顶管施工工艺在市政管网施工中的运用探讨

2020-11-30欧阳宋南

四川水泥 2020年12期

欧阳宋南

（福建省西湖宾馆，福建福州 350001）

0 引言

我国城建水平的一直在发展提升中，市政管网建设工程涉及到的施工项目持续增多。在实践运用中，需要选择适宜的施工工艺去应用，以满足市政管网工程的建设需求。顶管施工工艺的应用优势较多，可大量减少土方工程的挖掘、对现场的周边环境影响小、施工占地和拆迁需求较少。在市政基础建设中可广泛运用顶管法，是一种文明施工工艺。目前的市政管网建设工程，施工管网长度不断增加，为满足不断变化的施工要求，管网的施工深度也在不断加深。市政管网工程现场的地质、地下管线和周围环境等比较复杂，影响因素较多，施工复杂，技术难度较高。

1 相关理论概述

顶管施工技术是一种非开挖施工方法，在管网施工中不进行开挖或者少开挖进行管道埋设的施工工艺（如图1 所示）。顶管施工是在工作坑内开展，利用顶进设备的顶力，克服管道和土壤的摩擦力，把管道按照设计的坡度顶入管道埋设位置的土中，同时运走土方。顶入一节管道进入土层后，再下另一节管道继续进行顶进。顶管施工原理是利用主顶油缸、管道间以及中继间等推力，把工具管从工作坑内推进到接收坑内吊起，管道紧随工具管在两坑之间埋设。施工中的顶力计算是非常重要的工作。通过顶力计算，精确背部强度和管道强度、确定需要的千斤顶数量、吨位、以及顶进工程长度等重要参数，特别是最大的顶推长度需要顶力的计算。

图1 顶管法施工示意图

1896年的美国首先开始研究顶管法，最初是应用在的铁路铺设过程，采用该施工方案并取得良好的施工效果。之后备受关注，很多国家开始研究和应用顶管施工工艺，后来英国采用顶管法施工9.5h 把直径1524mm 的混凝土管顶进土中49m，这个施工结果刷新了那时同类项目的世界记录，顶管施工工艺的应用成功，促进了各国对该项目的关注和研究，顶管施工工艺逐渐被广泛推广和应用，发达国家也开始其理论研究。日本针对小管径顶管施工技术和长距离的顶管法施工进行探究，取得实质性的进展，欧洲国家对市政管网建设中的管道材料和施工技术进行优化创新。目前，发达国家通常采用带橡胶密封环的混凝土管道施工，不断提升顶管施工工艺，促进市政工程管网施工的可持续发展。

国内针对顶管施工工艺的研究起步较晚，理论和实践经验均明显滞后于发达国家。1953年的北京第一次采用顶管施工工艺，上海在1956年才开始进行施工试验研究，当时顶管施工机械主要是手掘式顶管机。上海企业针对顶管施工工艺进行深入研究，研究成果是把直径2m 的钢筋混凝土管道的顶进达到120m，还对不同口径和类型的顶管施工技术进行研究，特别是土压型管道。但是我国关于顶管项目的研究成果，通常是侧重施工的实践经验，理论研究领域薄弱。1967年上海的一家公司，开发了一种小直径遥控土压式机械顶管机，无须人进入管道就可进行施工，该设备生产后被应用于隧道、高速公路以及铁路施工中。1978年我国研发出一种挤压型顶管，特别适合在淤泥等不良施工条件下进行顶进作业时运用。随着我国顶管技术的不断完善和优化，最初的顶管施工工艺只应用在城市的给排水工程到现在广泛运用到多种工程建设的施工，顶管施工工艺具有重要的实用价值[1]。

2 顶管施工工艺

2.1 管材

市政管网的顶管施工通常可采用的材料有钢管、钢筋混凝土管、玻璃钢管、铸铁管以及陶土管等（如表1 所示），实际工程施工中应用广泛的管材是钢筋混凝土管。

表1 管材分类和特点

玻璃钢管管材重量轻，承压能力高，使用寿命长，可用于长距离施工。施工成本偏高，顶进过程只能直线进行，难以在实际工程中推广应用。铸铁管顶进力较高。施工成本高，适用范围窄。陶土管管材的防腐，适宜长距离顶进。管材刚度大，施工中要避免管材发生脆性破坏。

2.2 顶管设备的选择

顶管施工的机械设备主要是指顶管机，施工过程主要通过顶管机提供动力进行顶进。顶管设备类型分为手掘式顶管机、土压式顶管机、水式顶管机、和气压平衡顶管机四种[2]。根据施工现场的土质类型，合理选择适宜的顶管机。淤泥、黏土的施工现场施工时，适宜采用水式或土压式顶管机;砂土项目，选择水式顶管机进行施工。在实际工程的顶进施工中，对开挖面可以改良技术、优化工艺，提高顶进施工效果。对改良后的施工现场可采用气压平衡式顶管机施工。关于强风化、中风化岩的施工现场的施工，结合实际地质情况选择合适的施工设备，根据其内部结构选择适宜的刀盘和管头等，保证顶管施工的质量和水平满足工程设计要求。

2.3 注浆减阻

顶管机的直径相对于管材的直径稍大，管材外径和顶管机内径中间存在一些浆体，管道和埋设的土壤中间也存在一些浆体，浆体在施工过程中形成泥套，泥套让泥浆无法渗透到外层土壤中，对管道周围的土壤形成一种支撑力（如图2 所示）。管道和土壤中间流动的泥浆，可以减小顶进时的摩擦阻力。在顶管施工过程中，不断优化减摩技术，提高顶管施工效果[3]。

图2 注浆减阻

2.4 顶管方法

选择的顶管方法会直接影响到管网的施工质量。在选择顶管方法时，首先要充分熟悉项目施工现场的实际情况，分析现场地质条件、土质和环境，再根据规范和施工工艺选择合理的顶管方法（如表2 所示）。根据制定的技术方案规范控制施工工艺，最大程度降低设备、管材、人工等施工成本，建立经济、高效的施工方案，全面考虑施工安全因素，合理控制施工进度和施工工艺避免发生安全事故。

表2 顶管方法

2.5 顶进纠偏

顶进施工过程中，需要进行纠偏，合理控制施工工艺，保证管网顶进质量。顶管施工过程是在地下进行管道顶进的，施工出现偏差时，要马上进行纠偏处理，延误时机会影响到管网工程的整体施工质量和工期，严重时可能造成安全事故。顶进纠偏可以采用顶管纠偏智能控制系统，在顶进中应用该系统，对顶进过程可以进行实时智能控制，避免顶进时管道偏离轴线位置的情况，有效保证了顶进施工效果，切实提高顶进效率。

在施工偏差已经发生后，可以采用挖土、顶木或千斤顶进行纠偏[4]。挖土纠偏的方法是对管道两侧进行平衡处理，促使管道注浆回到正常状态，适用于较小的轴线偏离位置10mm～30mm。顶木纠偏的方法适用于轴线偏离超过30mm 时，通过在管道内放入木头，利用木头倾斜产生分力，促使管道的轴线位置恢复到正常状态。千斤顶进行纠偏时不是单一使用的，在实践应用中要结合挖掘修正法一起使用，把千斤顶放在超挖侧端，通过千斤顶的自量恢复管道回到设计的准确位置上[5]。