顶管技术在市政给排水工程施工中的运用研究

2022-10-28刘嘉靖

四川建材 2022年10期

刘嘉靖

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉 430000)

1 顶管技术特点及优势

在顶管施工中，施工单位只需进行工作井与接收井的开挖施工，工程施工操作集中于地下，表现出开挖工程量少的特点。基于顶管技术的原理，其在市政给排水工程施工中的运用有以下优势：①市政给排水管道的敷设无需全段开挖施工，对沿线交通影响小，对周围建(构)筑物影响少，保障了建筑的安全；②开挖工程量少，施工现场不会产生大量粉尘，避免粉尘污染的出现，保护城市环境；③顶管施工的掘进面较小，对施工组织的要求较低，减少人工成本，且施工快捷，工期短[1]。

2 顶管技术在市政给排水工程施工中的运用方法

为发挥顶管技术在市政给排水工程施工中的优势，施工单位应按照规范流程施工。本文以某市政给排水工程为例，探究规范施工流程，为施工单位落实顶管技术提供有益探索。该市政给排水工程的顶管施工距离为615 m，属于长距离顶管施工，管径大小为DN3400，施工单位选择气压平衡法施工。

2.1 施工准备

在施工前，施工单位进行顶力计算，该市政给排水工程所用的管道允许顶力为51 287 kN。施工单位配置6台规格为200 t的千斤顶，顶力为8 000 kN。在最大顶力情况下，计算管道的顶进长度为64 m，小于施工距离。因此，需在管道中设置中继间。根据顶力的计算结果，施工单位设置500 kN的千斤顶，提供中继间的顶力，并在每个中继间配置28个千斤顶。工程中共设置9个中继间。在完成顶力计算后，施工单位对施工现场进行处理，根据长距离顶管的需求，准备施工所需的材料与设备，并将其就位于合适的位置。在该市政给排水工程准备环节，施工单位将起重机、千斤顶、摄像机、测量仪表、减速装置、电动机与垫板等装置就位，为后续施工奠定基础。具体顶管施工流程如图1所示。

图1 顶管施工流程示意图

2.2 工作坑施工

在顶管施工中，工作坑是指工作井与接收井，负责顶管施工的排水、出土及运输工作，同时保护施工现场的建(构)筑物。常用的工作坑为圆形或矩形，采用钢筋混凝土作为工作井与接收井的结构。在本案例的市政给排水工程中，施工单位设置矩形工作坑，通过锚杆支撑构建封闭式模框架，并在矩形的四角设置斜支撑，以提高工作坑的稳定性。同时，施工单位选择装配式工艺建造的后背墙，通过方木、型钢等构件进行拼接组装。在工作井与接收井施工过程中，遵循双向顶进的原则设计工作井，按照设计检查井的距离要求，建造接收井。

2.3 设备安装

在工作坑施工完毕后，按照顶管施工要求安装各类设备。在本案例的市政给排水工程中，施工单位开展的设备安装工作如下。

1)运用钢材制作导轨，并规范安装钢轨，调整钢轨位置，使钢轨保持平行、顺直，并检测钢轨的纵坡，符合管道设计坡度的要求。在后续顶管施工过程中，定期校准导轨的位置，避免其出现位移，影响顶管施工的质量。

2)在安装千斤顶时，将其固定于专用支架上，并使千斤顶和给排水管道的中心垂线对称，以确保千斤顶形成合力，集中作用于垂线上。同时，施工单位为千斤顶配置相应的油泵及备用泵，以保障连续施工的可能。在所有设备安装完毕后，对设备进行试运行，观察其运行效果，确认无误后方可实施顶管施工。

3)在更换顶铁时，需确认顶铁无异常，并在顶铁和管口中设置一层缓冲材料。在顶管施工的顶力与管道材料的允许抗压强度差值较小时，需在管口处增设顶铁，施工单位选择U型顶铁及环形顶铁，避免管道出现破损。

2.4 穿墙施工

在设备准备完毕后，即可进行机头穿墙施工，作为顶管施工的前置环节。在穿墙施工时，为最大限度地缩短土体暴露时间，施工单位设置合理的穿墙速度，在穿墙前向土体内注入适量混凝土，以提高土层的稳定性，避免穿墙操作时大量土体渗漏，影响穿墙效果。在作为闷板的墙体开启后，需运用工具管实施止水操作，从而保障穿墙施工质量[2]。

2.5 顶进施工

在本案例的市政给排水工程中，施工单位通过手掘式顶进技术实施顶进施工。在施工前，将地下水位调整至管道底部超过0.5 m的水位，并做好防水处理，避免地下水进入顶管管道内，影响顶管施工质量。在顶管施工的工具管接触土层后，按照从上至下的顺序分层开挖，挖掘30～50 cm的坑道，便于顶管顶进。顶进过程中需遵循先挖后顶、随挖随顶的原则。部分土层可超挖，管前超挖量控制在15 mm内。在顶进过程中，管道下方135°区域内不允许超挖。在完成管道顶进操作后，需实施注浆施工，通过触变泥浆套，避免管道外壁和周围土体产生摩擦力，补充土体，提高土体强度，预防沉降、变形等问题的出现，延长给排水管道的使用寿命。

2.6 管线纠偏

在顶管施工中，可能出现管道位移现象，使管道的实际位置与规定位置间出现偏差，影响市政给排水工程施工质量。细化来说，顶管施工的偏差要求如表1所示。

表1 顶管施工允许偏差单位：mm

在该市政给排水工程施工中，施工单位发现顶管施工时管位出现约10 mm的偏差，需通过管线纠偏措施，保障顶管质量。细化来说，施工单位缓慢调整管道位置，引导管道逐渐恢复正确位置，避免猛纠硬调扰动周围土体，破坏管道。实际纠偏操作如下：通过管道后端设置的纠偏千斤顶组，调整机头端面的方向，逐渐向轴线靠近，逐步减少管位偏差，最终使机头端面运行方向与轴线重合，完成管道复位。另外，如果顶管施工中，机头出现旋转现象，施工单位需在管道内与机头旋转的反方向设置更多的压重块，或在中继站设置旋转纠正力矩，以调节管道位置，保障顶管的规范性[3]。

3 顶管技术在市政给排水工程施工中的运用要点

3.1 地表监测

在顶管施工中，如在开挖环节中施工单位取土量不合适、管线未及时纠偏或顶进管和工程管外径出现管径差等情况，均可能引发地表沉降或地表隆起现象，影响正常施工，破坏施工现场。就此，施工单位在顶管施工期间需实施地表监测，及时发现地表异常，避免影响扩大。在该市政给排水工程中，施工单位通过水准测量方法，观测施工现场的地表变形状况、建(构)筑物沉降状况；通过倾斜电测法观测建(构)筑物的倾斜状况，监测频次由施工进度、施工现场建(构)筑物情况与沉降速率等因素决定。同时，施工单位为避免地表沉降或隆起，采取以下预防措施：①在实施压浆施工时，以“泥浆套”土体压力平衡为条件，设置压浆压力；②对于埋深小于1.5 m的管道，沿管道敷设路线设置局部压钢板，并在钢板上方堆放砂包，保障顶管时土层压力均衡，预防隆起。

3.2 洞口止水

在顶管施工时，为确保管道可从工作井处有序出洞，施工单位需适当扩大工作井的预留洞口，要求其超过管道外径100 mm。在此基础上，为保障顶管施工的质量，在实际顶进操作时，需对工作井预留的洞口与管道间的缝隙实施封堵处理，做好洞口止水工作。在该市政给排水工程中，施工单位采用以下洞口止水方案：在建造工作井时，于工作井的预留洞口处预埋一个厚度为10 mm的钢法兰，并焊接对应的螺栓，安装厚度为16 mm的橡胶法兰，最后使用厚度为10 mm的钢压板压紧牢固法兰，避免地下水、泥沙等杂质进入工作井内。在该洞口止水方案中，钢法兰、橡胶法兰及钢压板均可循环利用，环保效益显著。

同时，在穿墙施工时，为避免工作井外部的地下水或泥沙进入井内，引发塌方现象，施工单位沿管道顶进方向，通过注入混凝土的方式，加固工作井周围一定区域的土体，提升土层强度，并做好管线纠偏操作，保障顶管方向正确。

3.3 泥浆管理

在顶管施工的注浆施工中，施工单位需合理配制泥浆，选用高质量的膨润土为原材料，合理设计泥浆配比。在案例市政给排水工程中，施工单位按照膨润土∶ 水=1∶ 8的比例制备触变泥浆，泥浆制作时充分搅拌，避免离析等问题的出现。在泥浆压入前，实施二次搅拌，保障注浆的施工质量。在注浆施工时，要求注浆压力超过管道上部静止土的压力及水头压力，并实时观测地表与地下水变化，适当调整注浆压力与压浆量。在顶进至曲线段时，适当增加注浆量，保障触变泥浆套的完整性。同时，在泥浆出口处设置单向阀，既可避免回浆，也可预防临时停泵对注浆压力的影响。另外，在贯通顶管后，为避免给排水管道出现沉降，施工单位通过压注孔将给排水管道外的触变泥浆更换为纯水泥浆液。

3.4 顶管降阻

在长距离顶管施工中，给排水管道和周围土体的阻力，是影响顶管施工质量的关键因素。案例中的市政给排水工程应用如下顶管降阻措施，减少阻力，提高顶进速率与质量：通过注浆操作，将触变泥浆变为润滑剂，减少管道与土体间的阻力；在压浆操作时，选择中继站、机头尾部的位置作为压浆点，避免触变泥浆流失，节约成本，强化泥浆的润滑作用。