市政给排水工程中的长距离顶管施工技术

郭盛

（太原市政建设集团有限公司， 山西 太原 030000）

顶管技术常被应用于管道工程中， 以无需开挖的方式将管道高效布设到位， 相较管道开挖敷设的方法而言具有施工扰动性小、 对地面保护效果突出的优势， 地面建 （构） 筑物不会由于管道铺设而遭到破坏。

1 长距离顶管施工技术的原理

顶进设备采用土压平衡顶管机， 工作井的油缸提供动力源， 促进顶管机的运行， 将管道顺利向前顶推到位。 顶管期间， 刀盘对现场土体有切割作用，产生的细碎土体被送至土仓和螺旋输送机， 挤压后形成压缩土体， 而后被送出， 在该流程化作业方式下， 施工期间产生的弃渣可被转运至指定场所， 避免随意堆放。 顶管机开挖面的土层特性存在差异，为顺利顶管， 需根据土层特性增添适量清水、 粘土浆或其它有助于改善土壤特性的材料， 促进土质转化为可塑性和流动性均较强的泥状土， 以便做挤压处理， 高效输送泥状土。 顶管施工示意图， 如图1 所示。

图1 顶管施工工艺示意图

2 长距离顶管施工技术的应用优势

2.1 对工程施工的积极影响

市政给排水管道顶管施工作业发生在地下空间中， 对地面的干扰较小， 不会由于现场施工而影响路面交通和路表建筑。 顶管施工全程的噪声较低，环境污染问题得到有效的控制， 满足安全文明、 生态环保的施工要求。

2.2 提高施工效率

长距离顶管施工技术对现场环境的适应能力较强， 无需提前开挖地面。 工程活动发生在地下的工作井内， 即便遇到雨雪等恶劣天气， 施工进度也不会因此而受到过多的影响， 可按照施工计划有条不紊地推进工程建设进程， 在指定期限内保质保量完成给排水管道的铺设作业。

2.3 防护管线设施

随着城市的发展， 地下管线的规格趋于多样化，数量可观， 地下空间内的设施丰富， 给排水管道施工时需兼顾既有管线的稳定性要求。 在应用长距离顶管施工技术后， 根据各类地下设施的布置情况灵活调节作业方式， 例如以曲线的方式穿行， 避开既有管线， 全程不易对地下管线设施造成过多的影响。

2.4 防护周边生态环境

顶管施工未涉及大面积的开挖作业， 因此对地表的影响较小。 管道走向的可控性较佳， 可根据现场施工条件灵活控制， 不易对周边环境造成影响。工程竣工后， 于短时间内恢复周边环境， 避免传统开挖铺设方式存在的重新绿化问题。 可见， 顶管施工对周边环境较为友好。

3 长距离顶管技术施工重点分析

3.1 管道材质及长度的选择

根据管道的用途、 管道特性和施工现场的实际情况， 选用钢管、 钢筋混凝土、 球墨铸铁管等材料[1]。 在城市给水工程顶管施工中， 由于采用了千斤顶所产生的巨大推力， 而且管线中流动着大量的生活污水和城市雨水， 会对管片造成很大的腐蚀，所以选择具有高强度、 耐腐蚀性能的钢筋混凝土管材， 可以在长时间内不渗漏， 从而确保工程的工期和质量。

3.2 顶管机的选型

为了保证建筑施工项目工程的质量和安全， 必须按照设计要求和操作规范合理使用顶管设备。 通常在地下水位超过稳定的情况下， 可以在局部采用敞口顶管设备， 或者选用土压平衡顶管设备； 如果使用在不稳定层的地下顶管施工中， 必须按照地下水位的高低合理选取顶管机， 首选土压平衡顶管或者泥浆水平衡顶管， 同时也要根据具体土层情况而定； 对于含地下水的砂砾岩和碎石， 必须采用泥浆平衡顶管。

3.3 工作坑的施工

在城市给水工程顶管作业中， 工作坑的浇筑形式主要以现场施工为主， 模具形式主要有圆形、 多边形和方形等， 方形的长宽之比首选3∶2， 通常是用在直立顶管或两个切向角度接近180°的折线顶管上。如果遇到工作面夹角过小， 无法使用方形作业环境时， 而且工具坑深度大于可作业距离时， 要根据此情况采用圆形， 并采用沉井方法进行作业。

4 长距离顶管施工技术在市政给排水工程实例中的应用

某市政给排水工程， 管道铺设采用长距离顶管施工技术， 顶管全长 535.5m， 最大单元长度为140m， 管道采用C50Ⅱ级加强离心式预应力钢筋混凝土管， 抗渗等级为S6， 按30m、 40m两种间距修筑检查井， 并配套2 个工作井 （管道顶进） 和3 个接收井 （顶管出洞）， 提供充足的空间用于顶管作业。 顶管施工流程， 如图2 所示。

图2 顶管施工流程图

4.1 顶管准备工作

顶管范围内以淤泥砂或粘土层为主， 由于地质条件的特殊性， 顶管难度较大， 且管道的直径超过800mm， 仅采取人工作业的方法面临顶进困难、 效率低、 效果差的局限性。 因此， 以机械化作业的方式顶管， 根据长距离顶管施工要求适配千斤顶、 起重机、 经纬仪、 全站仪、 水泵等各类设施， 进场时安排检验， 保证设施运行状态稳定可靠、 运行精度较高。

4.2 工作井的修筑

工作井长 7m、 宽 4m， 用 C30 钢筋混凝土设0.4m厚的护壁， 维持井壁的稳定性， 底板为0.5m厚的钢筋混凝土结构[2]。 于工作坑外修筑水泥搅拌桩止水帷幕， 桩径 0.50m， 搭接量 0.15m， 采用P.032.5 普通硅酸盐水泥， 用量 70kg/m， 水灰比0.45 ～0.50。 人工垂直开挖工作井， 每开挖1m随即采取护壁措施， 保证各段井壁的稳定性。 于井底施打木桩， 并采取封闭措施。

4.3 后背墙的设置

后背墙属于支撑结构， 有助于维持千斤顶的稳定性。 后背墙高2.76m， 厚30cm， 以工作井两边内墙加宽的方法施作后成型， 于后背墙上铺设钢板，使后背的受力具有均匀性。 后背墙壁面垂直度允许偏差为0.1%， 与管道顶进方向垂直。

4.4 工作井导轨的安装

导轨引导管节按特定的方向有效顶进， 为保证顶进的准确性， 要求导轨的位置和稳定性均达到要求。 在本工程中， 导轨材料采用双排I20 工字钢和20 槽钢， 经焊接后构成导轨。 提前加工成型， 运至现场后用于安装。 导轨安装时加强监测与控制， 轴线位置偏差需在3mm 以内， 顶面高程也需满足要求。

4.5 千斤顶的配套

1） 联合应用3 台200t的千斤顶， 布设位置与管道中心的垂线对称， 为避免千斤顶产生过大的顶进偏差， 要求合力的作用点与管壁反作用力作用点共处相同的轴线。 着力点以管节垂直直径的1/5 ～1/4 处较为合适； 2） 为千斤顶适配 zB.50 型高压油泵， 各千斤顶的进油管并联， 油管安装时尽可能减少转角， 保证油管顺直。

4.6 顶进作业

4.6.1 正常顶进

顶管前， 全面检查顶管所需的各类设备和材料，开凿护壁的管孔并打设工具管。 顶进期间加强观测，每顶进30cm安排一次测量， 必要时增加测量频率；管道被顶进至土层后， 测量频率为每100cm至少一次[3]。 顶进初期加强现场观测， 要求轴线偏差不超过3mm， 高程偏差不超过0 ～3mm， 某项指标不合理时随即调整。 新开顶时对管路补浆， 并做到边压触变泥浆边顶进。

4.6.2 测量与纠偏

于观测台上布置激光经纬仪， 将仪器的激光束作为管道中心线和顶管导向的基准线。 正常顶进状态下， 顶管机的测量靶中心与激光斑点中线呈重合关系， 产生顶进偏差时， 激光斑点偏离原有位置，操作台的监示器及时呈现测量靶的图像， 告知工作人员激光斑点的偏离情况， 进而根据显示结果控制纠偏千斤顶的伸缩量， 恢复正常顶进状态。 顶进全过程中， 顶管机始终沿激光束方向前行， 现场作业人员及时测量管线的中心方向、 高程和坡度， 根据测量结果动态控制。

1） 沿线路布设四等水准路线， 为获得准确的顶管高程放样结果， 于井口位置埋设临时水准点； 2）根据导线点和水准点测定井的平面位置及深度， 以测量数据为指导， 妥善开挖工作井； 测量始发井与接收井的管道中心线， 投射至地面， 设置标记； 3）根据导线点和方位角重新精密测量二井间的导线，联测二井投点。 条件适宜时， 投点可作为导线点进行使用， 原因在于此时投点的坐标更具准确性。 布设的各导线点均要稳定可靠， 以便后续高效复测；4） 于始发井边缘测放顶进方向的坐标点， 向井下投设方向线， 传递高程， 埋设临时水准标点； 5） 在工作井下建立控制观测台， 适配仪器基座， 调节仪器直至处于中线位置为止， 同时根据仪器的布设情况对其横轴进行调节， 要求调整到中线的高度上。

4.6.3 纠偏措施

顶管机发生偏移时， 测量靶激光点偏移， 根据偏移量计算顶管机的斜率， 再以计算结果为参考调节千斤顶组， 实现对顶管机顶进方向的调节。 为保证纠偏的有效性， 以缓慢、 多次的方式操作， 使管节逐步复位。 激光经纬仪安装在观测台上， 将仪器发出的激光束作为管道中心线和顶管导向的基准线。顶管机运行过程中出现偏差后， 测量激光靶中心无法与光斑中心保持重合， 由于偏差的产生， 随即发出偏离信号， 工作人员经由监示器及时获取监测视频， 判断顶管机的作业偏差， 采取方向纠偏措施。以循序渐进的方式纠偏后， 使工具头沿激光束方向平稳运行， 高效推进顶管作业进程。 工具头顶进初期的偏差必须得到有效控制， 否则将导致整体顶进效果偏离预期。 以开始顶进的5 ～10m尤为关键， 轴线位置、 高程的偏差分别不超过50mm、 30mm， 某项参数超标后随即纠偏。 纠偏禁止强制性进行， 纠偏时根据偏差量灵活调整纠偏的次数， 以循序渐进的方式使管节逐步复位[4]。

工具头前方有纠偏节， 于该处设置纠偏千斤顶，作为顶管机纠偏的关键设施。 顶进期间加强观测，根据实际偏差灵活调整纠偏千斤顶， 优化工具头的作业方向。 考虑到小偏差未及时纠正易导致大范围偏差的情况， 需在工具头的方向偏差达到10mm以上时随即采取纠偏措施， 确保工具头始终沿着合适的路径运行。 管顶出穿墙管时的偏差易对全段的顶管效果造成影响， 有必要加强控制。 管段长度短、工具头重量大， 加之现场土质条件的特殊性， 易在进出洞口时出现 “下偏” 的情况。 为此， 一方面调整千斤顶作用力的合力中心， 另一方面利用工具头自身纠偏， 将顶管方向稳定在合理的范围内。 纠偏作业遵循多次、 少量的基本思路， 每次纠偏的幅度以5mm为宜， 经过纠偏后继续顶进1m， 若在此阶段的顶进过程中顶管机的测量偏位趋势并未得到缓解， 需加大纠偏力度， 采取更具有效性的纠偏措施。纠偏后， 若测量结果显示偏位趋势有减小的变化迹象， 在原纠偏方式的基础上适当减小纠偏力度， 逐步使顶管作业恢复正常状态。

5 长距离顶管的其它施工措施

1） 穿墙顶进、 顶管出洞是顶管全流程中极为关键的阶段， 容易由于控制不当导致顶管偏差超出许可范围。 为保证顶进的有效性， 在接收井四周做深层水泥搅拌处理， 通过水泥浆液的应用实现对穿墙管前方2m内土体的加固， 土体经过加固后更具稳定性， 兼具挡土、 阻水的作用； 2） 利用触变泥浆降低顶管时的阻力， 以便顺利将给排水管道顶进到位。 按照膨润土∶碱∶水 =0.4∶0.02∶1 （质量比） 的方式制备泥浆， 利用LI50 型压浆泵进行压力注浆， 压注的泥浆发生固结， 形成完整、 稳定的泥浆套。 每4 节管设一处注浆孔， 逐孔有序注浆。 压浆遵循 “即压即顶， 少量多次” 的基本原则， 保证压浆的有效性；3） 顶管节接头的形式主要根据管道类型而定， 以混凝土管为例， 适配F型橡胶密封圈柔性接口是可行的方式， 为保证接口部位具有严密性， 配套合适规格的氯丁橡胶楔形胶圈， 接头内设置止水钢环， 避免任何渗漏水现象[5]。

6 结语

综上所述， 为减小市政给排水管道施工对周边环境的影响， 工程常采用长距离顶管施工技术， 但施工中难免遇到技术难点， 需要结合现场实际状况对施工技术做灵活的优化， 为顶管作业创设良好的条件。 例如， 顶进前做好现场准备工作、 顶进期间采取监测和纠偏措施、 加强管节间的密封处理， 在工程人员的共同配合下， 以科学的方法顺利将市政给排水管道顶进到位， 使建成的给排水管道能够满足城市的给水、 排水要求。