浅析城市供水管网顶管技术

张建伟

摘要:地下给排水管网是城市基础设施的重要组成部分，而 顶管施工技术具备不开挖路面、交通不断行、管道埋深范围大、对周边环境影响小等独特优点，因此在供水管网建设中广泛应用。本文就城市供水顶管施工技术进行阐述。

关键词：城市供水；给排水，顶管施工

随着城市建筑的快速发展,城市供水工程建设越来越多,要求也越来越高。传统的开挖工艺造成了交通堵塞、地面建筑物沉陷、环境污染等多种危害,已经不再能适应现代工艺要求。而顶管工程做为一种非开挖工艺受到城市水务工程参建方的青睐,得到越来越多的应用。

1 顶管技术的组成

顶管技术包括顶管机械设备及顶管工作坑。

1.1 顶管机械设备

顶管机械设备包括主顶千斤顶与顶管机头，机头主要为敞开式顶管工具管和封闭式顶管掘进机二大类型。

敞开式顶管工具管有手掘式、挤压式、网格（水冲）式等。

封闭式顶管掘进机有泥水平衡、土压平衡、加泥式土压平衡、斗铲式和多刀盘等。

1.2 顶管工作坑

工作坑分为顶管坑与接收坑。

顶管坑为供顶管机头及千斤顶安装和出坑用的主顶设备工作坑。

接收坑为供顶管机头出坑和拆卸的接收工作坑。

2 顶管设计及施工前期工程勘察

顶管在设计与施工前，应对实施顶管的区域进行实地勘察，确定顶管区域及工作坑具体位置，掌握顶管可能对周围环境和附近建筑物的影响，保证其结构安全性和正常使用要求。工程勘察包括地质勘察与物探。地质勘察主要是了解顶管区域各土层分布情况及土层物理力学性质，了解地下水及深基坑下承压水头突涌可能型，提供不小于2.5倍基坑开挖深度范围内土层的渗透性指标；物探主要是摸清顶管范围内各地下管线、通讯及电缆等分布情况。在完善了工程勘察具体情况后，根据地质勘察与物探资料确定顶管埋深，同时还应满足下列要求：

(1)管顶覆盖土层厚度不宜小于1.5倍顶管直径且不小于3m；

(2)平行管道间的水平距离宜大于2倍顶管直径；

(3)空间交叉管道的净间距钢管不宜小于0.5倍直径且不应小于1.0m。

3 顶管机头的选型、顶力估算及后靠土体稳定验算

3.1 机头选型

顶管机头的选型，应根据地质勘探的地质钻孔柱状图和地质纵部面图实际情况，了解机头所穿越的地层情况进行分析研究。

(1)敞开式分为手掘式、挤压式、网格式种型式。手掘式适用于粘性或砂性土，在软塑和流塑粘土中慎用；挤压式与网格式适用于软塑、流塑粘性土，均对管道周围地质有较大变形影响。

(2)封闭式分为斗铲式、多刀盘土压平衡式、刀盘削土土压平衡式、加泥式机械土压平衡式、泥水平衡式5种型式。斗铲式适用于地下水位以下粘性土砂性土，但粘性土的渗透系数不大于10-4cm/sec。多刀盘和刀盘削土土压平衡式适用于软塑、流塑的粘性土，在粘质粉土中慎用。这3种型式对管道周围地层产生中等变形影响。加泥式机械土压平衡式适用于地一下水位以下粘性土、砂质粉土和粉砂，但对于地下水压力过大，渗透系数≥10-3cm/sec时慎用，它对管道周围地层产生较小变形、泥水平衡式适用于地下水位以下的粘性土，但地下水压过大，渗透系数＞10-1cm/sec时慎用，它对管道周围地层产生很小变形。

3.2 顶力估算

为防止管道顶力较大，保证设计合理性及后座结构安全，同时保证地层稳定，多采用管外壁注浆减阻进行设计与施工。顶管的顶力标准值按下式估算:

FK=πD1Lf+NF

式中:

FK一计算顶力标准值(KN)

D1—管道外径(m)

L—管道计算顶进长度(m)

f一触变泥浆中管壁与土的平均摩阻力，一般为:8-12KN/m2

NF—工具管(机头)的迎面阻力标准值(KN)

敞开式顶管的迎面阻力按不同的机头型式进行计算。封闭式顶管(土压平衡、泥水平衡和多刀盘顶管)的迎面阻力按下式计算:

N1=πD12P1/4

Pt=γ(H+2D1/3)tg2(45°+Φ/2)

式中:

Pt—机头底部以上1/3D1处被动土压力

H—管顶土层厚度(m)

3.3 顶管后靠土体的稳定验算

顶管工作坑可采用沉井结构、钢筋混凝土灌注桩支护型式、工法井支护型式和钢板桩支护型式，在一般供水排管工程中多采用钢板桩支护型式。在钢板桩支护工作中，顶管顶力通过后靠承压壁传递至板桩后的土体，由于板桩自身刚度小，可假设承压壁后土压力为均匀分布，板桩两端的土压力为零。钢板桩后总的土体抗力呈梯型分布(见图1)，钢板桩后土体所能承担的顶力p应满足下式中的稳定条件:

γKph3≥S*2P/b(h1+2h2+h3)

式中:

Kp一被动土压力系数Kp=tg2(45°+Φ/2)

γ一土的重度(KN/m3)

b一承压壁宽度

S一一般可取1.0-1.2

p一后靠土体所被承担的顶力(KN)

h1一h3(m)见图

当钢管项力FK超过工作坑后靠上体自然状态下所能承担的顶力P，钢管无法一次达到顶进距离时，可采用中继接力顶进技术。不得已时可采用后座压载技术，增加基坑后座承载力。

4 顶管工作坑的基坑支护

顶管坑和接收坑是顶管工程中两个重要施工作业坑，作为实施钢管顶进的顶管坑和接收顶管机头及钢管的接收坑，其大小应根据具体的项管机具及不同的施工方法进行确定。基坑的深度应根据具体顶管埋深进行确定，一般为顶管管底标高下0.5-1.0m，以保证顶管过程中钢管电焊焊接、焊缝验收及施工机具的运行。现根据原上海特种工程有限公司在顶管施工中的具体实际施工操作情况.

顶管坑和接收坑的基坑支护一般采用钢板桩式支护（也可采用工法井支护），内设钢支撑及钢围凛，，以形成稳定结构体系。基坑在井点降水后进行开挖。如果顶管坑与接收坑受周围环境和附近建筑物等条件限制，不允许井点降水或对地面沉降变形有控制要求时，应对基坑周围地基进行加固处理。可采用隔水性较好的拉森板桩，板桩内外压密注浆加以止水，同时根据基坑外地层流动、液化及基坑的深度考虑采用水泥搅拌桩以起到防水帷幕的作用。基坑的坑内开挖及降水应在地基加固和防水帷幕达到要求后方可进行。基坑钢板桩式支护在设计时要求按承载能力极限状态进行以下几项验算:

①基坑开挖后坑内地基土抗隆起稳定性；②板式围护墙结构绕最下道内支撑点的抗隆起稳定性；③板式围护墙结构绕最下道内支撑点的抗倾覆稳定性；④基坑开挖后地基上的抗渗流（或杭管涌）稳定性。

对基坑周边环境安全等级为一级及对支护结构变形有限定的二级建筑基坑侧壁，应验算基坑周边环境及支护结构的变形，同时还要加强监测

5顶管在供水敷管中的实施和运用实例

顶管技术在供水排管的具体设计与运用时，应根据现场环境实际情况采用不同的方法进行设计和施工，例举如下:

某管工程在具体实施中，需穿越外环线及两侧绿化带，长度约为200m。由于外环线已处于主干道交通运行状态，无条件开挖排管，故采用DN1000钢管顶管进行施工。根据工程勘察中地质报告及物探情况，确定顶管中心相对标高为共-4.0m，管顶覆土为3.5m，顶管地质土层灰色淤泥质粉质粘土。故采用泥水平衡加刀盘顶管，同时管外壁运用同步注入触变泥浆减阻方式，保证外环线交通安全运行。顶管方向由南向北穿越外环线及绿化带。南侧设置顶管工作坑，长12.5m、宽4.5m、深5m，钢板桩长度9.5m。设置5.5m宽后靠承压壁，土体允许后靠顶力4000KN，估计钢管可顶长度约120m。所缺其余顶力部分采用2只中继环逐次顶进来加以解决。北侧设置接收坑，长7m、宽4m、深5.5m，钢板桩长度9.5。顶管坑与接收坑紧邻立交桥，不允许井点降水，因此在顶管坑与接收坑内部及四周2.5m范围内进行注浆加固，深度至钢板桩深度，取得了良好的地基加固及止水效果。

6 结束语

总之，顶管工艺的施工从技术上讲是完全可行的,相对于开槽埋管从社会效益与经济效益上来讲更具有优越性。相对于开槽埋管从社会效益与经济效益上来讲更具有优越性，从根本上改变了城市管网乱挖现象。

参考文献

[1] 马晋毅，顶管技术在城市水务工程中的应用[J]黑龙江水利科技，2011.02

[2] 胡艳群，顶管技术在城市给排水管道建设中的应用[J]价值工程，2010.07

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。