非开挖顶管施工技术在市政排水工程中的应用

蔡振飞

（厦门鹭通勤水务工程有限公司，福建 厦门 361026）

1 项目背景

某市政污水管工程，污水管设计管径为500～800 mm，总长约为1 101 m，管道坡度i=0.002～0.005，管道埋深3.3～15.3 m，污水管道中心线距道路中心线26～54 m。为兼顾管道施工有效性和减小施工干扰的2项要求，采用泥水平衡顶管掘进机，以非开挖顶管的方式施工管道。

2 非开挖顶管施工技术

2.1 引入测量轴线及水准点

将地面的临时水准点引入井底，作为临时水准点，用于顶管高程测量，此时必须确保引测的点位于井底不易碰触的部位；将管道中心桩引入工作井侧壁，作为测量基线，以便施工中准确测量顶管中心。

2.2 顶管机后靠背及洞口施工

按宽度4 048 mm、高度3 500 mm、厚度1 200 mm的尺寸要求施工后背墙，在另一个方向顶进时，凿除洞口位置的护壁及后靠背。向设置到位的雨水管上顶入千斤顶，取柔性垫片设置在千斤顶与管节间，达到防止混凝土管顶裂的效果。

以测量控制的方式精准定位洞门，按要求预留洞门，适时采取封堵止水措施，以防水侵害。针对局部地层渗透力较差的部位，顶管机进、出洞口无须止水装置，或是地下水位在底板以下时也无须设置该装置。

工具管外壁与洞门间存在缝隙，洞口处的水可能经由该处涌入工作井，导致井内受到水的侵扰。为避免该问题，在工作井内洞口部位设置橡胶止水圈，此装置的设置也可起到防止减摩泥浆流失的作用。在工作井及接收井集水坑内布设排污泵，及时进行排污。

2.3 千斤顶和顶铁的安装

掘进顶管采用到千斤顶，根据本工程的最大管段施工要求进行配置，采用的是2台200 t液压千斤顶联合作业的方案，2台设备于工作坑内并列布置。

对于顶铁的安装，主要注意如下几点：（1）顶铁不可扭曲、歪斜，以直顺的状态为宜；（2）工程顶管施工中，每次退千斤顶时需加放最长的顶铁，在满足作业要求的同时尽可能减少顶铁的数量；（3）顶进期间，禁止人员站立在顶铁上面和侧面，同时加强观察，针对扭曲或其他异常状况及时采取处理措施。

2.4 顶管机始发

待各类顶进设备安装到位后，进入试顶环节。先检测设备的水平位置和垂直标高，若无误则顶进工具头，将管节布置到位，经测定标高无误后，开始试顶，若在此期间的顶力及各项参数均满足要求，进入正常顶进环节。具体操作要点为：（1）顶铁安装到位，启动油泵，千斤顶进油，活塞伸出一个工作行程，推送管节。（2）油泵停止运动，千斤顶回油，活塞回缩。（3）增添顶铁，按前述方法继续操作，将下一节管安装到位。（4）卸下顶铁，连接混凝土管，保证管道连接的紧密性。

2.5 顶管期间关键工序的作业要点

2.5.1 测量

于观测台上布置激光经纬仪，此仪器发出的激光束作为顶管导向的基准线。顶管机头存在偏差时，激光斑点不再与靶中心重合，操作室的监视器可获得测量靶图像，根据实际偏差量控制纠偏千斤顶的伸缩量，进而达到纠偏的效果。顶管全程需加强监测与控制，要求管线的中线方向、高程和坡度均合理，具体测量要点如下：

1）沿线路布设四等水准路线；为满足顶管高程放样要求，于井口处埋设临时水准点。

2）根据预先设定好的导线点和水准点，测定井的平面位置和深度，根据掌握的参数安排开挖作业；结合设计要求，准确确定始发井与接收井的管道中心点，再投射至地面，设置醒目的标记。

3）重新测定二井间的导线，并联测二井投点，尽可能将投点作为导线点，以便获得更加精准的投点坐标。对于设定的各导线点，均要对应有稳定可靠的标志，在此前提下有利于后续施工中进行复测。于始发井边缘测放顶进方向的坐标点，向井下投设方向线，将临时水准标点埋设到位。

4）为满足顶管期间的观测要求，于工作井下建立观测台，并配套仪器基座和带有方向调节功能的装置，根据仪器的实际布设情况对其位置做灵活的调整（合理状态是仪器调至中线处）。

2.5.2 顶进纠偏

顶管机运行期间可能产生偏差，按照“缓慢、多次”的基本原则进行纠偏，以循序渐进的方式使管节复位，全过程中禁止出现任何强制性纠偏行为。顶管施工时，正常状态下激光光斑中心与测量靶中心重合，若掘进机头产生偏差，两者无法重合，此时将产生偏差的视频信息传送给监视器，在确定具体的偏差后，随即采取纠偏措施，将顶进方向调节至合理的状态，在动态纠偏的方式下，使工具头始终沿激光束方向前进。

顶进初期的偏差检测与纠正尤为关键，以工具头顶进的5～10 m为例，此部分的基本要求是轴线位置、高程的最大偏差分别不超过50 mm、30 mm，否则需及时安排纠正。工具头前方有纠偏节，其中含有纠偏千斤顶，若顶进过程中产生偏差，则借助纠偏千斤顶纠正。通过对纠偏千斤顶的调控，可改变工具头的方向，进而使顶进方向恢复至正常状态。为了避免因偏差积累过大而导致纠偏困难，需要做到及时发现、及时纠正，例如，工具头的方向偏差在10 mm以上时，有必要安排纠偏。

2.5.3 两节管接口的处理

顶管的管材采用A形结口，顶管后相邻管道间存在缝隙，为避免使用时发生渗漏，用膨胀水泥砂浆填抹。按照膨胀水泥∶砂∶水=1∶1∶0.3（质量比）取用材料，做充分搅拌，得到均匀性较好的砂浆，在拌和后的0.5 h内使用完毕，全程均做到随拌随用。填抹前，先湿润接口，再分层有序填入，每完成一层的填充后抹平。加强对含水量的控制，营造潮湿的环境，使填入的膨胀水泥砂浆有效成型。

2.6 管道压浆

2.6.1 注浆减磨

顶管时顶力的存在将加大顶管作业难度，减小顶力是顺利顶进的关键前提。在此方面，注浆减摩属于重要的措施，施工中尽可能多点对称压注泥浆，以保证管节外壁和周围土体的空隙均得到有效的填充处理，进而降低管节外壁和土体间的摩阻力，更为顺畅地顶进管道。触变泥浆是应用效果较好的一类减摩泥浆，具体体现在其触变性和稠度适宜、性能稳定等层面。

1）取样分析，要求造浆率、动塑比、失水量各项性能指标均达到要求。

2）于管处预埋压浆孔，以便浆套的有效形成。

3）提前组织试验，确定适宜的浆液制备方法，然后严格依据该方法施工，保证膨润土的贮藏、搅拌、膨胀时间等方面均达到要求。

4）在确保浆液质量达标的前提下，以同步注浆的方法进行压浆，期间根据实际注浆情况适当补浆。顶进时，加强对各推进段浆液形成情况的检查，例如，管路需要保持严密，注浆设备的运行需维持稳定。于注浆孔布设单向阀，防止管外的土进入其中，以免由于注浆孔遭堵塞而导致实际注浆效果较差。

2.6.2 管道背后注浆

管道顶进到位及检查井施作成型后，安排污水管道压浆作业，此举的目的在于依托浆液固结作用防止由于顶管而导致的地面沉降问题。实际操作中，采用高压注浆机在管外壁周边注入水泥浆。

2.6.3 回填灌浆孔的布置

分别在各管节1/2的横断面预留4个孔径为30 mm的灌浆孔，按照“顶、底端分别为4号孔、1号孔，两侧为2号、3号孔”的方法对钻好的孔进行编号。为保证灌浆孔能够有效满足灌浆作业要求，顶管管材定制阶段就要加强与厂家的沟通，严格依据要求预留灌浆孔。具体孔位布置情况如图1所示。

图1 管道注浆孔断面（单位：mm）

2.6.4 回填灌浆材料的取用

灌浆选用的是防腐水泥砂浆，水灰比为1∶1，水泥采用42.5普通硅酸盐水泥，为改善浆液的性能，按一定的比例掺入适量化学外加剂。需强调的是，采用的外加剂不可对钢筋混凝土造成侵蚀作用。

2.6.5 回填灌浆施工

1）灌浆压力取200 kPa，初期小压力灌浆，随着施工进程的推进，逐步加大灌浆压力，直至达到设计终压为止[2-3]。

2）灌浆按照先下游孔、再上游孔的顺序依次进行，采用的是充填压入式灌浆的方法。根据现场施工量，将灌浆孔划分为3个灌浆次序，按照流程有序将灌浆工作落实到位，全程均不可任意更改顺序，否则将影响灌浆的有效性。具体的灌浆次序划分方式及各自的灌浆顺序如下：

第一次序：从下游开始灌浆，按照先单数断面、再双数断面的顺序依次将各自的1号孔灌浆工作落实到位。

第二次序：按照先单数断面、再双数断面的顺序依次将各自的2号、3号孔灌浆工作落实到位。

第三次序：按照先单数断面、再双数断面的顺序依次将各自的4号孔灌浆工作落实到位。

3）实际灌浆压力达到设计值并且吸浆量＜0.12 L/min时，在该状态下继续做30 min的灌浆处理，然后终止灌浆。

4）灌浆完成后，及时用配套的木塞塞紧，防止灌注的浆液向外流出；待灌注的水泥砂浆终凝后，将设置的木塞取出，用M10水泥砂浆对表面进行处理，使该部位具有平整性与严密性。

2.7 顶管机接收

顶管机刀头距接收井5 m时，定位导轨并采取固定措施，以便导轨的正常使用。接收井砖墙封门破坏后，尽快抓住时机安排掘进机连续顶进管节，以此高效顶进，尽可能缩短出洞时间。为减小水土流失量，掘进机进洞后随即分离机头和管节，按要求处理管节和接收井的接头。机头进洞时，用拉杆连接机头与后方的节管，按1 m的间距布置两处手拉葫芦以便有效拉紧，通过此类附属装置的应用来维持机头姿态的合理性，使其沿着导轨方向有序向前顶进。机头吊运后，尽快封堵洞口四周。

3 结语

通过非开挖顶管施工技术的应用，市政排水工程施工效率大幅提高，由于无须开挖，对现场环境的破坏性较小，同时顶管期间的噪声及各类扰动均得到有效的控制，在顺利施工的同时可有效减小对周边环境的干扰，兼顾工程建设和城市正常运作的要求，市政排水工程自身的质量也较佳，是一项优质的施工技术。经过本文的分析，加深了对非开挖顶管施工技术的认识，明确其技术应用优势和在市政排水工程中的关键作业要点，希望所提内容对类似工程有参考价值。