定向顶管技术在大口径管道施工中的应用

李 杰

(太原供水集团有限公司，山西 太原 030009)

0 引言

随着我国城市化建设的推进，城市规模越来越大。为保障城市内的供水需求，实现大规模、集中性的供水网络系统，相关部门逐渐开始采用大口径管道进行建设。

供水系统的施工方案一般分为两种：明槽开挖施工法与非开挖施工法。明槽开挖施工法会破坏交通道路，对周围环境造成负面影响，且整体的工程量较大。现代化的施工逐渐抛弃了明槽开挖施工法而采用工期短、更有社会效益的非开挖施工法进行建设。非开挖施工法包括定向顶管、水平定向钻进法、夯管法、螺旋钻进法等，相较于其他三种技术，定向顶管技术只需要占有两个井坑，占有空间小，施工影响低，且可以在地质较软或者富水层开展相关施工工作，也更适合大口径管道的施工。因此，定向顶管技术在供水系统建设中有着至关重要的作用。本文首先阐述顶管技术的优缺点及施工方式，再结合大口径水管管道的材质特点，对定向顶管技术在大口径管道施工过程中的应用进行了探讨。

1 定向顶管技术

定向顶管技术施工难度较大、成本较高，目前它仍是一种新颖的地下管道施工方法，大多数工程仍普遍采用开挖式或是水平钻进的方案。定向顶管施工现场如图1所示，首先根据施工方案，在预装水管的两端挖出工作井，一个为开挖井，另一个为接收井。水泥浇筑基坑与井壁，形成操作平台和支撑壁，起到支撑与巩固的作用。其次，在开挖井中使用液压千斤顶将顶管机顶入预铺设的管道路线中，顶管机定向顶进，同时将水管顶入，挖掘产生的土体通过排泥系统从两侧排出，多个系统配合工作，直至顶管机到达接收井位置，将顶入的多个管节连接形成管道结构。

由于定向顶管技术具有独立的操作平台，施工中通过顶管机产生的顶力克服摩擦力顶入土体中，并将水管带入，结构紧凑，具有更高的施工准确度，理论上管道的直径由顶管机以及配套设备决定。因此定向顶管技术具有其他施工技术无法比拟的优势，就是可以进行大直径、超长顶管的顶进，非常适合应用在大口径水管管道的施工中。

2 顶管机的选择

定向顶管技术在大口径管道的施工中，顶管机设备的选择极为重要。一般大口径水管管道的敷设均会在城市中繁华地段，道路下方的管线复杂，若进行大口径水管管道的施工，势必要满足较高的精度，避免挖断其他地埋线路，造成不必要的损失。

针对上述情况，一般可选用六盘水平板式泥水平衡顶管机。此类顶管机平衡性好，纠正灵活，顶进的路线方向容易控制。在顶进过程中，切削土体，切下的泥土进入顶管机中的空仓内，然后被充分搅拌，形成泥水等流体，从两侧输出，平衡周围的压力，将压力保持在可控范围之内。

3 大口径水管管道施工的技术与细节

大口径水管管道施工过程主要分为顶管工作井建设、顶管洞控制以及顶管工程三个部分。

3.1 顶管工作井建设

工作井的建设是定向顶管技术开展的首要前提，尤其是在大口径管道施工中。根据施工方案，结合现场的环境、地质特点等，合理开展顶管施工平台的建设，其施工流程如图2所示。

首先进行工作井位的计算，井位的大小需要考虑顶管机、管节的长度以及千斤顶的长度。根据有关建设标准，其计算公式为：

L=L1+L2+S

(1)

其中，L为工作井的长度；L1为顶管机或管节的长度；L2为千斤顶的长度；S为墙壁厚度以及其他因素所保留的裕度。大口径水管管道一般采用钢管材质，直径在2 000 mm左右，管节较短，通过式(1)进行计算时，L1取顶管机的长度，一般为5 m～7 m，L2取2 m，裕度取4 m，整个工作井长度L基本在11 m～13 m范围内。

井位计算完成后，测量埋线，开挖工作井的基坑，制作沉井并使用固化剂进行固化。上述工作完成后，开始沉井下沉，下沉节点控制较为关键，分为初沉、中沉、终沉。初沉阶段，20 min～30 min为一个检测周期，检测内容为测量井位的角点，若有误差，及时纠偏，同时注意沉降的速率。中沉阶段可适当加快沉降速率，但要时刻掌握整个下沉状态，防止角度或深度出现偏差。终沉阶段决定了整个工作井的深度，需要精确控制，一般下沉1.5 m～2 m。下沉结束后，静置10 h，若自然下沉不超过1 cm，即可认为工作井处于稳定状态，下沉结束。

3.2 顶管洞控制

3.2.1洞口加固

顶管洞控制首先采取洞口加固的措施，通过地面上的高压旋喷桩设备注浆，起到洞口加固的效果。大口径的管道所要加固的范围在10 m以上，水泥掺入比为21%，注浆压力保持在26 MPa以上，使土体水力传导系数即渗透系数小于1.5×10-7cm/s。

3.2.2洞口止水

洞口止水工程是保证顶管工程顺利进行的前提。大口径的水管管道大多采用钢管，虽然钢管强度高，韧性好，管材易加工，但防腐性能较差，洞口的轻微漏水将会加快腐蚀钢管的表面，导致其使用寿命缩短；漏水过多更会影响管道土体组织，造成其松动，形成路面塌方，出现严重的工程事故。止水主要装置是橡胶止水板。在顶管机侧以及土体各设置一层橡胶止水板，中间设置钢夹板以及钢支撑部件，钢夹板与两层橡胶止水板就形成了复合层。复合层中内层止水板的内径尺寸比钢夹板略小，而外层的则比钢夹板尺寸大，层与层会存在空腔部分。空腔部分再注入聚氨酯，聚氨酯遇水会发生化学反应，生成物具有弹性固体特性，同时会附着在钢夹板上，充满整个空腔，能起到更好的支撑以及防水作用。

3.3 顶管工程

3.3.1顶管机顶力计算

顶管机在顶进施工过程中将受到各种阻力，阻力来源于顶管设备自身、周围土体和水管管节，阻力分类包括各个部分的摩阻力、顶进设备的迎面阻力。为更好的实施顶进工程，应对所需顶力进行计算。摩阻力的计算公式如下：

F=f(2PV+2PH+PB)

(2)

其中，F为摩阻力；f为摩擦系数，钢管的摩擦系数参考表1；PV为土体产生的垂直压力,kN；PH为两侧的土体产生的水平压力,kN。

表1 钢管的摩擦系数

迎面阻力计算时应考虑地下水的影响，通常是通过“水土分算”或“水土合算”来体现，前者适用于砂性土，后者适用于粘性土。砂性土的迎面阻力计算公式为式(3)，粘性土的迎面阻力计算公式为式(4)。

(3)

(4)

其中，αi为第i层土体；c为土体的粘聚力；hi为第i层土体的厚度；αw，hw分别为水的重度与水的高度；D为大口径管道的外径。

计算出摩阻力F与迎面阻力FA后，根据轴向力平衡原理，同时考虑一定的安全系数(安全系数正常取1.3)，即可得到总顶力R为：

R=1.3(F+FA)

(5)

3.3.2泥浆减阻

在顶管施工过程中注入泥浆可以将管片和土体之间的干摩擦转换为泥浆与管片及土体之间的液体摩擦，可大大减小摩擦力，降低顶管设备的磨损程度，降低施工成本，同时可以填补土体缝隙，防止出现大口径管道施工中容易出现松动等现象，可有效控制土体沉降问题。

1)注浆量计算。

管节外侧的注浆量计算公式为：

(6)

其中，D1为顶进设备外径；D2为管节外径，单位均为m。在大口径管道施工中，注浆量可取计算值的1.2倍～1.3倍。

2)注浆孔布置与泥浆护壁。

管道沿管壁均匀分布3个～4个注浆孔，保证注入的泥浆具有一定的密集程度，且能平衡土体的压力。顶进设备顶进一定长度后，利用注浆机从管道的注浆孔注入到土体中，泥浆由于注浆机施加的压力，侵入浅层土体中，并进一步渗透入地层土体中。注浆完成后，向注浆孔往外注入厚浆型环氧树脂涂料，通过六角螺栓拧紧封堵，挤出多余涂料完成最后的防腐和密封工作。

3)泥浆置换。

管道顶进贯通后，及时更换泥浆，将纯水泥置换原先的触变泥浆，能有效避免管道发生滞后沉降，完成后静置一段时间，纯水泥逐渐凝固，泥浆置换工作结束。

3.3.3顶管工程监测

在整个顶管工程，监测人员必不可少，需要委托安全检测部门监测施工现场，指导顶管施工的开展，并给予相应的预防措施，避免施工过程出现突发事件。借助水准仪和经纬仪等专业工具，在几个关键时间点例如顶进前、进洞后、管道贯穿后，观测路面的位移和沉降情况，并记录地面隆陷情况、沉降值。顶管工程结束后，相应的工程人员将采集的数据进行检查，确保资源准确无误。

4 结语

定向顶管技术随着社会的发展一定会有一个较好的发展前景，其独特的优势非常适合应用在大口径管道的施工中。因此本文详细阐述了定向顶管技术的特点与工艺，并结合大口径钢管的材质，探讨了施工的设备选择，整个施工中的关键技术包括如何进行工作井的建设，顶管洞的控制，以及针对不同的土质条件下，大口径钢管顶进过程中的顶力计算等。本文仅是普通情况下对定向顶管技术的应用进行探讨，在具体工程实际施工过程中应结合实际需求，再进行施工。