顶管掘进施工技术在水利工程中的运用探析

李文智

（甘肃省水利水电工程局有限责任公司，甘肃 兰州730000）

非开挖技术是指利用少开挖和不开挖技术进行管线的铺设或更换的知识、工艺和应用。在埋深较深、横穿道路、交通干道下埋管或离建筑物较近的情况下，最能体现出顶管技术的优越性。在工作坑内，利用各种机械设备，减少管道和土壤的摩擦力，让管道进入到土中，运输土方，为水利工程建设工作的顺利开展打下基础。

1 顶管掘进施工技术概述

地下管道的安置、更换一直都是水利工程建设中的重难点，也是设计人员需要思考和解决的问题。顶管掘进施工技术的主要原理在于，利用主顶油缸和管道间的推理，将工具管沿着工作井内部穿过土层，在达到接收井所处的位置后，完成吊起操作。顶管构筑物与设备：（1）工作坑。工作坑是安放所有顶进设备的场所，也是顶管掘进机或工具管的始发地，同时又是承受主顶油缸反作用力的构筑物。工作坑按形状可以分为矩形、圆形、多边形；工作坑常用的施工方法包括沉井法、逆作法和钢板桩支护；（2）接收井。接收井是接受顶管掘进机或工具管的场所，平面一般也呈现矩形，沿管道方向较长，其长度应该满足顶管机头可被取出的条件；（3）机头。机头也叫导头或工作管，主要作用是挖掘管节前的土壤，顶管时把管节导入设计位置，起到定向纠偏和埋设管节的作用。机头的主要作用在于校正挖土方向，防止管节前土壤坍塌。

2 顶管掘进施工技术的应用优势

顶管掘进施工技术有人工顶管和机械顶管两种方式，两种方法各有优缺点。人工顶管施工更加注重工人在整个施工过程中的作用，机械顶管则着重依赖机械的帮助，所以人工顶管的劳动强度相对较大，工人进行施工的时候也存在较大的安全风险。机械顶管技术的应用优势有：（1）安全性高。除了竖井之外，顶管施工大多都为地下作业，不会受到表面环境的影响，减少了对人们日常生活造成的影响，可以在恶劣的天气环境中开展施工作业。顶管掘进技术受到钢壳支护的保护，保证了施工过程中的安全性，施工管理较为简单，且不会受到人为操作的影响，保证了施工人员的生命财产安全；（2）环保。顶管掘进施工技术主要依靠顶管机完成，顶管机不会对地面情况造成影响，在施工过程中对环境造成的破坏小；（3）经济性高。在工程施工过程中，管道工程费用和覆盖土层的深浅没有直接联系，适用于大型管道施工，即便在恶劣条件下开展施工作业，机械顶管技术也能够克服困难，拥有比人工顶管更大的应用优势。

3 顶管施工技术在水利工程中的应用

3.1 施工测量

在水利工程施工过程中，施工控制网和变形控制网需要同时布设，为工程顺利开展提供必要保障。在施工开始之前，需要做好准备工作，利用测量平差软件处理平差要求，设置多个控制点，确保各控制点都满足要求。当顶管距离越长、口径越大时，水利工程的施工难度也就越大。为给后续工作奠定良好基础，在施工开展之前，有关人员就需要明确工作管道的掘进方向。详细计算建筑体后墙的平面位置，设置顶管工作坑。样线法在规模较小的水利工程中的应用比较普遍，施工人员需要将起始位置和终端位置的线路进行连接，开展打桩定向作业。为进一步提升工程质量，保证作业精确度，施工人员需要反复确认导轨安装环节，保证满足要求。在上述各项工作完成后，要以第一根管道作为起点，将其吊装在导轨上，开启油泵，顶进作业则可以顺利进行。水利工程本身就具有复杂性的特点，在工程进行过程中容易受到水文环境、地质环境等各方面因素的影响，因此要提前制定全面的施工计划，以便应对突发情况。

3.2 管材选用

钢管、钢筋混凝土管在水利工程中的应用十分普遍，其中钢管顶管具有质量小、密封性好、强度高等特点，在运输、吊装过程中都十分方便；钢筋混凝土密封性、抗渗性则存在一定缺陷，要根据工程的不同特点来选择合适的管材，确保工程质量满足要求。

3.3 顶管安装

为进一步提升水利工程施工质量，有关人员需要确保顶管安装的位置符合要求。在施工时，施工人员要保障操作平台安装的精确度，为后续工程的顺利开展奠定基础。在安装过程中，需要克服各方面负面因素的影响，例如地下水、复杂地质环境。

3.4 顶管施工技术

在施工过程中，泥浆的黏稠程度和压力是开挖面强度的决定性影响因素。在顶进过程中，施工人员要以工程周围的土质情况为主，合理调整泥浆的浓稠程度。除此之外，还需要控制好机械设备的顶进速度，对泥水压力值进行动态化监督管理，将其控制在合理范围之内。在施工过程中不仅需要考虑到地下施工，还需要关注地表状态，便于施工人员掌握顶进作业的进度和大致情况。通过对多方面的观察和比较，施工人员要将地表沉降控制在一定范围之内，如果沉降范围过大，就会让工作面失去稳定性，很容易坍塌，引起安全事故；地表隆起是泥水压力过大的表现，需要施工人员根据实际情况合理调整泥水压力。

3.5 洞口止水的处理

在工程开展过程中，为了让管道更顺利的进入，需要对洞口进行特殊处理，做好止水工作，要严格控制预留洞口的尺寸，确保比管道外径更大，为其创造进入空间，在顶进时，还要进行止水封闭。

3.6 降低顶进过程的摩擦阻力影响

在利用机械顶管技术时，不可避免会受到摩擦力的影响，且顶进距离越长，导管质量就越大，机械设备所受到的摩擦力影响就会更加严重。为了减少不必要的资源消耗和设备损坏，就需要有关人员将摩擦力降到最低，具体有：（1）在工具管中接入水管，让顶管外部保持湿润的状态，周围土层在受到水分湿润的作用下，摩擦力就会大大降低。值得注意的是，该方法只适用于距离较短、工程规模较小的水利工程中；在长距离施工作业中的实用效果并不明显；（2）在应对大规模工程、长距离水利工程时，可以利用触边润滑剂，从顶管的外壁压入，从而起到减少摩擦力的效果。润滑剂以4∶1∶1的比例，将水、石碱、膨润土进行混合，就能够在实际工作中起到积极作用；（3）在顶进管道中加入接力环，在其周围设置油缸，当油缸启动时，后置的顶管就能够起到支撑作用，该方法在长距离施工中的应用比较普遍，主要原理就是分解顶进过程中的摩擦力，但需要耗费大量成本。长距离顶管接力环安装示意图如图1所示。

图1 长距离顶管接力环安装

3.7 注浆控制

在管道顶进过程中，要采取有效措施减小其受到的阻力，注浆就是最简单、最直接的方法。注浆原理就是利用泥浆在管道外部形成一层包膜，起到润滑作用，值得注意的是，要保证工具管直径略大于顶进管，通常2～5 cm即可。除此之外，在泥浆材料的选择上，要保证其配比符合要求，膨润土、水、掺和剂都要按照标准选择，否则会对工程的顺利开展造成严重影响。

4 顶管掘进施工技术的发展趋势

首先是朝着大直径、长距离顶进的方向发展。以某工程为例，该隧道工程2标顺利贯通，首次采用了外径10.4 m×7.5 m的巨型顶管机，土压平衡模式，推进总长112 m，是当时世界上最大的外径顶管；以另一工程为例，该工程应用了管径2 m、全场2 080 m的过海钢制引水管，准确顶入接受井预留孔，管道全线实现贯通，由此创造了国内一次性顶进最常距离的新纪录。

其次，该技术还会朝着平面曲线、空间曲线顶管的方向发展。从国内外曲顶技术的发展现状来看，目前曲顶的管径以中、大口径为主，曲线类型有平面的、有垂直向的，还有S形的，基本上都能够按照工程的要求进行变换。同时，顶进长度向长距离发现发展，比如，在上海合流污水一期工程中德国Zueberlin公司曾将直径2 500 mm的钢筋混凝土管曲线一次顶进约1 500 m。

5 结束语

非开挖技术是在水利工程中的应用还不够普遍，该方法具有一定优势，不会破坏地表结构，也将对周围环境、居民日常生活的影响降到最低。在水利工程建设过程中，利用机械顶进技术，能够有效减少施工人员的工作量，提升工作效率，实现经济效益、社会效益最大化。在施工过程中，还需要做好前期准备工作，合理选用管材，加强对顶管施工技术的研究和应用，尽可能减少机械设备在顶进过程中受到的摩擦力，减少设备老化、损坏的可能性，从而提升水利工程建设效果。