反饋，有助于及時調整施工策略以達到最佳效果。注漿減阻施工的這些步驟的合理實施，不僅可以確保施工過程的順利進行，而且能夠有效地改善土壤條件，降低頂管機或隧道掘進機的推進阻力，從而提高整個工程的施工效率和成功率。

2.5.2 注漿減阻施工效果評估

注漿減阻施工的效果評估是確保工程質量的重要環節。有效的注漿減阻不僅能提高頂管或隧道掘進的效率，還能降低施工成本和延長工程的使用壽命。在評估注漿效果時，主要關注3 個方面：①注漿后土壤性質的改變，如土壤密實度和流動性的提高。②頂管機或隧道掘進機的推進速度和阻力的變化。③施工過程中的安全性，如是否有地面沉降或對周圍建筑的影響[5]。例如，在一個使用注漿減阻技術的頂管工程中，通過比較注漿前后頂管機的推進速度，可直觀地評估注漿效果。如果頂管機的推進速度顯著提高，且沒有出現安全問題，則表明注漿減阻效果良好。此外，也可以通過分析施工成本和工程進度來綜合評估注漿技術的經濟效益。

3 結語

綜上所述，非開挖頂管技術在市政給水管線施工中的應用展示了其在現代城市基礎設施建設中的巨大價值。這種技術不僅有效提高了施工效率，減少了環境破壞，還顯著降低了對日常城市生活的干擾。通過引入這一先進的施工方法，城市給水系統的建設和維護可以在更加環保、高效的前提下進行，有力地支持了城市可持續發展的目標。