顶管技术在市政排水施工中的应用

2021-04-24江志源

城市建设理论研究（电子版） 2021年33期

江志源

广东南方建设集团有限公司广东茂名 525400

现代市政排水工程领域存在多种施工技术，如顶管技术、开槽埋管技术等，每种技术具有不同的特点与优势，其中，顶管技术具有施工周期较短、投入成本较低、施工限制计较少、产生的噪声较低等优势，因而在现代市政排水工程领域中广泛使用，为现代城市建设打下良好基础。所以，对顶管技术在市政排水施工中的应用进行研究具有重要意义，为更好地开展顶管施工提供支持。

1 顶管技术特点

顶管技术是现代市政排水工程中较为常见的技术之一，无需再路面进行挖掘，即可完成管道铺设工作，因而又叫做非开挖管道铺设技术，相对于常规开挖施工技术来说，顶管技术存在诸多优势，具体包括下述几个方面：(1) 施工时，只需要在相应位置处钻出适当大小的孔洞，将管道顶入到地下，即可完成整个施工活动，无需大面积施工，降低对地面的破坏，受到环境约束较小。(2) 由于施工时无需大范围挖掘，且不会对路面造成破坏，行人可在地面上正常行走，对周边交通运输情况的影响并不是很大。(3) 施工中的大型设备较少，产生的噪声较低，震动不是很强，不仅可以使现有管线正常使用，而且对周边居民的生活并无太大干扰。(4) 顶管施工过程中，可将其顶入到较深的地下，能够在地面存在公路、建筑物等场所内施工，应用更加广泛[1]。需要注意的是，该施工技术也存在一些缺陷，如施工工艺技术性较强，对施工人员的综合素质要求较高，且在施工之前，若对施工现场环境并不了解，则会容易引发一些施工事故，如对现有管线破坏。

2 顶管技术流程

顶管施工时，主要包括前期准备、导向钻孔、预扩孔、管道顶进、顶管出洞等五个环节构成，如图1所示。

图1 顶管技术施工流程图

2.1 前期准备

2.1.1 管道准备

顶管施工时，施工人员首先要做好前期准备工作。一般情况下，市政排水工程施工时，选择钢筋混凝土管即可，若对防腐性要求较低，也可选择适当的钢管。不论选择何种材料制成的管道，均要确保管道符合相关标准要求，若管道质量较差，不符合要求，不仅导致施工过程中处出现管道破损的现象，影响后续使用，而且在排水工程使用时，也会增加裂缝、损坏的几率，也对整个排水工程的应用造成干扰。具体来说，需要从下述几方面选取则管道。

(1) 直径。现代排水工程领域存在多种规格的管道，每种规格管道的排水量等略有差异，工程施工时，应针对工程排水量的需求，选择最佳规格的管道，一般来说，管道内径应在50cm以上。

(2) 长度。在管道选择时，应针对工程实际需求，选择最佳长度的管道。由大量实践研究可知，对管道顶进时，管道长度较长一些，可降低顶进难度，降低施工工作量，但若顶进时发生偏差问题，则很难予以调整，影响施工质量。若管道较短，也会对施工质量造成一定影响，即管道会想周边土层挤压，使得管道出现弯曲的问题，不利于管道的后续使用。因此，施工单位必须对管道的长度产生重视[2]。施工过程中，一般按照下述原理选择管道长度：若管道长度与外径比值低于1.1，选用较短的管道；若该比值在1.1～1.15范围内，选择标准管；若该比值在1.15～2.1范围内，则选择较长的管道。

2.1.2 顶管工程力学参数设置

为了使顶管施工顺利进行，需要在正式施工之前，确定出最佳的工程力学参数，具体来说，主要包括下述两个方面：(1) 顶力。计算公式以为：F=F0×F1，其中，F0表示初始顶力，F1表示管壁摩擦力。对于初始顶力来说，主要由公式：F0=a×pe×BC×2π/4获得，其中，a表示综合系数，可通过对施工现场地质资料查询获得；pe表示土仓压力，一般选择150kpa；BC表示管道外径，通过对管道测量而得。对于管壁摩擦力来说，可由公式：F1=RSL获得，其中，R表示综合摩擦阻力，可通过对施工现场地质资料查询获得；S表示管道外周长，可通过对管道测量而得；L表示推进长。(2) 管道摩擦力参数。通过公式：F=knGL获得，其中，F表示总摩擦力；k表示综合减阻系数，数值一般在0.3～0.4范围内；n表示土质系数；G表示管道的重力；L表示顶进距离。

2.1.3 其他准备

选择好最佳的管道后，则应进行其他方面的准备工作，具体来说，包括下述三个方面：(1) 现场布局。如根据施工需求，选择合理的起重机，并将其移动到适当位置处，并对设起重机进行检查，确保起重机无任何故障；在施工现场内，设置出合理的材料堆放区、搅拌棚、垃圾处理区等，以保证现场施工活动有序进行，防止现场布置混乱而影响工程施工。此外，在顶管井旁边，安装适当高度的扶梯，为施工人员上下井提供支持。(2) 土体加固。施工时，若未对土体进行加固处理，随着管道的顶进，可能导致土地塌落，影响工程进度，增加施工危险性。所以，还应对周边土地加固，以保证整个顶管施工安全、顺利进行。(3)安装阻水装置。在井口处，安装相应的阻水装置，防止进出井口的泥水或压注的触变泥浆流失，提升施工质量。

2.2 导向钻孔

施工时，通过测量放样的方式，确定出管道轴线，并以此为基础，利用相应的钻孔机，在路面上钻取适当大小的孔洞，为管道的顶进做好准备。钻孔过程中，还应对孔洞进行测量，判断孔洞是否符合要求，若出现偏移问题，应先停止钻孔，并重新设置钻头倾角、旋转角等参数，改变钻头方向，以此达到调整钻孔方向的目的，使孔洞保持平直，符合顶管施工要求。完成钻孔工序后，对发射坑入土口、接收坑出土口的标高与方位予以检测，确保其符合施工要求。整个施工过程中，可能出现扭矩、漏浆等现象，影响施工活动的进行，并为施工活动带来更高的安全隐患。所以，出现这些问题时，应立即中断施工，分析引发这些问题的原因，并采取相应的技术手段予以处理，之后才可继续施工。此外，钻出导向孔后，还应对钻孔内部与周边进行清理，使钻孔保持洁净，无碎石、土块等杂质，防止管道顶进时出现破损。

2.3 预扩孔

导向钻孔施工结束后，可以得到内径较小的空洞，不符合管道顶入的要求，所以，还应将导向头卸载，并安装扩孔钻头，以此完成预扩孔工序。扩孔过程中，应确保作业坑中泥浆页面高度在地下水位标高之上。与此同时，为了保证扩孔质量，应选择高质量的泥浆材料，并严格按照设计方案配置泥浆，在泥浆使用时，碎石对泥浆性能予以检测，确保泥浆性能符合施工要求，为施工活动更好地开展奠定良好基础。一般情况下，通常采用桶式扩孔器，将扩孔器启动后，设备会高速旋转，并产生较大的离心力，在该离心力的作用下，逐渐对孔洞墙壁进行挤压，从而对孔洞进行加固，针对地层特性，设定扩孔器的运行速度，以便对钻孔进行检查。每个孔洞扩孔时，分6次完成，第6次扩孔时，选择挤扩式钻头，若存在较高的扭矩，则应进行7次扩孔，以保证孔洞的稳定性[3]。扩孔施工时，应详细记录下各方面信息，如施工总时间，钻孔速度、扭矩、土质特性等，为钻孔质量检查提供依据。施工过程中，应对施工活动密切观察，及时发现扭矩、漏浆等问题，若发现问题，第一时间中断施工，分析引发这些问题的原因，并采取相应的技术手段予以处理，之后才可继续施工。回扩时，对地层进行监测，准确了解地层水平变化情况，并以此为基础，结合工程需求，制定出相应的控制方案，以保证扩孔施工质量。完成后扩工序后，通过专业的检测设备，对孔洞予以检测，确保孔洞符合标准要求，并对钻孔内部与周边进行清理，使钻孔保持洁净，无碎石、土块等杂质，防止管道顶进时出现破损。

2.4 管道顶进

得到适当大小的孔洞后，则应开展管道顶进工序，主要操作流程为：(1) 将工具头放入到导轨上，达到标准要求后，固定顶铁，并对施工设备予以检查，确保设备无问题后，通过相应的检测设备，对检测工具的水平与垂直标高予以检测，确保其符合要求。(2) 当所内容全都符合要求后，将管道放入到孔洞内，重新测量标高，确定无问题后，开展试顶操作，判断前期设计出来的参数是否符合要求，如不符合要求，则应对参数予以适当调整，并重新试顶，待所有参数均符合要求后，可正式开展顶管操作。管道顶进时，一方面，风镐在前方进行挖掘，另一方面，在千斤顶的作用下，逐渐将管道顶进该设备运行原理为：先对顶铁挤牢进行固定，在工具进入适当距离后，将油泵启动，向千斤顶提供适当油液，使活塞移动，在活塞的推动下，将管道向前顶进一段距离。之后油泵终止运行，打开控制阀，千斤顶内的油液返回至油箱内，活塞移动到初始位置；再次增加顶铁，重复以上操作，直到整个管道完全进入地下为止；将设备上所有顶铁全部卸下，孔洞内放入管道，通过环形橡胶环将两管道连接，使两管道紧密结合成一个整体，并提升连接区域受力的均匀性。最后，对管道顶进情况进行测量，并对管道予以调整，保证导管符合标准要求[4]。

此外，顶进过程中，需要注意下述几个方面：(1) 穿墙施工前，应做好相应的准备工作，如通过注浆加固的方式，对墙管外围予以处理，提升周边土体的强度，防止管道顶进时对周边土地造成破坏，影响顶管施工的正常进行。(2) 穿墙顶进过程中，将门板打开后，第一时间推动工具管，使其快速移动到井外。(3) 在适当位置处，安装相应的防水装置，如填塞水泥浆、固定法兰等，用于防止管道内部进入水分。

2.5 顶管出洞

将管道顶入到孔洞内后，则应开展顶管出洞操作，这一操作是整个施工活动中非常重要的一个环节，这一环节开展得好坏，直接关系到整个顶管施工质量。所谓的顶管出洞，指的是顶管设备与第一节管道从作业井进入土体开始正常顶管前的过程。为了确保管道能够从工作井中顺利出洞，应确保作业井比管道外界略大一些，一般控制在100mm左右，防止由于作业井尺寸不足，增加管道出洞难度，或导致管道破损。此外，顶管出洞施工时，受到各方面因素的影响，使得各种安全事故的发生率相对较高，不仅影响工程建设，而且还会对人员生命健康带来威胁。所以，在施工时，应对安全事故予以高度重视，根据以往施工经验，制定出相应的控制措施，以降低施工安全事故的发生率，确保整个施工活动顺利进行。如当管道出现偏斜问题，则要对工具用管调零，并在其下部的井壁上，安装相应的制成，用于工具用管的控制。若支撑不牢固，也应对其进行适当处理，提升支撑的实际应用效果[5]。

3 顶管施工的质量保障措施

为了保证顶管施工顺利进行，还应加强对整个施工工作进行管理，以确保施工质量符合要求，为排水工程更好的使用打下良好基础。(1) 选择高素质的施工队伍。相对于其他排水工程施工技术来说，顶管施工技术水平更强了，对施工人员的要求更高，若选择素质较低的施工队伍，很容易在施工过程中出现各种问题，影响顶管施工质量与效率。所以，在施工之前，必须选择高素质的施工团队，施工团队中的每一名人员均要掌握顶管施工技术，了解相关设备的操作等，为施工活动提供人员支持。(2) 根据施工需求，从长度、材质、管径等角度出发，选择最佳的管道。(3) 制定完善的管理制度。根据施工单位发展情况，结合顶管施工特点，制定出完善的管理制度，通过制度对施工人员进行引导与约束，确保整个施工操作严格遵循相关标准流程，以提升施工活动的规范性。(4) 监控系统。施工单位利用先进的信息化技术手段，开发出性能良好，且功能完善的施工现场检测系统，通过该系统对施工现场及各环节施工情况予以检测，及时发现其中存在的问题与缺陷，并向相关人员发出警报，相关人员接收到这一信息后，及时予以处理，以此确保整个施工活动质量符合要求。