试谈顶管施工技术在水利工程中的应用

沈印

（安徽水利开发有限公司，安徽蚌埠 233000）

0 引言

顶管施工技术是一种非开挖或少开挖的管道埋设施工方式。笼统来说，在工作坑内，使用顶进设备，借助其在特定方向产生的顶力，降低管道与土壤间的摩擦力，从而将管道从目标坡度“顶”入土中，最后将土方运走。此种技术由于无需或少量开挖，不会对工程所在地的道路及其他重要设施的周边环境造成破坏，因此已经广泛应用于建筑工程、道路桥梁工程以及水利工程。

1 水利工程中应用顶管施工技术的产生背景及主要原理

在水利工程施工中，地下管道的安置、更换长期以来严重困扰着设计人员。频繁的开挖不仅费时费力、造成极大的成本支出，还会严重影响工程建筑主体下方的土层环境，一旦出现问题，将会严重影响工程整体质量。面对此类问题，盾构施工法应运而生，以更加先进的顶涵作业，革新了工程主体结构的顶进支护结构方式，并将明挖开槽转变为暗挖盾构支护，极大地降低了施工过程对交通造成的影响。而顶管施工技术在盾构施工法的基础之上，得到了进一步的改进。应用于水利工程、桥梁隧道工程、地下管线铺设时，无需开挖面层，即可穿越诸多障碍物。其主要原理为借助主顶油缸和管道间、中继间的推理，将作业工具管甚至是掘进设备沿着工作井内部直接穿过土层，一直推到接收井所在位置后，执行吊起操作。与此操作同时进行的，是将紧随工具管与掘进设备后方的管道埋设在工作井和接收井之间，最终通过非开挖的方式达到成功敷设地下管道的目的。

2 施工前中期的测量准备工作

在水利工程中应用顶管施工技术时，必须重视导向问题。一般来说，顶管的距离越长、口径越大、导向工作的困难性就会越高。在施工前期，应该工作管道的顶进方向，一旦出现偏差，将会严重影响施工质量。具体流程如下：首先，在靠近建筑体后墙的平面位置进行详细计算后，设置顶管工作坑。如果水利工程规模较小、施工距离较短，可以采用样线法，将初始位置、终端位置的线路相连，确认顶级管道的“行驶”轴线后，执行打桩定向作业。如果顶进距离较长，可以在经纬仪等辅助工具的作用下，确定轴线。其次，将敷设工作坑平面的导轨作为顶进管道的基准。为了保证后续作业的精准程度，进行导轨安装作业时必须反复确认，直至满足“牢固”、“水平”等要求，同时还应注意导轨的中心线与顶管的轴线“完美重合”。最后，以第一根正确顶进的管道作为起点，通过吊装的方式，将之放置于导轨之上。此时可以启动油泵，正是开始顶进作业。在此过程中，必须时刻注意中心线与轴线的重合情况，一旦出现偏离必须即刻调整。

水利工程周边环境较为复杂，地下土层很容易出现各种突发情况，因此在顶进过程中，必须采用良好的检测方式，使管道按照预定线路前行。达到一定的行进距离后（以1m作为分隔），进行降准测量，务必保证行进方向不会出现任何偏离。

总体来看，在水利工程中应用顶管施工技术，很容易出现行进放线偏离预定线路的情况，因此，必须及时进行纠偏作业。常见的纠偏方式可以分为短距离人工法和长距离机械法：①施工人员可以将顶管偏离方向的土层清除干净，此举能够使偏离区段土壤对顶管的作用力失衡，在调整油缸端的顶点位置后，即可达到纠偏的目的。②采用机械方式，在工具管的顶头以及钢管的环圈断面上设置独立运行的液压系统。此举能够使工具管具备活络顶头的功能性，一旦出现偏离现象，受到异常作用力后，压力表上的读数会出现偏差，从而及时发现偏离现象。通过针对性改变油缸压力的方式，可以对偏离的导管进行“导正”，从而完成纠偏[1]。

3 顶管工作坑的设置方式

顶管工作坑作为顶管施工技术的核心操作场所，必须维持安全、稳固的工作状态。如前文所述，水利工程周边的土层环境不可控性较大，工作坑的大小、应用的支护设备等需要经过精确计算。一般来说，工作坑的实际尺寸与顶管的各项参数息息相关。

（1）进行平面参数确认时，应该按照下列公式进行计算：

工作坑宽度=顶管外径（m）+2×套管两侧操作宽度（1.5m）+2工作坑两侧支撑板装厚度（0.25m）

工作坑长度=单一顶管长度（m）+油缸长度（m）+后靠墙厚度（0.5m）+顶管外留的焊接长度（0.5m）+引出土环长度（m）+顶头等特殊工具管长度（m）

（2）进行断面位置确认时，应该按照以下公式进行计算：

断面位置务必与水平方向保持垂直状态，在此基础上，开发深度=地坪至顶管顶部的深度距离（m）+平铺槽钢的深度距离（0.25m）+混凝土基础厚度（0.35m）+顶管的截面直径（外径，m）

（3）进行后靠墙确认时，应该充分考虑顶管的深度，否则在巨大的反作用力下，容易对水利工程的地下建筑结构造成冲击。此外，墙面必须保持 90°的垂直状态[2]。

（4）布置操作面。首先，使用混凝土，在工作坑的地步浇灌厚度在30cm以上的土层。其次，在土层上方铺设两层以上的槽钢，同时还应注意对水平面的矫正。再次，沿着顶进轴线设置一组导轨（一般来说，导轨之间的距离应该在顶管外口径的60%～70%之间）。之后，选用一组或两组油缸（双数），将之放置在升降调节架上，并执行固定作业。最后，在顶坑的前端预留1m左右的工作坑，用来焊接导管。

4 降低顶进过程摩擦阻力影响的有效方式

执行顶进作业时，地下土层与顶管外表面必然产生较大的摩擦阻力。随着顶进距离的提升，导管的长度、质量均会增加，故而作业时间越长，产生的阻力越大。为了提升顶进作业效率，需要通过合理方式降低摩擦阻力的影响。常见的方法为：①在工具管中接入水管，采用环喷等方式，是水均匀覆盖在顶管外表面。当水分深入到土层后，土层的坚硬程度必然降低，从而起到降低摩擦阻力的作用。此种方式仅适用于短距离作业，一旦距离加大，效果将会显著降低。②执行长距离顶进作业时，可以使用出边润滑剂，从顶管的外壁压入，接触泥浆之后，能够极大地降低摩擦阻力。触变式泥浆润滑剂的配置方法如下：以质量计，水、石碱、膨润土的比例应该大致满足4：1：1，此比例无需严格控制，只要大致满足即可。根据顶管施工实际案例的相关数据可知，受水分影响而形成的泥浆，阻力如果达到30N/m2，添加泥浆润滑剂之后，摩擦力的下降幅度接近70%。③在顶进管道中以串联的方式安装一定数量的接力环。此举的目的在于将长顶管分为多个接力环段，在其周围布置油缸。当接力环上的油缸启动时，处于后置未知的顶管能够切到支撑底座的作用，从而使顶管先前推进。此种方法的原理在于，将长距离顶管收到的摩擦阻力进行“分割”，类似于多人分处线路的不同位置，无需人移动，实现物品传导的过程。然而此种方式需要消耗大量的机械动能，成本较高[3]。如图1所示，为长距离顶管接力环的安装示意图。

图1 长距离顶管接力环安装

5 水利工程中应用顶管施工技术的主要作业流程

上述四点主要介绍了顶管施工的各项要素，再具体作业时，应该严格执行如下流程：

（1）预先检查油泵、油缸、液压系统、供电系统等是否处于正常工作状态。特别是供电系统，容易受到水利工程周边湿润环境的影响，必须仔细检查。

（2）操作顶管时必须循序渐进，不可操之过急。

（3）顶进过程中必须时刻注意油缸活塞杆的行程，按照预先设计方案，行程数设定在1m左右。如果油泵压力表中的相关数值出现异常浮动，则必须即可暂停作业，待查明原因后，方可继续。

（4）务必及时清理土方，保持“顶进-清土-顶进-清土”循环进行。如果出现“闷顶”状况，将会严重影响顶进质量（若工程规模较小，顶管外口径在300cm以下，则可以根据实际作业环境进行闷顶）。

（5）顶管施工应该连续进行。一旦施工间隔超过一定期限，土层坚硬程度必然提升，导致阻力大幅度增加。

6 结语

在水利等工程施工中，“非开挖”的设想虽然早已出现，但得以实现并受到广泛应用的时间较短。其主要作用为纠正管道在地下延伸的偏差。很多大中型管径的开挖施工“动静”极大，稍有不慎即会对周边环境造成破坏，故而具有“不开挖地面、不拆迁、不破坏工程主体建筑物、不影响管道段差变形”的顶管施工技术能够从经济性、环保性等方面，为诸多工程项目提供更加合理的解决方案。