非开挖顶管技术在现代水利工程上的应用

范凤光 解学相 王德明

摘要：文章从非开挖技术入手，分析了该技术的种类及应用范围特点，进而根据三库连通项目建设实施，对非开挖顶管技术在水利工程上的应用进行了分析总结，为类似工程建设应用提供参考。

关键词：三库连通;非开挖技术;顶进力

分类号： TU992.05

一、项目概况

“三库连通”是“日照市城市供水应急备用水源工程”二期工程的主干工程，分别从青峰岭和仕阳水库取水，通过埋设在沭（袁公）河河床里的管道输水到一期工程“沭水东调”3#井中，然后通过“沭水东调”工程一期输水管渠进入日照水库，经供水管网进入日照市生活用水或工业用水管网;落实“三库连通”项目，用以解决市区天然缺水问题，从而发展日照市国民经济。该项目包括“青峰岭水库取水管道”、“仕阳水库取水管道”、“合管道”三部分管道子项目和“青峰岭水库取水口工程”、“仕阳水库取水口工程”、“袁公河取水口工程”三处取水口子项目，“仕水管”与“青水管”在城阳街道大许家庄村东桩号13+802处汇合，进入“合管道”“青水管”长13.802km，“仕水管”长10.9km，合管道长7.5km，之后在日照路南3#井进入一期主管线。一期工程中输水管线包括明渠、地下暗管、隧洞三部分，取水口在店子集街道郑家石槽村西沭河干流日照路南200m处左岸，全长88.64km。两期工程顶管中数一期沟头至屋楼峪段管线最长埋土最深管径最大，是日照市水利系统中顶管施工的第一次。“三库连通”全线共有各类顶管10处，其中代表性的顶管有五处，分属不同的巖土类型、顶管长度和埋深，见表1

二、非开挖技术

建设工程需要开挖，根据覆土埋深需要分为明挖和暗挖两种，但都需要大量开挖浮土，影响环境和交通及造价等，为此工程技术界研究发明了非开挖技术;即介于明挖和暗挖之间开挖量最小的一种开挖方法;非开挖技术源于上世纪70年代西方国家，并于80年代传入我国，开始应用于给排水、电力通信等市政领域的新管道建设和老管道修复，还可以应用于古建筑保护等方面。新世纪以来水利交通等工程建设上广泛借鉴应用此技术。

1、非开挖技术定义及优点

（1）定义：非开挖是利用多技术手段及钻掘设备，通过定向（导向）钻进等方式在地表极小开挖的情况下（出入口处小面积开挖），敷设、更换和修复各种地下管线的施工新技术。

（2）非开挖技术优点：⑴穿越道路、河流，山脊、地表建筑物、农田等，是一种安全有效的施工新技术⑵不影响交通，少破坏地表植被，不影响地表建筑安全和居民的正常生活和工作秩序⑶不扰动拟铺设管道线路的上部岩土层，管节端位不易产生段差变形，管道使用寿命长⑷减少管长和地面影响、少动迁住房、节约征地拆迁赔青费、降低项目造价等，具有很大经济和社会效益。

2、非开挖顶管技术的分类及特点

（1）分类：非开挖技术根据工作性质可分为三大类：铺设新管线、修复置换旧管线、探测原有管网。对于铺设新管来说根据施工工艺可分为：盾构法、浅埋暗挖法、顶管法、导向/定向钻进铺管法、遁地穿梭（气动）矛铺管法、夯管锤铺管法和微型隧道铺管法等，其中顶管法应用最早;本文仅限新管铺设安装。根据管道推进方向和推动位置分为前头拉管和后头顶管两种。前面所述前两项原则上属于暗挖法、不纯是非开挖技术工法。导向定向钻进铺管偏于拉管技术，遁地穿梭矛介于拉管和顶管之间。夯管锤属于弱顶管、微型隧道铺管属于拉管性质。

（2）非开挖顶管技术具有下列特点：⑴引入了管线轨迹测控⑵导导向定向、快速高效、铺管能力快速提高（长度2000m，直径3m）⑶冲击力大、穿透性强、增强了在复杂地质条件下的施工能力⑷便于管道原位修复⑸速度快、工期短⑹能穿越流松散岩土层⑺适宜各种管材⑻噪音小、无污染。

3、非开挖技术的适用范围

（1）根据工地项目施工工艺，非开挖顶管技术适用范围总结主要如下：

（一）定向（导向）钻进铺管技术施工范围：用于铺设各种市政管线和自来水等，铺管直径、长度和材料范围较宽，尤其适合1000mm以下管径的PE管和钢管铺设。

（二）遁地穿梭矛铺管适用范围：①适宜于铺设各类管径3～150mm②短管<50m或距离较长但管径较小的③钢管或铸铁管最大口径可达1.5m长度小于100m的。

（三）顶管掘进机铺管技术适用范围：各种隧道、涵洞和大口径管道。

（四）顶管铺管技术适用范围：用于管径3000mm以下的钢（铸铁）管、砼（或钢筋砼）管、;其它材质管道需加用套管法。

（2）非开挖技术工法比较：根据规范结合实践，各种常用非开挖技术工法优缺点、精度及适用范围统计比较如表2所示：

三、顶管技术施工

1、施工准备：

⑴编制经公司技术负责人审批定稿和总监核定的施工组设;①测量勘测：通过三角网、直线测量等确定管道轴线、标高;收集施工区工程地质和水文地质资料;预防有毒有害气体。②探察地下管线。顶管施工时需提前查明沿途其它地下管线的种类、结构、埋深、走向位置等，既有利于顶进的顺利，也有利于保证其它地下管线的安全。

⑵确定顶管施工工艺：如下图。

（3）在组设中计算顶力、确定工作井后靠背墙。

工作井后靠背作为千斤顶的支撑结构，工作井后背是千斤顶的支撑结构，要满足强度刚度安全稳定，且压缩变形要均匀。须进行强度和稳定性计算。

①顶力计算：通常根据推力理论计算：F=Fl+F2（1）;式中F1为迎面风力;F-顶进阻力（kN）、F1=π*D*L*fx;F2：顶管迎面阻力，查表选定，还可以错略估算，F2=1/4*π*D2*P、P=kyH、k-岩土静压力系数，查表选定;y-岩土湿容重;H-顶管中心以上埋深（m）。D：管道外径（m）;L;设计顶进管长（m）;fx：管外壁与土单位面积的摩擦阻力系数（KN/m2）、根据经验查表选定。根据计算结果选定相应的油缸类型和确定中继间的分布。

封闭压力平衡式简单计算用下式计算：F=13.2*3.14*D*N（2）;N为岩土的标准贯入指数。开敞式用下式计算：F=3.14*D*ts*fs（3）;fs为单位表面积上的端部阻力（kN/m2）。ts为切削管壁厚（m）。

岩土单位表面积上端部阻力系数fs  可查表求得。

②后靠背的计算：工作井施工需要根据施工组设方案进行，工作井施工的重点在于后靠背墙和进口。根据计算所得最大顶力，拟定工作井的建筑设计方案。后靠背在受力后产生压缩，压缩方向与顶力方向相同。当撤销停顶力不再顶进，这种弹性压缩变形正常消失。为了保证顶进质量和施工顺利，施工时应对复核后靠背强度和刚度。

（4）顶管工作井施工井内需要设置集水坑，便于抽排积水。

（5）导轨安装依据管径大小、管道坡度、顶进方向综合确定，顶进方向必须平直、标高、轴线必须准确。导轨可用轻型钢轨制作。导轨安装牢固与准确对顶管质量有较大影响。

3.2施工顶进：

⑴注意机具安全和过程协作：①顶进设备应使用千斤顶、头部设刃口工具管，切土并保护管道及导向。为防止岩土坍塌，在工具管内需要设格栅②安装工作辅助平台，工作坑上方最好可以设置个活动式工作平台，用于放置其他施工设备等③下管时可采用临时吊车吊运下管，出土采用摇头扒杆④注意安全警戒：工作坑四周需要采用围护，可用彩钢瓦围护或雨帆布防护，并应设有醒目安全警示牌和标识。顶进时，针对过往车辆通行应当限速或减速慢行，并严禁大吨位的重载车辆通行。

⑵顶进时注意问题：顶进环节注意下列四项：①合理确定机头类型②根据管径管长和岩土类型埋深选定顶进设备主頂机头③管节接口主要由外套环（钢套环）橡胶止水带和软土衬垫组成;止水带应清洁无油污④施工中需要多次监测工作井施工质量，确保工作井可靠运行，具体检测项目标准见规范。

3.3施工质量监测标准：根据2006年12月中国非开挖技术协会编制的《顶管施工技术及验收规范》（试行）确定。

四、顶进过程故障及对策：

1、掘进机头难达接收井

（1）原因：①地质了解不细，顶进中摩阻力过大②注浆减阻不理想或中间停顿时间过长造成阻力增大③顶进过程中造成管身自身碎裂④工作井身（后靠背）后座严重开裂或变位⑤机头机械传动问题或管位处出现难以逾越的障阻等。

（2）对策：①天窗法：是顶管施工中首选方法，其简单有效而节省。常用于在故障机头上方地面及此段地质有利于开挖或是开窗作业。②逆套管法：即将贯通接收井且地面不便开挖的情况下，用大于掘进机头外径20cm左右的钢管（或其它管道），从接收井洞口人工进行反向顶进，套住机头后，把机头后在接收井口拉出，进而接顺管道。该法不仅需注意准确分析测定故障机头实际位置、轴线走向，标高等相关数据;同时它还需要准确分析判断该地层结构是否完全适用这种人工挖土。③顺套管法：此法常见地适用于机头开顶不久就出现机械故障，且上部地段不佳且不允许开挖沉降的情况。④引导洞法：主要适用于掘进机头发生机械故障，但刀盘尚可转动的情况下，外部环境条件受到限制很难用其它特殊办法引导来得到解决的情况，需要在接收井处用相同型号掘进机反向进行顶进，一旦完成对接此推彼拉，完成顶进工作。该法关键是需要准确无误地确定原有机头走向、标高及现机头轴线是此法成功的关键，刀盘对接后，需同向转动、推进与回拉均需同步进行。

2、机头“叩头”：

（1）机头“叩头”下栽：由于制作工作井时，洞口土体可能受到扰动;在机头进洞早期，进入土内较少、由导轨和较浅的土体支承机头自重，岩土支撑应力很可能超过允许承载力导致机头“叩头”。

（2）对策：①对洞口岩土进行加固，尤其是黏土、松散砂砾土区段，使土体具有自立性、隔水性和刚性稳定、有利于继续顶进。岩土加固稳定可采取降水和岩土冷冻等多种物理加固方法持续进行。或采取化学方法，化学加固方法效果明显、容易控制;主要方法有分层填料注浆、压密注浆、填充注浆;粉喷旋喷法、液喷旋喷法;和深层搅拌法等②采用延伸导轨。③留存洞口下部临时缝隙的砖墙。④在洞口下部填硬黏土或用低标号混凝土预浇注一块托板。

3、工作井洞口渗流出水：

工作井洞口止水装置是顶管施工的关键环节，事关顶管能否顺利地进出洞和保证洞口密封可靠。

（1）顶管进出工作井口渗流出水导致顶管段岩土不稳或泥浆失衡，影响顶进。

（2）对策：洞口止水装置设计需要根据工作井的具体实际使用条件进行整体设计考虑。可用橡胶法兰结构形式。这种形式分两种：一是沉井工作井，制作沉井时，洞口处预埋环钢法兰，当沉井下沉封底后，由于洞口标高极有可能与项管施工中继间人工顶管标高设计数值有差数，务必让管道标高尽可能地符合设计标高，为此，可以在预埋的钢法兰上再焊一圈钢法兰，令该法兰中心与原洞口法兰中心错位、与实际管道中心保持同心度。这一个后来焊上去的环钢法兰中心即洞口止水装置的实际中心。二是钢板桩工作井，进洞口根据管道设计标高进行制作，预留孔中心即管道中心，无需后焊环钢法兰，把橡胶法兰直接固定安装在墙面的钢法兰上即可。

五、 结语

非开挖顶管实际属于地下暗挖工程、性质高度复杂、不确定性多。顶进前必须全面了解工程所在地域工程地质及水文地质资料，综合考虑可能情况，制定相应可靠的应急预案或预防措施。近来我国城市建设的大范围推进，市政施工中的轨道交通、管道施工工程也在不断增多。非开挖顶管技术在市政管道施工中具有关键作用，尤其是对于大管径深埋的管廊工程施工，顶管技术具有较高的优越性。伴随现代城市扩展，非开挖顶管技术也在不断完善和改进提高，管道加长、管径增粗、管道中园方交替，势必是顶管技术发展的目标。通过借鉴市政工程经验，水利工程建设广泛采用非开挖技术，取得一定成效，其中顶管工艺在穿越道路河流山脊地表建筑物基本农田时经济可靠、省时省力。

参考文献：

1、王小超，市政道路污水管顶管施IU铁道建设，2012.2

2、中国非开挖技术协会，《定向钻进管线铺设技术规范》2006.12

3、山东省水利勘测设计院，《日照市城市供水应急备用水源工程施工图设计》2019.07-12

作者简介：范凤光（1966.9），男，汉，大专，助理工程师，研究方向：水资源调度。

解学相（1965.12），男，汉，本科，正高级工程师，兼任中国科技报研究会理事，中国管理科学研究院理事、研究员;中国亚太经济发展研究中心高级研究员。研究方向：水资源调度与水环境保护。

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