市政给排水工程中的顶管施工方法探讨

2014-12-25王玫

城市建设理论研究 2014年37期

王玫

摘要：顶管技术具有不影响周围环境或者影响较小，施工场地小，噪音小，而且能够深入地下作业等优点，近年来在工程建设中得到广泛应用，特别是在市政管道工程施工中。本文将结合某市政排水工程实际，对顶管施工技术措施进行了分析探讨。

关键词：市政给排水；顶管施工

中图分类号：TU99文献标识码： A

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，在一定程度上解决了管道埋设施工中对道路交通的堵塞和城市建筑物的破坏等难题，在稳定土层和环境保护方面凸显优势。对交通繁忙、人口密集、地面建筑物众多、地下管线复杂的城市创造一个洁净、舒适的环境是非常重要的，市政工程建设中有着非常广泛的应用前景。

1 市政给排水管线工程施工要点

施工方案对不同的管线、管质、管型和不同的路段其侧重点有所不同。针对不同路段,不同的地质和环境情况,应该制订不同的施工方案。市政给排水管线施工存在以下几种情形：

（1）开挖施工。市政管道穿越市政各种建筑物,为避免不必要的麻烦,大多沿路铺设。在非主干道或路边不大影响交通的情况下可采用明挖施工。

（2）顶管施工。市政管道在跨路施工开挖存在影响交通等各方面困难时,顶管施工是一种可行的方案选择。顶管施工从考虑人员在管道内施工作业考虑,管径一般在0.8m以上,有钢管和水泥管两种管型,市政排污管多用水泥管,自来水和煤气管道多用钢管。

2 顶管施工的优点及其基本施工原理

2.1 项管施工的优点

众所周知：顶管施工广泛的应用于应用于雨水和污水管道的非开挖敷设，顶管法是使用得最早的一种非开挖施工方法.它起源于美国。顶管施工方法在市政管道中的应用最为广泛。顶管法施工的优点，除了控制精度高之外，采用顶管法施工还具有以下几个优点：

（1）可以在很深的地下铺设管道

（2）对交通的干扰小，无需隔断交通

（3）可以穿越障碍物

（4）施工噪音和振动都很小

（5）对施工区域周围的影响很小

（6）能够安全地穿越公路、铁路。

（7）在城区内施工如果地下水不十分丰富，以及管道埋深较浅的情况下经济性更好。

2.2 顶管施工的基本原理

顶管施工就是借助于主顶油缸以及中继间的顶进力,把工具管或顶管掘进机从工作坑内穿过土层一直顶进到接收坑内吊起。与此同时,把紧随在工具管或掘进机后的管道埋设在两个工作坑之间。在顶管施工中主要有三种工作面平衡理论：气压、土压和泥水平衡理论。本文主要介绍泥水平衡顶管工法。泥水平衡顶管的工作原理：通常把用水力切削泥土,采用机械切削泥土而采用水力输送弃土,同时有的利用泥水压力来平衡地下水压力和土压力的这一类顶管形式都称为泥水平衡顶管施工。在泥水平衡顶管施工中,要使挖掘面上保持稳定,就必须在泥水仓中充满一定压力的泥水,泥水在挖掘面上可以形成一层不透水的泥膜,以阻止泥水向挖掘面里渗透。同时,该泥水本身又有一定的压力,因此它就可以用来平衡地下水压力和土压力,这就是泥水平衡顶管最基本的原理。

3 顶管技术的施工工艺

（1）顶管施工顺序为：工作井施工及砼管准备→顶进设备安装→吊装砼管到轨道上→安装接口、管线→安放顶铁→注浆→开启油泵顶进→处泥→管道贯通→砌检查井→回填密实→闭水试验。

（2）管道顶进应连续作业。管道顶进过程中，遇下列情况时，应暂停顶进，并应及时处理，以保证顶管施工质量

a、工具管前方遇到障碍

b、后背墙变形严重；

c、顶铁发生扭曲现象；

e、管位偏差过大且校正无效；

f、顶力超过管端的允许顶力；

g、油泵、油路发生异常现象；

h、接缝中漏泥浆

（4）顶管工作井设计及设备安装

①确定工作井尺寸

工作井应有足够的空间和工作面，保证下管、安装顶进设备和操作间距，井底长、宽尺寸可按如下公式计算：?

井底长度：L=L1+L2+L3+L4+L5。

式中：L―工作井底长， m；

L1―管子顶进管尾端留置长度，混凝土管一般留0.3m；

L2―每节管长度，m；

L3―出土工作间隙，一般为1.0 m~1.5 m；

L4――千斤顶长度， m；

L5―靠背厚度， m。

坑底宽度：W=D+ (2.4~3.2)，

式中： W―工作坑底宽度, m，

D―顶进管子外径, m。

②工作井设备安装

工作井设备安装包括：导轨的安装、后座垫铁的安装、油缸支架及油缸的安装、穿墙止水设备的安装、激光导航系统安装和泥浆循环系统安装。地面设备安装工作井地面设备安装包括：监测设备安装、主控制室及主顶装置安装、泥浆棚搭设及泥浆系统设备安装。安装千斤顶时，应保证千斤顶的顶力位置和顶进抗力位置在同一轴线上，并确保四个千斤顶用力均衡，避免产生顶进力偶。同时工作井的起重采用龙门吊。

（3）顶管施工技术

①穿墙前注浆止水处理

顶管工作井穿墙洞口前方应采用压浆止水处理，注浆材料用水泥、石灰、粘土搅拌成浆液，并与自然土混合。为保证工具头顺利成功出洞，洞口搅拌范围应保证在4×4m处。浆液配合比为石灰:水泥:粘土=2∶1∶3，使注入的浆液与自然土固结后能让工具头顺利穿墙同时能起挡土和止水的作用（注入浆液量不得超过自然土的17%）。

②顶管顶进

完成灌浆并达到止水强度后，可进行人工凿除穿墙位置的混凝土，并将工具管吊下工作坑，然后安装好工具管。准备工作就绪后，吹除最前端的挡土钢板，清除硬块，顶进工具头到穿墙管内，使工具头与第一节钢管采用刚性联结。在此过程中，应在工具头最前端压满泥浆，避免工具头的“磕头”现象。特别要注意防止路面塌方，因此应根据出土情况确定顶进速度。顶进中要求边压触变泥浆边顶进，要坚持不压浆不顶进的原则顶进。同时须严格按设计线路顶进，可利用削土刀盘上可伸缩的超提刀，结合千斤顶编组进行纠偏。经常对顶进轴线进行测量，检查顶进轴线是否和设计轴线相吻合。

③顶管出洞

顶管出洞即顶管机和第一节管子从工作井中破出洞口封门进入土中。顶管机进、出洞处以及后靠土体加固，需对后靠土体及进、出洞区域土体进行高压旋喷桩加固，从而确保顶管机出洞的绝对安全。同时须在工作井安装洞口止水装置，防止顶管机进、出预留洞导致泥水流失，并保证在顶进过程中压注的触变泥浆不流失。

④顶管纠偏

纠偏是指机头偏离设计轴线后，利用设置在后部的纠偏千斤顶组，改变机头端面的方向，使管道沿设计轴线顶进，减少偏差。顶进纠偏是采用调整4台纠偏千斤顶组的方法，进行纠偏操作，若管道偏左则千斤顶采用左伸右缩，反之亦然。如果同时有高程和方向偏差，则应先纠正偏差大的一边。纠偏应做到在顶进中采用小角度分级逐步进行，勤调微纠。当顶管机头发生旋转时，可采取在管内的相反方向增加压重块或在中间站提供旋转纠正力矩等方法纠正。

4.顶管施工的技术措施

4.1工作坑及顶进中的测量

(1) 施工前须将管线的中线点及水准点引至工作坑附近，并作上标记。工作坑施工完成后，将地面管道中心桩用经纬仪（标称精度不低于6″）引入工作坑两侧坑壁上或支撑上，作为顶管中心的测量基线。

(2)将地面的临时水准点用水准仪（精度指标不低于3mm）引入工作坑的底部，每一个工作坑须设置三个水准点，选择不易碰撞及不遮挡测量的地方设置。工作坑的中心桩与水准点设置必须牢固可靠，要经常校对并保证准确。

(3)对中心桩设置可靠的延长桩，延长桩设置时采用2″经纬仪用正倒镜实施，结果采用归化法确定。管道中心桩位置，要考虑到后背或基础变形影响。

(4)检查、校对各种测量仪器及工具均经权威坚定部门检测，切在检测期内使用，凡不符和精度标准且过了检测期的绝对不许使用。

(5)每镐顶近300mm，每顶进一镐用经纬仪测设管中心线位置、水准仪测量流水面高程一次。下完一根管后用经纬仪及水准仪核测一次中心及管高程。每天做好现况地面沉降施测，早晚一次做好测量记录。

(6)全段顶完后，应在每个管节接口处测量其中心位置和高程，有错口时，应测出错口的高差。

4.2顶管注浆

（1）选择优质的触变泥浆材料，对膨润土取样测试。主要指标为造浆率、失水量和动塑比。膨润土的贮藏及浆液配制、搅拌、膨胀时间，听取供应商的建议但都必须按照规范进行。

（2）在管子上预埋压浆孔，压浆孔的设置要有利于浆套的形成。

（3）压浆方式要以同步注浆为主，补浆为辅。在顶进过程中，要经常检查各推进段的浆液形成情况。

（4）注浆设备和管路要可靠，具有足够的耐压和良好的密封性能。在注浆孔中设置一个单向阀，使浆液管外的土不能倒灌而堵塞注浆孔，从而影响注浆效果。注浆工艺由专人负责，质量员定期检查。注浆泵选择脉动小的螺杆泵，流量与顶进速度相应配。

4.3管子与接口

（1）根据招标文件,本标段工程所用管节为”F”管，”F”管受力性能好，接头稳固性高，接口处止水密封性能好。

（2）选用优良管材并处理好管子接口对顶管施工是十分重要的。我们选用优质的成套管材，要按有关规范对管材作现场检查验收，如发现不合格品坚决予以退回。

（3）接管前再次检查管子接头的槽口尺寸，橡胶圈和衬垫板的外观和质地。确认合格后可在接口处均匀涂抹薄层硅油等对橡胶无侵蚀性的润滑材料以减少摩阻力。承插接管时加力要均匀，应保证橡胶圈不移位，不反转，不露出管外。顶管结束后要按设计要求在管内间隙处填充弹性密封膏，并与管口抹成一个光滑的渐变面。

4.4地下管道内通讯方式

顶管施工中地下通讯采用敷设有线电话，其设置位置：掘进机操作台一部，工作井顶进控制台一部，地面一部，中继间设一部，以此方式加强通讯联系，协调指挥作业。

4.5通风设施

由于管道顶进距离长，埋置深度深，管道内的空气不新鲜，加上土体中会产生有害气体，因此，必须设置供气系统。通风设施用一台柴油空压机将压缩空气输入空气滤清器，再进入储气桶，经过气压调节阀，将压缩空气传输至管道最前端，并将管道最前端的空气排出，以此进行空气循环。

4.6电源布置：

在顶管过程中，主要的电源为动力用电和照明用电。

（1）动力用电

由于管道内的电机采用380V动力电，因此，进入管道的动力电必须做到二级保护和接地保护措施，动力电源线设置在操作人员不易接触处，并在电源线外增设护套，保证用电安全。

（2）照明用电

由于管道内的空气湿度较大，因此，采用36V低压照明电，低压电须通过变压器降压。灯具采用防水防爆灯具，

4.7地表隆沉控制

（1）本顶管掘进机是采用土压平衡，可以先计算出各顶管段的开挖中心处的主动土压力和被动土压力，然后将掘进机的土压力设定在此主动土压力和被动土压力之间。

（2）在刀盘切削搅拌的同时，主顶和中继间徐徐推进，土仓内的土压力便会徐徐升高，当土压力升到大于控制土压力P时，把螺旋输送机打开，一部分土被螺旋输送机排出，只要把推进速度调节到与螺旋输送机排土量相符，则可保持土压力为恒值。

（3）但在实际推进过程中，不可能完全处于上述理想状态，如推进速度快于排土速度，我们就推推停停，保持向前推进；反之，则可将螺旋输送机开开停停。无论出现哪种情况，都必须使土仓内的土压力保持在控制土压P20KPa的范围内，这就能保证土压平衡，如果土仓内的土压力小于主动土压力，地面将产生沉陷，反之，地面将隆起。因此，控制土压力的设置和土仓内土压力的保持是关键。

4.8测量与方向控制

顶进的测量与方向的控制，是采用激光经纬仪辅以水准仪测量，通过油缸进行纠编，遵循先纠上下后纠左右的原则，我们要做到以下几点：

（1）有严格的放样复核制度，并做好原始记录。

（2）布设在工作井后方的仪座必须避免顶进时移位和变形，必须定时复测并及时调整。

（3）顶进纠偏必须勤测量、多微调，纠偏角度应保持在10'～20'不得大于1。

（4）初始推进阶段，方向主要是主顶油缸控制，因此，一方面要减慢主顶推进速度，另一方面要不断调整油缸编组和机头纠偏。

（5）在每一顶程开始前必须制定坡度计划，可对设计坡度线加以调整，以方便施工和最终符合设计坡度要求和质量标准为原则。

4.9进出洞口措施

（1）出洞措施

a、为使进出洞口顶进过程中不发生泥水流失，在进出洞口里安装橡胶止水法兰。

b、为防止掘进机出洞时产生叩头现象，可以采用延伸导轨，并将前三节钢砼管与机头做成钢性联接。

c、紧贴工作井洞口外侧安插一排钢板桩，作为钢封门，防止洞口打开后外侧土体涌进井内。钢板桩的深度为管底以下1.5M，宽度为3.5m。