市政给排水施工中微型顶管技术的应用

陈 伟

（西城工程设计集团有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

随着城市的快速建设及发展，城市中管线网络规模越来越大，且错综复杂，采取明挖法进行市政给排水管道施工的难度越来越大。因此非开挖技术在市政给排水管道项目中应用越来越广泛，且取得长足发展。微型顶管施工技术是非开挖技术的一种，常用于小口径管道施工中，不仅继承了常规顶管技术的优势，而且也可解决常规顶管围护结构大易引起管道搬迁、延长工期等问题。因此，该文针对顶管技术进行深入研究，对推动市政给排水微型管道施工技术发展有积极的意义。

1 工程概况

某市二级污水管网改造项目施工长度约2.96 km，管道直径要求300mm～400mm，且预改造污水管道均在现有道路下，管道平均埋深为4.5m，局部埋深为8m，主要采取开槽埋管的方式进行施工。其中约500m 污水管道施工区域环境复杂，地下燃气管道、超高压电力等管线密集，并且需要穿越河流及既有铁路线，需要采取非开挖方式进行施工。

为了了解施工现场水文地质情况，在现场对施工范围内25m 深的土层进行勘测，具体水文地质情况如下（自上而下）：①1-1 层为杂填土；②层为粉质黏土，呈褐黄—灰黄色；③层为淤泥粉质黏土，呈灰色；③夹层为黏质粉土，呈灰色；④层为淤泥质黏土，呈灰色；⑤1 层为黏土，呈灰色；⑥层为粉质黏土，呈暗绿色。

这次微型顶管施工主要是穿越③层灰色淤泥质粉质黏土，个别位置会穿越④层灰色淤泥质黏土。地下水整体稳定性比较好，水位埋深为0.4m～1.7m，承压水位埋深为3.0m～12.0m。

如果选用水平定向钻法则会因无造斜距离或施工精度不高而难以穿过管线密集区域；选用常规顶管技术则会因围护结构大而引起管线搬迁或者延长工期等问题；采取明挖法则须进行支护且需要与管线所属单位协调搬迁管线，对周围影响大，且成本高。因此，综合考虑到这次管道施工的特点及难点，且管道均为小口径管道，对技术性进行比较后，最终决定采用微型顶管技术进行施工。

2 微型顶管施工技术

2.1 工艺原理

微型顶管施工主要是以地箭式的方式出土，其出土方式又可以细分为标准地箭式及改良地箭式。标准地箭式是分步骤进行排土的，而改良地箭式是通过压密向前推进，不排土。地箭式工艺是用前导管做导体，并在其后端连接上螺旋出土管、扩孔切削头及预敷设的管材，再通过液压设备将前导管按设计轨迹要求逐步顶进，最终实现管道敷设的目标[1]。

2.2 适用条件

微型顶管施工技术是一种非开挖施工技术，经常用于施工场地下、周围环境复杂及地下管线分布复杂的管道穿越项目中，且适用于砂性或黏性的松软土层环境，顶管施工所用管道以埋深比较深且重力流排水管道为宜。同时，在微型顶管技术应用过程中，单段顶距应≤80m、工作井深度应≤15m，且适合管径≤600mm 的小口径管道顶进施工[2]。

3 施工方案

3.1 施工方法确定

根据以往的施工经验，当在标准贯入试验锤击数N>15的地质条件下，宜采取标准地箭式技术进行施工；当在标准贯入试验锤击数N<15 的地质条件下，宜采取改良式地箭式技术进行施工。在该项目中，顶管施工的管道直径为300 mm～400 mm，属于小口径管道，且顶管所经区域以淤泥粉质黏土为主，地下水的水位比较高，土壤摩擦系数比较低，压缩性高，标准贯入试验锤击数N为6.0～9.0，小于15，因此这次微型顶管施工采用改良地箭式方法进行施工。

3.2 管材选用

当前，小口径顶管施工中常用的管材主要包括钢筋混凝土管、树脂混凝土管及离心浇铸玻璃钢夹砂管等。经综合考虑造价成本及效益后，决定选择使用树脂混凝土管材进行施工，管材具体规格见表1，接口采取玻璃钢套筒F型接口。

表1 树脂混凝土管道规格参数

4 微型顶管施工要点

4.1 工艺流程

此次改良地箭式微型顶管施工的工艺流程如图1 所示。

图1 改良地箭式微型顶管施工工艺流程示意图

4.2 测量放线

根据设计图纸及施工需要，现场利用全站仪、经纬仪、水平仪等设备进行精确测量，并放出管道中心线，再参考中心线依次放出控制坐标点及高程水准点，最终形成一个完整的控制网，为后续顶管施工高效优质实施奠定基础[3]。

4.3 工作井施工

因为该项目中，微型顶管所涉及的工作井及接收井在尺寸上比常规顶管施工所用的工作井小许多，所以将满足此次施工要求的现有检查井用作微型顶管的接收井，最终只需建设一个钢筒工作井就行。工作井剖面图如图2 所示。

图2 工作井剖面图

该钢筒是用壁厚20 mm 的Q235B 钢板制作而成的，每节钢筒的长度为2.0m，工作井用多节钢筒焊接组成，并使用Y2590 型摇管机将钢管井下沉至设计标高。待钢筒井下沉到预定位置后，及时抽干井中的渗水，并马上用C35 混凝土进行封底，厚度是2.0m，用作基坑底板，这样也可以有效避免钢筒井受地下水浮力影响而发生上浮。同时，基坑底板高程要低于设计管底标高0.8m，这样便于设备安装及顶管施工。另外，在基坑底板处也预留了一座深度0.5m、直径80cm 的集水坑。

该微型顶管施工区为黏土层，地上水的水位也比较高，为预防开挖封底时发生涌沙、涌泥等问题，便在钢筒井下沉就位后，对坑底做了压密注浆。且将钢筒底部嵌入封底下土层1.2m，以确保顶管时封底及钢筒足够稳定。

4.4 顶力计算及设备选型

参考《给水排水工程顶管技术规程》CECS246：2008中的相关规定，计算顶管施工的阻力，如公式（1）和公式（2）所示。

式中：F—总顶力，kN；Do—管道外径，m；Dg—顶进机头外径，m；L—顶距，m；fk—管道外壁和土单位面积平均阻力，kN/m2；Nf—顶管机迎面阻力，kN；P—土仓压力，kN/m2。

以DN400 mm 管材为例进行计算，管道顶进最长距离是64 m，Do=0.49mm，Dg=0.5m，L=64m，fk=6.5kN/m2，P=60 kN/m2，最终计算得出总顶力：kN。

此次微型顶管施工选用的是推进机台尺寸为1950mm×1200mm×850mm（长×宽×高），具体功能及参数见表2，可输出1600kN 的顶力，满足实际顶进施工要求。

表2 推进机台的功能及参数

4.5 设备安装

首先，在工作井中安装后背。此次顶管所用后背是钢筒井井壁，钢筒就是后背墙。后背与机台之间的空隙使用三角铁进行焊接加固，增加机台的稳定性。其次，校正钢筒中心及顶管的轴线。最后，根据管道中轴线依次将推进机台、机台底座、激光经纬仪等安装好，以备后续施工。

4.6 止水装置

顶管施工设备安装完毕后，在钢筒井壁上切割开洞，并安装由环形钢片＋橡胶＋紧固螺栓组成的镜面框，用来防止先导管及管道顶进过程中泥水从洞口流入井内，造成水土流失。开始顶管之前，把中间的橡胶割开，并按导向孔→黑管孔→管道孔的顺序进行3 次开孔，且开孔孔径应比导向管、黑管等的管径小一点。另外，也对洞口上下1m范围内做了注浆加固，这样可以防止因地下水水位高而使泥水压力过大进而通过洞口涌入井内[4]。

4.7 先导管顶进

安装并调试好激光经纬仪后，便开始进行先导管顶进操作。先导管外径为89mm，有效长度为750mm，在其前端连接有斜面的导向箭头，且箭头内安有测量觇标，可以通过激光经纬仪观测觇标来测量顶进情况。先导管顶进过程中，应严格控制顶进方向与设计轴线保持一致。如果出现偏差，应及时调整箭头斜面方向，并暂停先导管转动，继续向前推进，待方向快调正时，开启设备使先导管转动，按既定方向向前顶进。先导管顶进纠偏示意图如图3 所示。

图3 先导管顶进纠偏示意图

4.8 黑管顶进

根据设计轨迹，将先导管顶到接收井后，拆下导向箭头，并将导向箭头从接收井里吊出来，放到指定位置。然后使用变径简易机头将先导管和黑管连到一起，接着持续进行黑管推进。在黑管顶进的过程中，应在接收井中把对应长度的先导管拆下来，并回收。

4.9 树脂混凝土管顶进

待黑管顶进到接收井之后，将简易挤扩机头安到黑管尾端，并将其慢慢顶进洞中。同时，将树脂混凝土管逐节吊装到简易挤扩机头后，并顶进。在顶进树脂混凝土管的过程中，接收井中应同步拆除黑管。同时，为了改善土壤性质，减少顶进过程的阻力，在简易挤扩机头上连接了高压水管，通过高压注水来降低机头及管道跟土壤之间的摩擦力[5]。另外，树脂混凝土管顶进过程中应严格控制精度在±2 cm。

4.10 机头和微顶设备拆除

待所有的树脂混凝土管都顶进完工后，在接收中将简易挤扩机头拆卸下落，并吊离接收井。然后，使用堵漏材料对管壁进行封堵，同时，工作井中对顶进设备进行拆卸。

4.11 钢筒拔出

完成检查井回填后，便可拔出钢筒，并回收。为了避免对管道产生不利影响，先将管顶0.5m 以上的钢筒拔出去。对施工场地有限且检查井尺寸比钢筒直径大的情况，可将钢筒直接用作井外壁[6]。

4.12 施工监测和CCTV 检测

为了实时掌握微型顶管施工过程中对四周既有建筑物及环境的影响，确保施工的安全。根据设计要求及现实需要，在微型顶管施工期间，对管道底埋深1.5 倍范围内的既有铁路线、综合管线等的变形及位移情况进行了实时监测。最终监测结果显示此次微型顶管施工对四周管线、建筑物及地表环境的影响很小，可以忽略。

同时，为验证此次微型顶管施工的质量是否满足要求，现场对管道做了CCTV 检测，经检测，管道接口、管材及坡度等均满足设计及规范要求。

5 结语

综上所述，案例项目施工条件比较复杂，穿越区域以淤泥淤泥粉质黏土为主，另外，管道均为小口径管材，常规非开挖技术难以满足施工要求，因此应用微型顶管施工技术进行施工，最终不仅完成了施工任务，而且也帮助项目节约了成本约10%，保证整体工程的工期及效益。由此可以得出结论：微型顶管技术在市政给排水工程建设中有非常重要的地位及应用价值。如果需要微型顶管施工达到预期的效果，应根据现场施工条件选择合适的工艺方法，制定合理可行的施工方案，优化施工参数，并严格控制各环节的施工质量，保证施工进度，合理降低施工成本，不断提高顶管施工技术水平。