非开挖管道拉顶铺设技术在城镇环保设施改造中的应用

邱俊新

(广东省第四建筑工程有限公司，广东 广州 510100)

1 工程概况

普宁市环保设施建设项目规划用地主要包括居住用地、村庄建设用地、商业服务业设施用地和公共管理设施用地等，服务面积约50.7km2，新建污水管道总长约186.646km，管径为300～1 000mm。由于污水管网改造建设多处于居民村落建设用地中，接驳点多处于市政道路之上，受制因素诸多，施工精度、质量要求高，因此，需改进传统的顶管施工法和牵引管施工法，采用非开挖管道拉顶铺设技术。

2 施工重难点

1)本工程污水管网建设与改造多处于居民村落建设用地中，现场施工作业面狭小，限制了大型工作井的开挖及大型设备的使用，且周边地下管线众多、布置复杂，对施工造成一定影响。因此，管道施工开挖须适应场地条件。

2)本工程多处施工区段属软土层，常规暗挖技术在软土层中施工时，如果不采取相关应对措施，管道安装易发生偏差，且纠偏困难，难以满足施工进度及质量要求。

3)传统的实壁管生产工艺复杂，需真空吸塑水冷成型，由于内外冷却不均匀，管壁内部易形成应力，存在径向变形外力，易导致管材破裂，且影响回扩拉顶施工标高控制精度。

3 施工方案对比

3.1 开槽支护明挖施工法

开槽支护明挖施工法工艺流程为：①通过采取破除路面、设置支护结构、降水、基坑底土体加固等措施进行沟槽开挖；②基槽清理及管道安装；③回填路基并压实，做好路面水稳层；④恢复路面。作为传统的施工方法，工艺简单，技术相对成熟，施工安全和质量易保证，但对周边环境和交通的影响大，引起大量拆迁，难以应用于重要的交通要道，且现场施工受天气情况影响较大。

3.2 顶管施工法

顶管施工法通过借助工作井内的后背墙作用力、顶进设备的顶力和中继站的推力，克服顶进管道与环境土体间的摩擦力，将设计管道通过掘进机头顶入土体设计轨道路径中，并将土方运走。不断重复管道顶进施工，将掘进机头从工作井穿越土层，顶推至接收井内吊起，最终实现多节管道埋设于两井的设计标高之间。作为市政管道施工核心技术，顶管施工法具有可穿越公路、铁路、河流等障碍物，且不对交通进行隔断，可有效改善地面沉降，将施工引起的粉尘及噪声污染控制在最小水平的优势。但应用于疏松土壤土质时，施工精度不足，易引发地面沉降。顶管施工前须有详尽的工程地质和水文地质勘察资料，否则当施工过程中遇到相对恶劣的土层时，难以穿越及纠偏，工程造价偏高。

3.3 牵引管施工法

牵引管施工法采用导向钻进技术，通过地表仪器接收导向钻进钻头的相关钻进参数信号，由平行定向钻机实现钻孔钻进的轨道控制，按照管道设计轨迹，先完成先导孔施工，再根据铺设要求的口径进行回拉扩孔，直至孔径符合要求，最后将管道拉入孔内，牵引施工，直至完成管道铺设。牵引管施工法具有运行稳定、施工质量可靠、施工速度快、造价低、占用场地少、噪声小等优点。但施工过程中存在诸多问题，如回拖管道过程中存在多种阻力，包括管道孔内自身摩擦阻力；管道在导向孔段易产生弹性变形，对孔壁产生附加阻力；回拖过程中堆积在管道端部的泥渣产生随回拖管道长度增加而增大的阻力；钻孔施工时可能出现卡钻、钻头脱落和钻杆折断等问题。

3.4 非开挖管道拉顶铺设技术

非开挖管道拉顶铺设技术根据设计图纸开挖微型工作井和接收井，并布置拉顶钻机和顶进设备；采用拉顶钻机导向钻孔，导向孔施工完毕后，利用拉顶钻机主拉力与顶进设备辅顶力边扩孔边拉顶管道，并通过泥浆管向扩孔内壁喷射触变泥浆，实现非开挖管道铺设施工。该技术具有工序少、拉顶标高控制要求高、作业面操作可控度高和施工质量有保障等特点，适用于微型管道施工，进、出场速度快，现场布置可灵活调整，可有效提高施工效率，降低施工成本，缩短施工工期。

3.5 方案比选

通过综合对比分析，结合工程实际情况与目标要求，为更好地保证工程安全、质量、进度，以质量安全关键技术突破和质量科学理论实践为核心，本工程采用非开挖管道拉顶铺设技术。

4 施工设备

施工设备根据拉顶管道所需拉顶力选择，为更好地发挥技术优势，选用YZ-480型福龙钻进行拉顶铺设施工。福龙钻为齿轮齿条给进结构，采用电控开式液压系统(柱塞变量泵+柱塞变量马达)，使其在变量控制装置的作用下可根据实际需求在一定范围内调整输出特性，达到恒流、恒压、恒速等，具有显著的节能效果。设备动力强劲，性能稳定可靠，操作方便、灵活，效率高。发动机功率为194kW，最大输出扭矩为23 500N·m，钻机回拖力为520kN，钻进给进力为520kN，入射角为12°～20°，泥浆泵最高压力为9MPa，最大回扩孔径为1 200mm。

5 工艺原理

非开挖管道拉顶铺设施工将拉顶钻机设置在地面上，微型工作井内仅设置顶进设备(见图1)。铺设管道过程中主要通过拉顶钻机主拉力拉动管道，辅以顶进设备的顶进力推动管道，因此工作井内采用小型顶进设备。微型工作井容积小，挖掘量低，施工周期短，工作井挖掘施工对路面及土层的破坏小，可尽量避免施工对周围管线、结构物及交通路况的影响，解决了常规顶管因场地限制无法开挖工作井的难题。此外，由于拉顶钻机设置在地面上，大大降低了施工过程中埋机头开天窗的风险，施工对土层扰动小，排泥浆量少，具有施工安全、可靠、方便的特点。扩孔、清孔、拉顶管道同步进行，提高施工效率，降低施工成本，缩短施工工期。

图1 拉顶铺设施工示意

采用液压先导导向钻进技术，在穿井过程中自动获取地层信息，方便进行钻杆校核、限位，导向钻杆实时拉力确保了其在导向孔中保持拉直状态，有效确保管道铺设的水平度，实现了管道铺设标高控制要求，有效克服了传统牵引管在软土层施工中易发生偏差且纠偏较困难的问题。本方法在软土地基中可采用排浆施工(排浆量为75%)，使管道外壁与土体密实接触，有效避免传统水泥顶管施工完成后出现的不均匀沉降问题。

非开挖管道拉顶铺设技术采用双密封自锁承插接口的复合实壁管作为拉顶管材，自密封接头，自锁死，无须用电，防渗、防震，消除了材料内部应力，大大提高了标高控制精度。

6 关键技术与操作要点

6.1 工作井和接收井开挖

根据施工要求测量放线，开挖微型工作井和接收井。

6.2 拉顶钻机和相关顶进设备布置

1)做好施工部署，拉顶钻机布置在接收井一侧的地面上，顶进设备布置在工作井内。

2)配合拉顶钻机使用的配件包括导向钻杆、可安装于导向钻杆末端的导向钻头及扩孔钻头，导向钻杆内布置泥浆管，扩孔钻头上设有连通泥浆管的喷浆孔。顶进设备包括液压传动系统和水平设置的液压顶杆，液压顶杆受液压传动系统驱动，可向接收井方向水平顶进。

6.3 导向钻孔

根据设定的钻孔路径和电子测向仪实时监测结果，利用拉顶钻机的导向钻头，由拉顶钻机附近地面向接收井下部斜向钻引入孔，继续利用拉顶钻机的导向钻头由接收井下部向工作井下部沿水平方向钻导向孔。

6.4 安装扩孔钻头

导向钻孔完成后，在工作井内拉顶钻机导向钻杆上安装扩孔钻头，在扩孔钻头前端安装1块封管板，封管板上开有排泥孔。向工作井内吊入1根拉顶施工管道，使管道置于顶进设备液压顶杆前端，管道前端与扩孔钻头前端的封管板连接固定。

6.5 扩孔、清孔、拉顶管道

启动拉顶钻机和顶进设备，利用拉顶钻机的主拉力与顶进设备的辅顶力边扩孔边拉顶管道。扩孔拉顶过程中，泥土由封管板的排泥孔进入管道内，采用清孔器排入工作井内，实现清孔。由拉顶钻机通过泥浆管向扩孔内壁喷射护壁泥浆，管道大部分进入导向孔时停止拉顶钻机和顶进设备作业，将液压顶杆端松离管道。

6.6 循环拉顶管道施工

向工作井内吊入新管道，将该管道置于顶进设备液压顶杆前端，管道前端与已拉顶入导向孔内的前1根管道端连接。启动拉顶钻机和顶进设备，利用拉顶钻机的主拉力与顶进设备的辅顶力边扩孔边拉顶管道。扩孔拉顶过程中，泥土由封管板排泥孔进入管道内，采用清孔器排入工作井内，实现清孔，并由拉顶钻机通过泥浆管向扩孔内壁喷射护壁泥浆，管道大部分进入导向孔时停止拉顶钻机和顶进设备作业，将液压顶杆端松离管道。重复拉顶管道施工，将多根管道依次拉顶至导向孔内，直至导向孔内铺满端部依次连接的管道，第1根管道前端位于接收井内，最后1根管道末端位于工作井内。

6.7 场地清理

拆除管道前端连接的封管板，撤离拉顶钻机及配件、顶进设备、排泥泵，清理施工场地，完成管道拉顶施工。

7 结语

普宁市环保设施建设工程暗挖施工过程中，针对施工作业面小、管道易发生偏差、管道材料内部应力影响标高精度控制等难题，采用非开挖管道拉顶铺设技术，并与传统暗挖施工技术进行对比分析。工程实践表明，非开挖管道拉顶铺设技术提高了施工效率，确保了施工安全，节约了施工成本，达到良好施工效果，可为类似工程提供参考。作为新型施工工艺，非开挖管道拉顶铺设技术适用于砂土、黏土地层和大部分非硬岩地区，对卵石层的适用性需作进一步研究。