顶管施工工艺在市政管网施工中的应用

2020-08-31刘马彦

山西建筑 2020年17期

刘马彦

(山西太水市政工程有限公司，山西太原 030002)

1 概述

城市建设的步伐不断加快，在市政管网的建设当中，涉及的工程内容也不断增多，因此要采用合适的施工工艺来满足建设需求。顶管法可减少大量土方工程、对周边环境影响较小，节约施工用地，减少拆迁工作等优点，被广泛应用于市政基础建设中，在一定程度上被认为实现文明施工。

城市建设管网中，施工管道不断加长，因此管道的埋置深度也在不断的加深，在一些地区地质比较复杂的区域，施工难度更大，因此针对这种使用顶管法施工的施工工艺应进行系统的研究分析，采用合理的方案，保证施工工程的质量。

2 顶管施工技术的发展

顶管法首先被研究应用于实际工程中起源于美国[1]，时间发生在1896年，美国铁路铺设过程中采用了该种施工方案，之后该施工方案受到了广泛的关注。20世纪30年代，越来越多的国家开始研究顶管法施工，其中里程碑事件是1982年的英国[2]，将直径1 524 mm的混凝土管顶进了49 m，用了9.5 h，该记录打破了当时的世界记录。该工程的成功促使欧洲各国开始重视以及研究顶管技术。之后日本在二战结束也开始使用顶管法施工。该技术工艺在被大量应用后，很多国家开始着重进行理论研究，其中日本主要针对小管径技术进行探究[3]，取得了实质性的进展后，又开始研究长距离的顶管法施工。各国在基于自身市政建设过程中使用的材料进行不断优化顶管法，例如一些发达国家使用带橡胶密封环的混凝土管道[4]，实现了顶管法施工的提升，同时促进了城市的可持续发展。

国内关于顶管法技术研究滞后于国外，起初于1953年，在北京首先采用该技术，之后1956年，上海开始进行试验研究，采用手掘式顶管机[5]。之后上海的先进企业进一步研究，将直径为2 m的钢筋混凝土管道的顶进距离达到120 m，然后又对不同口径、不同类型的顶管进行实验研究，其中研究最多的当属土压型[6]，但是当时的研究重于实践使用，理论知识较少，因此在施工时，只能针对某些具体情况进行施工，不能根据实地情况进行设置施工条件。1967年的上海一家公司，开发了一种无须人进入管道即可进行施工的小直径遥控土压式机械顶管机[7]，该机生产后被应用于隧道、高速公路以及下穿铁路当中，其累计顶进长度在1969年已经超过400 m[8]。1978年，一种名叫挤压型顶管被开发应用于淤泥土等不良地质条件，随着顶管技术的不断更新以及进步，从最初的应用于给排水工程到电力电缆的施工，该法的发展得到了大力的推广使用。

3 顶管法在市政给排水施工中工艺分析

1)管材的选择问题。

目前顶管管材有钢管、钢筋混凝土管、玻璃钢管、球墨铸铁管以及陶土管等材料，钢筋混凝土管材应用最广，其主要特点是强度高，性价比较高，缺点是止水性和抗渗性能较差。钢管的优点是重量轻、顶进阻力较小，密封和抗渗性能好，但是缺点是防腐性能较差，造价高，寿命短，适用于短距离的顶进。玻璃钢管的优点是重量轻，承压能力高，使用寿命长，可适用于长距离的顶进，缺点是成本造价偏高，只能直线顶进，难以推广应用；铸铁管的优点是具有较高的顶进力，缺点是成本高，使用范围较窄；陶土管的优点是防腐性强，性价比高，适用于长距离施工，缺点是刚度大，容易脆性破坏。

2)顶管设备的选择。

主要指的是顶进顶管的顶管机。目前使用的类型有手掘式顶管机、泥水式顶管机、土压式顶管机、气压平衡顶管机。不同类型顶管机的选择主要依靠土质条件，正常情况下，淤泥质黏土主要使用的顶管机类型是泥水式和土压式两种；砂性土主要选择泥水式顶管机，在实际施工过程中，可以通过改良开挖面来达到理想的顶进效果；黄土地质条件一定要进行改良，使用敞开式和气压平衡式顶管机；强风化及中风化岩根据现场的情况进行选择，同时根据内部的结构和构造层选用不同的刀盘和管头，确保顶管施工的质量和水平。

3)顶管算法。

顶力计算是最重要的工作。通过顶力计算，合理确定背部强度、管道强度、千斤顶数量和吨位。单坑顶进工程长度和尺寸的选择也要依靠顶力的计算，确定最大顶推长度。

4)注浆减阻。

顶管机的直径一般要大于管的直径，这就使管的外径和顶管机的内径之间有浆体存在，同时管道与周围土壤之间的间隙也存满了浆体，间接形成了一个泥套，泥套的形成可防止泥浆渗透到外层土壤中，同时周围的土壤可以形成支撑浮力，在管道和周围土壤层之间存在流动的泥浆，保持为湿摩擦，具有较小的摩擦阻力。在顶管施工中，要不断推广减摩技术，保证顶管施工的质量，确定注浆材料的选型。

5)顶进方法。

顶进方法直接影响施工的成败，在进行顶进方法选择的时候，要先了解项目的情况，项目所处地质条件，以及周边的环境，其次根据技术的角度，泥水式顶管机施工的时候选用直径较小的管道；如果地下水位低且土壤层相对稳定，则可采用手工掘进的顶管，地下水位较大且土壤层强度较低，宜采用掘进法施工；对于地质存在碎片的情况，则适用于手动式上管。当在粘性土层控制地面沉降时，采用土压平衡顶管法；烁石土壤层要采用带有支撑功能的工具管；在淤泥层中需要提升地面的情况，采用的是泥水平衡式顶管或者是泥土式土压平衡；当顶管所处位置的正上方具有较厚的土壤层时，则采用挤压或者网状顶管。根据确定的技术方案，综合考虑管材以及人工费用确定最经济的方案。最后一定要考虑安全因素，切不可因进度或者是赶工程进度而发生伤亡事件。

6)顶进纠偏。

施工过程中，需要进行纠偏控制，确保施工质量。顶管施工一般施工过程是在地下进行，若是出现偏差，要及时进行处理，否则会影响项目质量和施工工期，甚至会造成工程事故。万文松等研究出一种系统名为顶管智能纠偏控制系统，利用该系统，可实时控制管道顶进过程是否偏离了轴线位置，可以提高施工质量和施工效率。若是在施工过程中，发生了偏差，则可以通过以下方法进行纠偏：

a.挖土。通过挖土的方式，将两侧进行平衡处理，使得管道注浆恢复到合理的状态，该法适用于轴线偏离位置为10 mm～30 mm的情况；

b.顶木。轴线偏差距离超过30 mm的情况下采用该法。该法主要是通过在管道内放置木头或者是方木，通过木头的倾斜产生的分力使得管道的轴线恢复正常状态；

c.千斤顶。该法无法单一使用，通过结合挖掘修正法使用。放置于超挖侧端，然后在顶进的过程中，通过千斤顶的自身的重量，使得管道逐渐恢复到设计所要求的位置。