市政给排水施工中的非开挖顶管施工技术

2023-03-17卢波波

智能建筑与工程机械 2023年11期

卢波波

摘要：结合中交四公局沣泾大道南段下穿西余铁路顶管工程，对非开挖顶管施工技术的应用要点进行详细分析，主要包括顶管施工设备选择与安装、工作平台及防护、下管、管道顶进、顶管的测量与纠偏、压浆、出坑、管段连接、顶进后管道注浆施工、接口处理及闭水试验等方面。施工单位在实际施工作业中，要加强对这些环节的技术要点的了解，以提高市政给排水施工质量。

关键词：市政工程；给排水；施工；非开挖顶管

中图分类号：TU992 文献标识码：A 文章编号：2096-6903（2023）11-0004-03

0 引言

随着给排水工程的建设规模逐渐增大，其建设难度不断提高。传统的施工模式需要对地面实行大规模的挖掘施工，这不仅影响了当地的交通，也会给周边环境造成较大的破坏。而使用非开挖顶管施工技术，则可解决以上问题，让给排水施工更加高效、顺利、安全地开展。

1 工程概况

沣泾大道位于西咸新区沣东新城，为西咸新区“五纵、五横”骨架路网，其中沣泾大道南段属于五纵之一。本项目为城市I级主干道标准，为区域内南北向交通主干道，采用四幅路型式。主行车道双向10车道，设计车速60 km/h。辅道双向4车道，设计车速40 km/h。在K3+400处与西余铁路相交，设置一处铁路箱涵和两侧雨污水、燃气管道下穿铁路。

2 顶管施工要点

2.1 顶管施工设备选择

该工程使用泥水平衡顶管机进行顶进施工。泥水平衡顶管机具有独特的特点，通过安设隔板和泥水压力仓来确保开挖面的稳定，并将切削的土砂通过泥水的状态顺利送离地下。其包括顶管机、泥水输送、泥水处理和顶进管理4个关键部分。这些部分紧密配合，一同完成顶进施工任务。

顶管机是整个系统的核心，其在正式作业前，将刀盘和壳体外圈连接，并让泥水仓保持密闭状态。这样可以减轻泥水的泄露，确保施工安全。施工过程中，使用泥水旁路进行大循环，有利于减小泥水压力的变动对开挖面造成的影响。一旦泥水仓中的压力处于稳定状态，就可以开启中心轴动力泵站，驱动中心轴和刀架往前运动。刀盘通过刀盘驱动电机转动，以对土体进行切削。为了保证施工安全，在施工现场最前端顶进管道还特别加装了人工格栅，防止大块的土石通过管道进入顶进机，确保施工过程的稳定性和安全性[1]。

根据《给水排水工程顶管技术规程》的规定，在选择顶进动力设备时，考虑到该工程管道直径最大为2.4 m，选取了额定功率为5 000 kN（500 t）的泥水平衡式顶管机作为顶进动力装置，以满足项目对动力的需求，确保施工作业的正常开展。

2.2 顶管设备的安装

2.2.1 导轨安装

导轨必须保持平直、平行和等高，并且和管道设计坡度保持一致，以确保顶进管节能够平稳地沿着导轨进行推进，避免发生偏斜或者卡阻现象。安装后的导轨必须牢固，不能存在任何位移。为了确保导轨稳定性与安全性，需要定期检查与校核。通过检查校核，可以及时发现并修复导轨上的问题，确保其满足设计要求。

2.2.2 后背安装

后背采用装配式设计，由钢筋混凝土分配梁和钢板组成。在安装过程中，钢板必须紧密贴合分配梁，并进行牢固的固定，以确保后背的稳定性和可靠性。此外，后背的安装方向应该垂直于导轨的方向，以便与顶进作业相适应[2]。

2.2.3 顶进装置安装

主顶装置是顶进过程中不可或缺的设备。在安装主顶装置之前，必须仔细检查其尺寸和结构，确保符合要求。在安装过程中，需要平稳、缓慢地进行操作，避免产生冲击和碰撞，以确保安全可靠的顶进作业。安装结束后，还需要对导轨和主顶装置实行测量。机头和导轨之间的接触面应当保持平稳與吻合，以确保顶进管节能够顺利地沿着导轨进行推进，减少摩擦和阻力。

2.2.4 安置土方运输设备

使用泥水平衡机顶管进机，采取水力机械法，使用吸泥泵把泥浆吸出，经过和管路连接的排泥旁通设备送至泥浆沉淀池。这种运输方式可以实现土方运输的平衡，避免对地下工程产生过多的泥浆排放，并减少对环境的影响。

2.2.5 顶铁安装

在进行顶铁安装过程中，轴线必须和管道轴线平行，以确保顶铁和管道之间的位置相匹配。在顶进施工进行时，工作人员不可停留于顶铁上端以及侧部，并要时刻观察顶铁是否存在异常情况，确保顶进施工的安全进行。

2.3 工作平台及防护

工作平台搭建于工作坑的顶部，使用I22#工字钢作为临时支撑结构，上方铺垫厚度为5 cm的木板，中央部位预留出3 m×3 m的下管与出土平台口。在平台口0.5 m以外，安设一圈防护栏，护栏材料为直径为40 mm的钢管，立杆高度则设为1.4 m，下方和平台之间进行稳固连接。水平杆分为两层进行设置，下层水平杆和平台顶部间隔0.2 m。上下层间隔距离为1 m，将立杆和水平杆之间使用扣件进行连接。

对工作坑安设3层楼梯，楼梯材料为钢材，每一层高度为3 m。楼梯有设计扶手，踏步间隔距离为30 cm。在楼梯的入口位置设置防护栏，护栏的安装方式和工作平台一致。需要在入口位置张贴安全标志，在楼梯的底端修建平台，将平台和混凝土墙进行锚固连接，平台下方设置斜撑支护。

在顶管架子顶部搭建防雨棚，工作井周边需要修建高度为30 cm的高层挡水墙，并在墙体外侧修建排水沟，避免雨水流至工作井中。

2.4 下管

按照具体情况与管材直径，使用25 t起重机进行下管施工。在实行吊装施工时，需安排专人加以指挥，并统一发布指令。需确保起吊能力符合顶管工具管与顶进装置的拆卸安装、吊钢管与顶铁的安装拆卸、其他材料的垂直运输。在正式进行施工作业之前，必须要先实行试吊，距离地面大约10cm的位置核查重物捆绑状况与起重机的稳定状态，核实确定其安全可靠之后，才能正式吊装。

2.5 管道顶进

2.5.1 出坑

在洞口外侧设置水位观测孔，基于此孔判断降水有否满足规定标准。保证洞口外没有泥浆流进，检查洞口止水圈与机头外壳的环形间隙，保证其均匀、密封。只有当降水效果达到要求，洞外地表不存在明显沉陷时，才能将封门予以拆卸下来，准备出洞。在拆除封门后，需要立刻清理洞外的金属物质、硬块等杂物，以确保在管道顶进过程中不会受到任何阻碍。在清除完杂物后，还需要把机头随机放入土层内，以防止出现土体松动塌落的情况，保证操作安全[3]。

2.5.2 顶进

在将掘进机启动前，需要确保全部按钮开关都处于断开状态。合上电源开关指示灯点亮，连接监视系统。调节测斜仪归零，开启送泥泵与排泥泵。开启液压设备，将泥浆放入掘进机之中，调节泥浆压力处于稳定值。最后开启刀盘，并根据屏幕中的土压表数据将其调节至标准压力范围。在掘进机运作期间，应当经常加以调整，以保证顶进工作稳定性。操作人员可以根据屏幕中的输出数据来加以调整。

在顶进过程中，主千斤顶起着关键作用。应当依照以下5个步骤实行主千斤顶的顶进工作：①将“千斤顶选择”移至“主千斤顶”，确保绿灯亮起。②按下“速度仪调零”按键，然后按下“千斤顶控制”的顶出开关，使绿灯亮起，运行主千斤顶。通过旋转旋钮式调速阀，控制千斤顶的速度。③在主顶千斤顶伸到预设的行程值之时，千斤顶自动停止，“顶出”开关动力组处于卸载状态持续运行。④在回缩时，按下“回缩”按键，红灯亮起，主千斤顶开始回缩。⑤当主千斤顶位于回缩终点时，关闭开关，让主千斤顶停止运动。在紧急状况下，可以摁下“紧急制动”开关，切断全部电路。

在管道顶进操作全部结束后，需要采取停机操作。具体步骤包括：①停止主千斤顶的运行，将“切土口”“机内旁通阀”“泥浆截止阀”“机内液压动力机组”一起关闭，再关闭“送泥阀”“排泥阀”和“旁通阀”3个指示灯。②按下“送泥泵”的“停止”按键，将“泄放阀”移至开启位置。③关闭“工作回路”，关闭屏幕及主电源。

2.6 顶管的测量与纠偏

2.6.1 测量

顶管前需要对井中的测控基准点实行再次检查。一旦发生井位移、沉降或变形，必须及时重新核对基准点的位置，以确保测量的准确性。

测量管道的水平轴线和高程时，具体的要求有如下3点：①在顶进期间，每顶入1 000 mm都需要对其实行测量。若顶进工作井进入土层时，每顶进300 mm都需要对其进行测量。在接近接收工作井前的30 m范围内，应增加测量的频率，每顶进300 mm都需要对其进行测量。②完成整个顶管段后，还需要在每一管节接口位置实行水平轴线与高程的测量，并在存在错口的情况下测得相对高度差。如果纠偏量比较大或需要频繁进行纠偏，则需要提高测量频率。所有测量记录都应该完整清晰，以备后续参考。③针对距离比较长的顶管，建议使用基于计算机的导线法加以测量，以提高测量的准确性和效率。在管道中设置中间测站之时，适合使用长导线法，并对中间测站加以复核，以确保测量可靠性。

2.6.2 纠偏

在顶进环节，需要随时了解顶进的方向与趋势，以便及时调整施工策略并纠正偏差，确保施工的顺利进行。及时进行纠偏操作，并使用小角度的纠偏方式，确保开挖面土体的稳定。如果使用挖土纠偏法，超挖量必须要满足地层变形控制与施工设计的标准，以避免可能出现的不稳定情况。测量、技术和安全人员必须要及时掌握顶进数据，每个作业班或列车经过后，都应对营业线和地表实行检测。一旦发现问题，需立刻记录，确保修正的及时、有效。

2.7 压浆

压浆是一种在土壤或岩石地层中进行的注浆施工技术，通过注入特制的泥浆材料来填充管道周围的空隙。这项技术主要用于减少地层损失、控制地面沉降以及降低顶进阻力，从而有效保护地下工程的安全和稳定。在实行顶管时，压浆是十分关键的一步。顶管机头与尾端的压浆必须要与管道顶进一同开展，从而使得泥浆能够及时注入到管道周围空隙中。在适当的位置进行跟踪补浆，有利于及时补充泥浆的损失量，保持施工的连续性和稳定性。

压浆环节有以下6个注意事项：①安装完压浆设备后，应当开展水压试验，以检验设备的密封性和性能，以确保在实际施工中可以准确地注入泥浆。②压浆量是按照管道外周环形间隙的1.5～2倍来确定的。压注压力则是按照埋设深度与土壤的重度来确定，以保证足够的注浆效果与施工安全。③在浆液配置方面，机头和尾端压浆材料应当具有高黏滞度、低失水率和良好的稳定性能，而补充泥浆损失的补浆材料则需要具有较小的粘滞度和较大的流动性，以有效地弥补泥浆的损失。④为了实现多点压浆，每一注浆断面通常设4处压浆孔，而且邻近断面压浆孔位置设为平行状态，以保证注浆足够均匀、完整。⑤在每次顶进过程中，先对第一个注浆断面进行足量的压注，确保注浆达到预期效果。后续其他断面则按照顺序进行跟踪补浆，以保证整个施工过程的连续性和稳定性。⑥顶进完毕需要转换泥浆套的浆液，通常采用水泥砂浆掺入适量的粉煤灰，以提高浆液的稠度。转换后的泥浆相对密度一般在1.03～1.1，黏度为17～20 Pa·s，含砂率要求低于2%，以确保注浆材料的均匀性和稳定性。在压浆结束之后，所有使用的设备都必须做到充分清洗，从而确保设备的长期使用性能和安全性，为下一次的施工打好基础。

2.8 出坑

在接收坑內部应安置好枕垫和滚筒，以确保管道的顺利出坑。当机头接近接收坑的外侧时，需要拆除封门，以便顺利将管节移到接收坑内。在将管节顶入接收坑后，需要留出的管节长度小于管长的1/3，以避免敲拆管，并为接口施工提供方便。要特别注意防止管节接头橡圈松动，以确保管道的密封性能。

2.9 管段连接

在进行管段连接前，务必再次仔细检查管节的外观和尺寸。如果发现管端存在破损、面不平整或者尺寸误差较大的情况，则不能下井进行连接作业。在安装O型橡胶止水圈之前，要先涂抹聚氨酯涂膜橡胶，以增强密封效果。安装衬板后，将管节平稳地卸入井底轨道上，并安装环型顶铁，以增强管道的承重能力。

2.10 顶进后管道注浆施工

在完成顶进作业后，需要对涵外1 m范围内的设计区域进行注浆加固。利用管道预留的孔进行涵内注浆，并对注浆孔进行封堵。在进行注浆施工时，应遵循一个原则，即注浆压力以水泥浆液能顺利注入为准。尽量采用较小的注浆压力（控制在0.5～2 MPa），以确保注浆施工的安全性和效果。

2.11 接口处理及闭水试验

在进行接口处理时，必须严格按照设计方案的要求进行操作，并选用具有合格证和检验报告的材料。接口处理完成后，需要进行闭水试验。只有在经过闭水试验并合格后，才能进行工作井的回填工作，以确保施工质量的合格和工程的顺利进行。

3 结束语

将非开挖顶管施工技术运用于市政给排水工程中，应当基于当地的地质、地理、地形条件，选取合适的管材与工艺技术。为了能够有效提高施工质量，需要作业人员严格遵照设计要求，对施工各个阶段的细节和质量进行严格把控，并制定实施科学有效的检测和质量管控方案，以达到工程建设的具体要求。

参考文献

[1] 王智.市政给排水工程非开挖顶管施工技术分析[J].科学技术创新，2022（27）：110-113.