顶管施工技术在引水管道工程中的应用

2021-10-23葛焕丽

工程技术研究 2021年15期

葛焕丽

深圳市北部水源工程管理处，广东深圳 518000

1 顶管施工技术的特点

（1）对城市正常秩序的影响小。顶管施工技术的应用使引水管道工程的施工由地上转为地下，将对城市道路交通与建筑的影响降到最低，在很大程度上减少了工程量，对城市正常的运行秩序影响较小。（2）对城市管网的干扰和破坏较小。当前，城市基础工程涵盖的范围不断扩大，管道铺设常常在公路、铁路、河流及地下建筑物中穿过，采用传统的引水管道铺设技术需要扰动地下已有的管线和设施，而顶管施工技术则可以采用曲线前进的方式绕开已有的管道、障碍物，从而减少对城市管网的干扰和破坏。（3）对工程周边的环境起到的保护作用较大。顶管施工技术可以减少大量的土方开挖，将工程施工区域缩到最小，地面的建筑与植被不会因为引水管道工程受到破坏，在很大程度上实现了对环境的保护作用。（4）对保证工程进度具有帮助作用。引水管道工程的规模较大，工程施工周期较长，受外界自然天气等因素的影响较多，往往会导致工程被迫暂停，最终影响工程进度，延误原定完工时间。

2 在引水管道工程中应用顶管施工技术的施工工序

顶管施工技术的施工井主要分为作业井和接收井。顶管井一般为钢筋混凝土结构，可细分为单孔井和单排孔井。单排孔井主要为矩形，而单孔井可以是圆形、矩形或正方形。一般情况下，圆形顶管井的受力效果最为理想，受力表现较差的为矩形的单排孔井。在工程施工过程中，接收井和作业井的布置需要根据实际情况进行选择。

（1）选择顶管。顶管施工技术的应用较为复杂，在开始施工前需要对顶管的材质、直径进行详细的了解。一般情况下，首先确定的是顶管直径，然后根据顶管自身的承载能力确定混凝土比例。通常要求顶管的直径在50cm以下。顶管材料的选择需要结合工程的设计需求和对顶管自身的抗腐蚀性进行明确。在选择顶管长度时，需考虑工程需求，保证长度符合相关要求后才可投入施工使用。长顶管通常用于直线推顶，可有效减少顶管拼接操作，避免因在增加顶管长度的过程中拼接不当导致的路线偏离，从而增加施工难度。如果在直线推顶中使用短管，则会使管道周围的土层受到过大的挤压弯曲，增加对施工情况的不可控性。在选择管道长度时，如长度与直径的比值大于1，可选择短管，当相关比值约为1.15时，则可选择标准长度的管道，当相关比值大于2时，则可选择长管。

（2）穿墙。穿墙施工是将工具管顶出井外，并安装穿墙止水装置。其主要施工技术包括为达到临时性阻水挡土作用，在穿墙管内填夯压密实的纸筋黏土或低强度水泥黏土拌和土；在进行工作井工具管穿墙施工前，需对穿墙管外侧采取注浆固结措施，可确保穿墙孔外侧一定范围内土体的稳定性；在进行穿墙施工前，需对可能出现的问题进行分析，并制订相应的处理方案；闷板开启后，应及时推进工具管和进行穿墙止水。

（3）顶管出洞。顶管出洞是采用顶管机将第一节管子从工作井中破出洞口封门进入土中的工序，也是顶管施工作业中值得关注的工序。作为顶管施工技术应用的关键工序，顶管出洞的过程极易发生事故，因此在实际施工过程中，应采取工具管调零在工具管下的井壁上加设支撑，以防止管线出现偏斜。若在此过程中出现下跌，应立即用主顶油缸进行纠偏，同时在工具管出洞前预先设定一个初始角以弥补下跌问题造成的负面影响。

（4）注浆减阻。注浆减阻是通过向管道周围的空隙压注触变泥浆进行填充，使管道外形成一道泥浆保护套的施工工序。该工序不仅可以起到支撑地层的作用，同时还可减少地面沉降及顶进阻力对管道产生的压力。在实际施工过程中，首先应在顶进过程中同步对顶管机头尾部进行压浆操作，然后针对顶进过程中的泥浆损失，在混凝土管道的适当位置进行跟踪补浆。注浆工序一般多应用于长距离顶管施工。

3 顶管施工技术的质量控制措施

3.1 沉井下沉系数计算

沉井下沉的方式可采取履带式竖杆抓斗挖机挖土，不排水下沉，由人工配合施工。沉井四角的外井壁处喷涂漆尺，同时在沉井附近的固定构筑物上设置至少两处后视水准尺，用于测量沉井下沉过程中的下沉量和四角高差等数据。对于沉井井壁拉杆螺栓拆除后留下的孔洞，用水泥比为1∶2.5的砂浆进行密实。

沉井下沉系数K1的计算公式如下：

式中：G为沉井自重；R1为刃脚踏面及底梁底面阻力；Rf为井壁摩擦阻力。

井壁摩擦阻力的计算公式如下：

式中：U为沉井外壁周长；h为沉井入土深度；f为井壁摩阻力。

3.2 顶力与后背抗力计算

顶管施工过程涉及非常复杂的材料力学、岩土力学、流体力学、弹塑性力学等力学过程，在计算顶管推力时，需要综合考虑工具头正面泥水压力、管壁摩擦阻力等管道顶进过程中受到的阻力。若压力过小，则会出现大量泥沙涌入的问题，造成路面破坏，使地表设施受损；若压力过大，则会出现冒顶现象。

在确定控制顶力为4500kN、顶进设备允许最大顶力为6000kN、工作井设计顶力为6000kN的基础上，明确顶力计算设置方案。

（1）机头迎面阻力F1的计算公式如下：

式中：r为土的容重，kN/m3；H为导管高度，m；t为管壁厚度，m；A为导轨间净距，m。

（2）机头外壁阻力F2的计算公式如下：

式中：d为外径，m；L0为顶管机正面单位阻力，kN；f0为单位面积管壁与土的平均摩阻力，kN。

（3）管外壁摩阻力F3的计算公式如下：

式中：D为管道内径，m；L为管道长度尺寸，m；f0为单位面积管壁与土的平均摩阻力，kN。

（4）总阻力的计算公式如下：

3.3 路面沉降监测

虽然顶管施工技术的应用对地面隆起或沉降的影响较小，但针对高速公路的相关施工，为保证路面行车安全，对于路面沉降量的要求非常严格，因此需要每天对顶管上方的高速公路路面进行沉降变形监控测量，并形成观测结果报告提交技术负责人，如出现严重变形问题，需立即停工采取加固措施。

一般情况下，开展路面沉降监测，监测点的设置以高速路每幅路的硬路肩及中间分隔带位置为佳，每处一组设3个监测点，形成监测剖面，共5个剖面。每个剖面的3个监测点应与道路走向平行，并保持每个监测点之间5m的间距。其中，3个监测点中间的监测点需与顶管中心重合。

3.4 质量检验及验收

关于顶管施工中的质量检验标准，应结合工程设计图纸、技术文件、建设单位和监理单位提出的要求和质量标准进行明确，并严格按照相关标准进行施工和验收。一般情况下，顶管施工的允许偏差如表1所示。

表1 顶管施工的允许偏差

4 顶管施工技术的主要管理要点

（1）重视施工前的现场勘探。顶管施工技术是基于对施工区域详细的现场踏勘及调查开展的，相关勘探工作包括对施工现场的人、车流情况，以及交通组织及路线的深入调查。对施工区域及周边的市政地下构筑物进行调查，确保施工操作不会对相关构筑物的正常使用造成影响；对施工区域及周边的桥梁等建筑物的结构形式、桥台基础、桩基深度及间距等数据进行收集，明确其长度是否在顶管顶进轴线内。

（2）明确顶管施工线路设计及相应井位设置。顶管施工的距离受设备条件及周围环境等综合因素的影响，考虑到工作井的造价问题，应尽可能少设置工作井，同时保证工作井可同时满足向两个方向顶进，同时还需考虑到工作井以后要作为检查井使用，以达到控制成本的目的。在设计顶进路线时，应避开不利于顶管顶进的土层，尽量让顶管线路避开结构物及树木。