市政给排水工程长距离顶管施工技术

汪凯举

宣城经开区科技创业服务中心，安徽宣城，242000

0 引言

长距离顶管技术凭借减少挖土量、节约施工用地、具备穿越河流施工条件等显著优势，在现代市政给排水工程中得到广泛应用，逐渐取代了传统的开挖埋管技术。然而，面对复杂地质条件，在顶管期间常出现刀盘被卡、管道偏位等施工问题，施工质量存在不确定性。在这一工程背景下，对长距离顶管施工技术的深入研究，是满足工程施工需要的关键，也是长距离顶管技术发展的必由之路。

1 长距离顶管施工技术概述

1.1 概念

长距离顶管本质上属于一类非开挖管道铺设技术，在不破坏现场地面上方构筑物和地表浅层土壤原状结构的前提下，在现场指定位置修建工作井，在井内安装顶管机、液压千斤顶等机具设备，将市政给排水管道经工作井顶入地下，再采取顶进方式，在地下穿行铺设给排水管道，直至完成管道铺设作业[1]。

1.2 技术特点

根据实际施工情况来看，长距离顶管技术有着无需开挖地面、噪声振动小的工艺特点，这也是技术应用价值的主要体现。其中，无需开挖地面特点在于，施工人员无需在市政给排水管道沿线挖设沟渠、铺设管道与回填管沟，仅需在指定位置修建工作井、在地下顶入管道穿行即可，最大程度减小施工活动对地面沿线道路、铁路等基础设施造成的影响，同时，仅需在工作井等区域修建工程现场，这有利于控制工程综合建造成本。噪声振动小特点在于，虽然在给排水管道顶进期间会产生一定的噪音和振动，但得益于地层阻隔，噪音、振动的实际传播范围有限，不会对上方地面基础设施正常使用、周边地下管线与邻近建筑物居民日常生活造成明显影响。

1.3 施工制约因素

在给排水管道长距离顶管期间，施工质量主要受到管体材料、管体位移两方面因素的影响。首先，在管体材料方面，相比于明挖敷管技术，长距离顶管技术对管体材料性能有着严格要求，如果使用不恰当的管材种类，容易在管道顶进期间出现管道破裂、扭曲变形等质量通病。例如，在使用陶土管作为管材时，由于陶土管刚度较大，受到顶推作用力时，大管径陶土管易出现管道碎裂情况。而在使用玻璃钢管时，管道顶进工艺过程较为复杂，且玻璃钢管不具备曲线顶进的施工条件。其次，在管体位移方面，给排水管道在顶进期间受到推动力差、穿过不同类型土层以及顶管合力偏差等多方面因素影响，会产生一定的偏差量，与设计轴线相偏离，严重时还将由此引发管道弯曲、变形破裂和接口渗漏等一系列问题出现。因此，必须在长距离顶管期间采取顶进纠偏措施，跟踪观测管道实际轴线、设计轴线二者偏差量，始终将轴线偏差控制在允许范围内。

2 市政给排水工程中的长距离顶管施工流程及技术要点

2.1 工作井施工

在工作井施工环节，将工作井拆分为刃脚、上部井壁两部分，一般情况下，采取分次混凝土现浇工艺，提前搭设模板并现浇工作井刃脚部位，待强度达到70%设计强度后，再浇筑上部井壁部位混凝土，连续性完成工作井现浇作业，禁止留设施工缝。随后，开展沉井作业，结合工程现场情况，合理选择带水下沉、不排水挖土下沉或是钻吸排土下沉等技术，始终保持工作井在下沉期间的垂直状态。最后，在沉井过程中，清理现场垃圾杂物，打设轻型井点，铺设素混凝土垫层或是砂垫层，先后开展一次沉井作业与二次沉井作业，在沉井间隔期间进行井点降水处理，在下沉完毕后进行封底处理和浇筑底板。

2.2 穿墙

在穿墙环节，提前沿市政给排水管道顶进方向现浇混凝土墙来施作前止水墙，在墙体上指定位置预留孔洞，在孔内安装橡胶止水圈或是法兰加压板等其他洞门止水装置。随后，清理穿墙管内杂物渣土，填入低筋粘土或水泥粘土，对穿墙孔洞外侧土体开展注浆加固作业，避免洞口外侧分布的粘土、软土等土体在拔除封门时出现流塑、塌方问题。最后，开启穿墙门板，向井外推出工具管，即可完成穿墙出洞作业[2]。

2.3 管道顶进

在管道顶进环节，根据工程现场情况来制定顶进施工方案，在方案中明确给排水管道顶进方法、中继段划分、管道纠偏措施、顶管段单元长度等技术内容，将顶进设备、掘进机安装就位，详尽检查后座钢板、注浆泵、基坑导轨、止水装置等设备情况。确定无误后，施工人员把给排水管道放置在基坑导轨上，在管道前侧挖设适当深度的坑道，测量管道轴线和底部标高是否达标，以及做好掘进机出泥准备工作。随后，保持后背固定不动状态，启动油泵以及液压千斤顶，持续向前推动管子，在完成单个行程后，切换至液压千斤顶回油状态，结束首节管子顶进操作。最后，施工人员重复上述步骤，完成剩余管子的顶进作业，要求保持给排水管道顶进过程的连续性，争取一次完成全部管道顶进任务。

2.4 注浆减阻

考虑到市政给排水管道在顶管期间产生一定阻力，对顶管效果造成影响，还有可能出现管道受损、地层沉降等连锁问题。因此，为改善长距离顶管效果，提高顶进效率，需要在顶进过程中同步开展注浆减阻作业，将此项工序拆分为泥浆配合比设计、泥浆制备、注浆管理三道步骤。

首先，在泥浆配合比设计步骤，根据工程情况和现场地质条件，预测在管道顶起期间的阻力形成情况，在其基础上制定触变泥浆配合比方案，明确膨润土与拌合水的质量比，确保所制备泥浆的比重被控制在1.05g/cm3～1.06g/cm3范围内。例如，在市政给排水管道顶进埋管期间穿越砾石层时，需要将膨润土和拌合水质量比设定为1:8。

其次，在泥浆制备步骤，施工人员将搅拌缸准备就位，对拌合水与膨润土进行计量称重，用量误差控制在1%以内，将物料倒入搅拌缸内持续搅拌5min，检测泥浆浓度是否达标。在浓度检测通过后，将泥浆静置1d进行充足的水化反应，即可将触变泥浆投入使用，必要情况下，在注浆前对泥浆进行二次搅拌。

最后，在注浆管理步骤，在现场布设若干数量注浆孔，布置存浆箱和中继加压泵等设备，经由注浆管，在顶管机头部以及尾部注入泥浆，使得泥浆在管道周围固结形成保护套。同时，持续观测注浆减阻情况，实时调节灌浆压力、灌浆量、注浆时间等工艺参数，一般情况下，将各处注浆孔的持续注浆时间控制在3min以内即可。

2.5 管线纠偏

在管线纠偏环节，由施工人员持续观测顶进管道轴线偏差情况、管道高程以及顶管机实时位置，如果偏差量临近最大值，则采取纠偏措施，缓慢将管道复位回零，严格控制管道复位速度与校正角度，禁止猛纠硬调，避免因单次校正角度过大而改变管道顶进方向，或是出现管道接头损坏等质量问题。同时，可采取挖突发、千斤顶法或是顶木法来实现纠偏控制目的。挖土法是在管道两侧进行不同程度的挖掘，在重力作用下使管道复位归零。千斤顶法是在管道侧壁安装千斤顶设备，启动千斤顶来复位管道，重点控制单次校正量，分多次复位管道。顶木法是在管道内壁一侧放置方木，将方木另一端朝向前方地层，凭借方木分力来复位管道。此外，在部分市政给排水工程中，应用到新型的智能控制技术，在顶管机上安装传感器与PLC控制器等装置，由传感器采集管道轴线、管道高程等参数的监测值，PLC控制器自动对比监测值和额定值，根据二者偏离情况来下达控制指令，调整千斤顶进行纠偏控制[3]。

3 市政给排水工程中长距离顶管施工技术的应用策略

3.1 土压平衡控制

在长距离顶管期间，受到土体性质等因素影响，理论与实际层面的控制土压力存在出入，导致实际出土量、地面变形量因此发生改变，不利于顶管工艺过程控制。因此，需要采取土压平衡控制措施，根据工程情况来判断土压控制与顶进速度、土压控制与排出土量间的关系，通过调节管道顶进速度与土壤排放量来维持稳定、理想的顶进控制土压力。一般情况下，顶进速度与土压力保持正比关系，在管道顶进期间的实际土压力低于预期值时，可采取调高顶管机推进速度的方式来上调土压力。

3.2 管节止转控制

根据实际施工情况来看，在给排水管道顶进过程中，受到刀盘以及螺旋机作用力的共同影响，偶尔出现机头旋转问题，在转角超过一定程度时改变管道顶进状态，进而引发管道偏位、管道破裂等质量问题出现。针对于此，施工人员需要提前在机头前方水平部位的两侧区域中加装翼板、焊压铁支架，在支架上放置适当重量的压铁。如此，在管道顶进期间，机头前方两侧翼板将起到维持机头平衡状况、控制偏角角度的作用，而在出现机头旋转问题时，通过调整机头两侧压铁重量，在重力作用下纠偏机头偏转角度，在机头恢复正常状态后，再将两侧压铁重量调整一致。

3.3 沉降监测

在市政给排水管道顶进过程中，会产生一定的地表沉降量，有可能出现地表沉降、土体塌陷等施工问题，并对顶管效果造成明显影响。因此，为把控顶管工艺过程，需要同步开展沉降监测工作，设立地表沉降、拱顶下沉、净空收敛等监测项目，在工程现场以始发井为起始点，沿途布设若干监测点，使用锚钢尺和精密水准仪等设备工具，持续对地表沉降量进行观测，对比监测值与额定值，以此来判断地表沉降对土体结构、铺设管道、基坑支护结构造成的具体影响。以地表沉降项目为例，监测内容包括轴向变形、横向变形两部分，轴向变形是采集管道顶进至10m、20m、30m等各个节点时地面变形量，观察土体是否保持稳定状态，横向变形是采集顶管到达工作面前后时的地表沉降量，判断工作面深入对前方土体结构造成的扰动程度[4]。

3.4 顶管机适用分析与改造

在市政给排水长距离顶管施工中，常用顶管机设备包括手掘式、气压平衡式、泥水式、土压式等类型，不同类型顶管机的适用土质、操作难度与施工危险性存在明显差异，必须根据工程现场情况和顶管施工要求加以选择。例如，当存在土体塌陷隆起风险、具备维持土层水土压力平衡状态条件的前提下，可选择使用土压式顶管机，操纵刀盘切削前往土体并加以搅拌，重点控制排土量以及取土量。在工程现场主要分布淤泥质粘土层时，为预防土体压缩变形问题出现，应配置泥水式顶管机，经由压力泵与工作舱向土体中渗入泥水，起到形成泥膜、提高土体紧密度、维持水土压力平衡状态的作用。

此外，考虑到市政给排水工程现场环境较为复杂，在顶管期间穿越多类型土层，需要提前开展顶管机适用性分析工作，必要情况下对所配置顶管机进行改造处理。例如，在某给排水工程中，最初拟定使用土压式顶管机，根据现场地质勘察报告发现，局部顶进段穿过碎石层，管道轴线周边分布粒径在100mm～300mm不等的鹅卵石，如果直接开展顶管作业，将严重磨损切割机。最终，选择对顶管机刀盘装置进行改造处理，在刀头外圈部位使用优质合金钢材质的耐磨刀具，采取焊接方式取代原有螺栓方式来连接刀头指尖、耐磨工具。

3.5 解决顶管问题

在长距离顶管期间，受到地质条件等因素影响，偶尔出现管道抱死、刀盘被卡等施工问题，阻碍顶管施工作业的正常开展，存在质量隐患，施工企业必须深入了解此类典型施工问题的产生原因，采取正确处理措施。

管道抱死问题表现在顶力持续增加情况下管道固定不动，并在总推力维持较高水准时出现液压油管爆裂以及后背墙开裂现象，问题出现成因包括管道外壁面打蜡不均匀、管道两侧注浆压力偏差、注浆孔阀门启闭顺序与时间错误，导致管道被砂层抱死。针对这一问题，需要采取分级注浆、多次顶管的处理方法，将推动力控制在安全范围内，向全部注浆孔内注入饱满泥浆，形成浆套拉减小摩阻力，启动顶管机向前顶进一小段距离，重复开展注浆、顶进作业，直至管道彻底脱困。

刀盘被卡问题表现为刀盘运转期间被卡住，且经过施工人员重复调试后仍无法正常转动，其产生原因在于顶管机运行初期抬头次数过多，致使土仓下部区域堆积过量素墙混凝土块，因混凝土块未及时排出而卡住刀盘。针对于此，施工人员可采取成槽清渣、旋喷清渣或是定点横喷清渣方法。其中，成槽清渣是在被卡刀盘前方操纵钻机挖设略深于顶管机底部的槽坑，清理槽坑内部，将堆积渣土和混凝土块推入槽坑。旋喷清渣是向被卡刀盘前方高压喷射高稠度泥浆，在冲刷力下带动堆积渣土与混凝土块向外排出，直至清除堵塞物、刀盘恢复正常转动状态。定点横喷清渣是在仓底部位并排设置多条直喷泥浆管，在一端连接潜水泵，经过喷浆管向被卡刀盘喷射高压水流，直至刀盘恢复转动[5]。

4 结语

综上所述，长距离顶管技术在现代市政给排水工程中发挥着愈加重要的作用，施工水准与工程建设质量因此得到明显提升。施工企业理应提高对长距离顶管技术的重视程度，严格把控工艺过程，掌握全部的技术操作要点，落实土压平衡控制、管节止转控制、沉降监测、顶管机改造、解决顶管问题五项策略来解决施工难题，确保市政给排水长距离顶管施工活动具备科学性。