市政给排水施工中长距离顶管施工技术的应用与分析

郑泊轩

深圳市市政设计研究院有限公司 广东 深圳 518048

长距离顶管施工是目前给排水工程施工中比较普遍的一种先进的施工技术，这种施工技术手段在工程实践中具有很强的优越性，不仅可以提高施工效率，还能产生较高的经济与社会效益。随着城市基建工程范围不断扩大，顶进距离不断延长，面临着更加复杂的地质条件，施工的难度越来越大，必须要做好工艺技术手段的精细化管理，进一步提升施工专业水平，从而确保工程施工质量。

1 影响长距离顶管施工技术应用的主要因素

1.1 地质调查与勘探

地质勘探决定了顶管施工可行性，在地质条件良好的前提下可以采用长距离顶管施工。对于顶管区域地质条件的初勘、详勘，需结合场地的复杂情况、周边地形地势开展。探明顶管区沿线的地形、地貌、地质、地下水位以及地下管线等勘探资料。只有在地质条件符合要求时，方可采用长距离顶管施工。但是，地质勘探无法覆盖到每一个角落，顶管区域是有可能存在未探测到的孤岩或其他零星分布的物体的，从过往的工程建设经验来看，长距离顶管的路线遇到这些孤立物体是一个极小概率的事件，但这也是长距离顶管施工的一个风险所在。

1.2 管体材质与选型

目前主要的顶管管材主要包括钢筋混凝土管、钢管、玻璃钢管、铸铁管以及陶土管，在市政给排水工程施工中比较常使用的管道管材类型以前两种为主。在长距离顶管施工中，管体材料的选择适合与否直接影响着工程整体的施工质量，一定要结合工程实际情况选择适合的管材，这样才能保障施工质量。顶进管材优缺点如表1所示。

表1 顶进管材优缺点

1.3 顶管推力

市政给排水管道施工中顶管的推力对施工效果有重要影响，可以针对不同工况设定不同的顶管设备推力值。在实际施工中使用不同管材管道的推力值大小也具有很大差异，常规条件下，混凝土管道的抗压为50MPa左右，玻璃纤维管的抗压强度在90-200MPa，钢管的抗压强度在320MPa上下。基于此可确定钢管的抗压强度最高，在施工过程中能够承受更大的顶管强度，同时因为其本身质量较轻，顶进阻力较小，因此在顶进过程中需要的推力也会相应减少，这也是这种管材常应用于长距离管道施工的主要原因之一[1]。

1.4 管道的偏移

在给排水管道顶管施工过程中，一般都会产生难以避免的偏差，在顶管施工过程中对管道的偏移进行及时的纠偏，把顶管的偏差控制在一个允许值范围内，是保证顶管质量的关键。长距离顶管施工中管道偏移有很多种可能，地勘不详、施工放线不精确、推力设定过高过低等都有可能导致管道偏移。偏移现象的发生会加大顶管施工难度，同时还为给排水管道工程施工埋下了安全隐患，对后续的施工以及维护等均具有不良影响。

1.5 工作井作业

长距离顶管施工技术在工程应用中一般需要一个工作井及一个接收井，由于顶推管道往往埋深较深，通常把工作井和接受井坑设计为圆井或矩形井的形式。在工程实际应用中，往往长距离顶管并非一条直线，在这种情况下就需要在转角点合理设置中继井，中继井既可以作为工作井，也可以作为接收井。合理设计顶管工作井的位置，确定最优的顶管路线，能很大程度降低施工难度，保证施工质量。另外，在长距离顶管工作井施工的过程中，如果工作井是大开挖施工，工作井基坑周围需要根据地质情况、井深设置强度足够的支护措施，如果是用沉井法施工，沉井的井身应具备足够的结构强度，在地下水位较高的地区，顶管工作井施工设置降排水措施以及井体的防水措施也是必要的。此外工作井的设计也需要结合顶管的管材和机具统筹考虑，工作井必须保证足够的作业空间，例如采用混凝土顶管，由于市面上的混凝土顶管大多为2.5米/节，工作井可以设计得小一些，如果采用铸铁顶管，市面上的铸铁顶管多为6米/节，则工作井就要设计得更大，工作井的设计不仅关乎顶管工艺的具体实施，也关乎项目的整体投资，需要审慎设计。

2 长距离顶管施工技术在市政给排水施工中的应用研究

市政给排水管道长距离顶管技术在施工前期，施工班组在预先构筑的顶管工作井或工作坑中操作掘进设备，顶管设备一边掘进一边出土，掘进产生的泥浆和土通过管道输送至地面的处理设施，经过处理后再由车辆运走。长距离顶管施工的管道长度定位一般以200m为界，超过200m的管道工程施工即可认定为长距离管道施工，相较于传统的管道开挖施工工艺，在施工过程中对原有道路不会造成破坏，仅需开挖建设顶管所需的工作井、接收井，占用的施工场地面积较小，对交通通行带来的影响较小，同时对地面活动也不会形成干扰，降低了施工过程中的噪音影响，具有多方面优势，与当前提倡的绿色施工理念相符合，有很高的推广价值[2]。

2.1 顶进施工土压平衡控制

在机械顶管过程中顶进控制土压力原始值为0.1-0.15MPa，初始顶进距离为20-30m。为保证工程按照施工计划顺利推进，需要在施工之前做好顶力计算，根据结果选用适当的顶进设备以提高施工效率，减少顶进偏差。顶力计算公式为：

其中P为管道的总顶力；f为顶进时管道表面与周围土层之间的摩擦系数；ω为管道单位长度的自重；L为管道计算的顶进长度；PF为顶进时首节管道的迎面阻力；θ为弧形基础支角；Dav为首节管道切土的刃角的平均直径；t为用于切土的刃角厚度；F型管为承口钢管厚度；R为挤压阻力。

土压平衡的控制与管理基于计算的顶力值需采用不同的管控措施，管理中需要考虑的关系只有两种，一种是土压的控制与顶进速度的关系，如果螺旋输送机排出的土壤量是恒定的，那么顶进速度与土压成正比。另一种为土压力的控制与螺旋机排出的土量关系，在推进速度为恒定的条件下，初始顶进时，要重复测试，当排出的土壤量达到土壤质量的95%以上，被认为是正常的[3]。

2.2 顶管工程注浆减摩控制

顶管工程注浆作业关系着工程整体施工质量，只有控制好注浆作业质量，才能为顶管施工的后续工作顺利展开提供保障，结合以往的给排水工程施工经验总结一般实际的施工配比为膨润土：土=1:10（质量比）；砾石层中触变泥浆的混合比为膨润土：水=1:8（质量比）；触变泥浆比重为1.05-1.06g/㎝³。

在实际施工中，施工人员需要对触变泥浆制作过程进行全面掌握，首先，需要按照施工技术的操作流程向混合罐中加入适量材料，并按照一定顺序加入膨润土，前期工作完后才可以加水。其次，在搅拌的过程中要控制好时间，以保障混合材料搅拌均匀，为满足施工要求的浆料需求，当前搅拌作业时间一般用继电器控制，达到时间后立即停止搅拌。最后，在搅拌完成后，需要根据浆液混合情况进行静置，为膨胀剂吸水提供足够时间。

在注浆操作管理中，首先需要确定注浆的安装位置和间距，每段管道至少设置三个注浆孔，两个断面之间间隔在7m左右。其次，要控制好注浆时间和压力，每个孔道的灌浆时间都需要控制在3分钟以内，同时还要保证灌浆压力的均衡性与泥浆的连续性，在具体操作中可通过三活塞式灌浆泵减少脉冲。最后，在注浆之前还要完成泥浆正循环清孔处理，原理图见图1。

图1 正循环二次清孔原理示意图

2.3 顶管工程测量控制管理

为确保测量数据的精准性，在顶管顶进过程中要做好测量，需要使用的测量系统为激光经纬仪、水准仪以及全站仪等。在顶进前端管道推力轴方向安装激光经纬仪，由于顶进机不断向前推进，激光束在顶头和管接头移动时可以稳定地跟踪和测量目标。基于此可以纠正顶管存在的误差，如果超过设定的允许值，可立刻进行纠正，借助激光束的强聚焦力，在测量中能够将三个导体点引入每个工作井，以此来进行导轨安装、顶管机顶进、高程走线测量工作。通过顶管工程测量控制管理，能够更加全面地掌握管道推进过程中的具体情况，基本上能够避免出现安全问题，可优化长距离顶管施工方式，提高管道附近土体稳定性，使长距离顶管施工技术保持在良好的工作状态，保证工程质量满足使用要求[4]。

2.4 接口处理技术

长距离管道顶进施工技术中的管道长度在200m以上，结合工程具体施工要求需要选择不同的接口办法，以便于对管道进行加固，接口处理在施工管理中是一项非常重要的工作，在安装之前需要清除管道表面的杂物、尘土，以防止划破接口位置的橡胶密封圈。在砼垫层上弹出管道中心线，对接之前用润滑剂对承接口进行涂刷，同时保证插口端与承口端保持平行，圆周间隙大致相等，然后将橡胶圈嵌入凹槽中，注水检查连接是否紧密，是否存在漏水和渗水现象。

2.5 水平螺旋钻进技术

为了使市政给排水施工作业能够达到预期施工效果，在设计施工展开过程中，施工人员一定要加大对水平螺旋钻进技术的关注程度，这种特殊的施工技术在实际操作的过程中可以减弱地表波动程度，减少对土层的破坏程度，同时还能够避免管道发生位移，使施工过程具有质量保证。基于水平螺旋钻进技术展开市政给排水工程施工，施工人员应充分考虑管道口径大小，因为该技术手段主要是由小口径的给排水管道注入，另外在管道安装完成后，还需采用中线法进行方位校正，以便于保持管道在设计施工的布设位置，这样才能更好地发挥其功能效用[5]。

2.6 顶管深基坑的监测

为保证顶管施工技术施工质量，在施工的全过程中监测人员都需要对实际工程进行动态跟进，通过最大范围内地掌握实际施工情况，进而保证后续工程竣工结算时有数据作为依托，顶进施工监测项目汇总表见表2。

表2 顶进施工监测项目汇总表

结合工程施工的总体情况布设多个监测点，以避免发生土地坍塌事故，保障工程施工安全的同时，减少对周边环境造成的不良危害，监测成果如下展开了详细的分析。

轴向地表变形。长距离顶管顶进深度达到10m时，从轴向上来看，地下土层尚未出现变形的情况，在工作面位置开挖土体，位于顶进距离10m处，此时土层有轻微隆起，继续向前顶进，工作面后方的土体由隆起会变为沉降。当长距离顶管顶进到20m位置时，工作面前方土体沉降继续扩大，顶进到30m、40m时，工作面和前方的土体依旧继续沉降，沉降程度逐步递增，受到顶进推力影响，会对地层造成一定程度的扰动，等到推进距离达到一定高值后，土层沉降量也基本达到稳定。

横向地表变形。长距离顶管工作面达到5m之前，施工人员并不能预知后续继续顶进所面临的施工境况，难以全面地把握整体数据，随着顶进深度持续加深，较为明显的反应为前方土地存在一定扰动。等到工作面达到5m之后，据布设的监测点反馈土层开始沉降，顶掘机在正常顶进中会产生大横截面，最终在重力作用下，地表发生沉降。顶掘机头顶进时若是产生了比较大的作用力，还会导致周边土体产生剪切力，此时同样会发生地表沉降，顶掘机尾通过时，沉降现象继续，直到顶进距离达到一定高值后，地表不再继续沉降。

3 结论

综上所述，通过对顶管施工技术在市政给排水工程中的应用情况分析，发现使用长距离顶管施工工法在工程建设中具有很大优势，能够有效提升施工效率，由于施工的范围比较小，且不必进行土方开挖，因此不会影响到市区居民正常生活，同时还能够降低施工成本与对周围环境的破坏。目前，这种施工工艺在城市给排水工程施工中发挥着重要作用，随着城市化建设持续推进，为确保长距离顶管施工状况的良好性，相关的施工技术人员还要继续对该技术进行深化研究。