顶管掘进施工技术在水利工程中的运用探析

李强

(中电建振冲建设工程股份有限公司，北京 100102)

顶管掘进施工技术，作为一种非开挖技术，不仅可以避免因开挖作业对环境和人民生活带来的不利影响，还可以在一定程度上提高施工效率，降低工程成本，因此，顶管掘进施工技术在水利工程中的应用，已经成为工程技术研究的一项重要内容。顶管掘进施工技术的应用，不仅需要准确理解和把握其基本原理和施工方法，还需要根据实际工程情况，对其施工过程进行细致深入的分析和研究，从而使这种技术在实际工程中的应用能够取得理想的效果。

1 顶管掘进施工技术的应用原则解析

顶管掘进施工技术是近年来在水利工程施工领域中广泛应用的一种新型施工方法。由于其施工过程无需大范围开挖，因此具有环保、高效、安全的优势，尤其在狭窄、人口密集或者地下管线复杂的地区施工具有显著优势。然而，无论何种施工方法，其应用都需遵循一定的原则，顶管掘进施工技术亦然。

1.1 施工前的精细化规划原则

在施工前的精细化规划过程中，首要的步骤是进行详尽的地质勘探和环境评估，这一步骤并不仅仅是对施工区域的物理条件进行探查，而是要尽可能全面地了解和评估施工区域的地下管线布局、地质状况和地面环境。这些信息将直接影响到顶管掘进施工的可行性和安全性。只有当人们对施工区域有了充分的了解，才能制定出合理、有效的设计方案。

同时，精细化规划还需要对工程设计要求进行深入分析和研究，这包括了解和明确工程的技术要求、经济要求、安全要求和环保要求等，以确保设计方案能够满足这些要求。只有这样，才能保证顶管掘进施工能够顺利进行，最终达到工程目标。在施工前，遵循精细化规划原则，将对顶管掘进施工的成功起到决定性的作用。

1.2 施工的安全保障原则

施工的安全保障原则是顶管掘进施工技术的关键考量之一。安全应始终是施工过程中的首要任务，因为无论多大规模的工程项目，都不能以人员的生命安全作为妥协的代价。

首先，提前规划和风险评估是遵循安全保障原则的重要步骤。在施工开始之前，工程团队应进行全面的现场评估，确定可能的安全风险，并采取措施将这些风险降至最低，这涉及地质条件、天气状况、施工设备的安全性和稳定性等多个方面。这种全面的评估和规划将有助于预防可能的危险，保障人员安全。其次，严格的操作规程和持续的培训也是谨遵施工安全的体现。所有参与施工的员工都应接受全面的安全培训，熟知每项工作的安全操作规程，并且定期接受复训，以确保施工人员的知识和技能得到更新和提升。此外，对于可能导致严重伤害的特殊工作，如操作重型设备、进行有限空间作业等，应要求工人具有特定的资格认证，以确保施工人员有足够的能力和知识进行安全施工。最后，适当的监督和检查也是遵循安全保障原则的重要环节。工作人员应定期进行安全检查，确保所有设备和工作区都保持在安全的条件下。任何可能的安全问题都应立即解决，以防止小问题演变成大的安全隐患。

2 管掘进施工技术的类型分析

顶管掘进施工技术在水利工程中的应用日益广泛，特别是在涉及跨越河流、湖泊或者其他自然障碍的工程中，其优势显著。这种无开挖的施工方式，既保护了自然环境，又实现了工程的高效目标。

2.1 机械顶管技术

机械顶管技术在水利工程中的应用具有显著优势。首先，其使用大型的专业设备，能以强大的推力将预制管道顶入地下，确保了管道的快速安装和工程的高效进行。这一特性使得该技术在处理大直径管道、过渡大型河流、湖泊或复杂地层时，表现出极强的优势。其次，此技术确保了管道安装的精确性。由于采用先进的导向系统，可以准确地控制管道的路径，避免对已有的地下设施产生干扰，也能避免对敏感的环境区域造成不必要的破坏。

然而，应当注意的是，虽然机械顶管技术带来的效率和准确性都是非常引人注目的，但其高昂的设备和施工成本也是不可忽视的。因此，在使用此技术时，必须充分评估工程的预算和实际需求，进行综合的权衡[1]。

2.2 人工顶管技术

人工顶管技术的应用具有其独特的优点。首先，这种技术灵活性高，适应性强，它可以在各种地质条件下使用，包括泥土、砂土、黏土、碎石、岩石等。其次，人工顶管技术对施工环境影响小。由于挖掘过程中的土壤通过管道内部移动，而不是在地表上移动，因此施工现场的污染程度较小。此外，人工顶管技术也能避免对地面建筑物或交通设施产生破坏。

然而，人工顶管技术也存在一些挑战和限制。由于工人需要在狭窄的管道内部进行挖掘，因此施工条件较为艰难，而且安全风险较大。此外，人工顶管技术的施工效率较低，尤其是在地质条件复杂或者硬岩地层中。为了解决这些问题，工程师需要制定详细的施工计划和安全措施，并使用适合的工具和设备。

3 顶管掘进施工技术在水利工程中的应用方略

3.1 施工测量作业

施工测量作业的主要目标是确保顶管的正确放置和定位，以便符合设计规划并满足工程需求。施工测量作业需要专业知识和精确的设备，以确保顶管的正确安装和有效运行。在工程设计阶段，工程师会制定出详细的施工计划，包括确定管道的精确路线和深度。这些信息将决定顶管的位置和方向，以及其与现有设施和地质结构的关系。在施工过程中，施工队会持续进行测量，确保顶管的位置和方向与设计计划一致。

施工测量作业通常会使用一系列高精度的测量设备，如全站仪、GPS、激光导向系统等，这些设备能够提供精确的数据，帮助工程师和施工人员确保顶管的精确放置。其中，激光导向系统是一种常见的顶管测量工具，它能够实时提供管道的位置和方向信息，帮助施工队更好地控制顶管的推进。

然而，施工测量作业不仅仅要关注顶管的位置和方向，还需要关注地质条件和现有设施。在施工过程中，可能会遇到不同类型的土壤、岩石或水体，这些条件可能会影响顶管的推进和定位。此外，现有的地下设施，如电缆、管道、建筑物等，也需要考虑在内，以避免在施工过程中引发意外。

3.2 科学选用管材

科学选用管材是顶管掘进施工过程中至关重要的一步，对于保障工程的安全性、稳定性和持久性起着决定性的作用。由于地下施工环境的复杂性，管材的选用必须考虑到多种因素。选用的管材必须有足够的强度和韧性以承受施工过程中的各种压力和冲击。此外，考虑到地下的腐蚀环境，管材需要有良好的耐腐蚀性。同时，管材的选择也需要考虑到工程的实际需求。例如，在供水工程中，需要选用能承受一定水压的管材[2]。

在具体的管材选择上，有多种类型可供选择。例如，钢管材质的管道有着良好的密封性和适应范围广的特点，无论是在高温或者是低温环境中，其性能表现均较为稳定。然而，钢管的耐腐蚀性能较差，因此在使用中往往需要配备防腐涂层或者进行热浸镀锌处理，以增加其使用寿命。而在塑料管材中，如聚乙烯(PE)管、聚氯乙烯(PVC)管，这些管材的耐腐蚀性、抗老化性能极佳，能在各种恶劣环境下长时间保持其原有性能。它们的质轻、易于安装也为施工过程带来诸多便利。值得一提的是，这些塑料管材还具有优秀的化学稳定性，使得其在遭遇化学侵蚀时仍能保持原有性能，这一特性使得塑料管材在复杂地质条件下的水利工程中得到了广泛应用。同时，塑料管材的噪声吸收效果好，能有效减少流体流动产生的噪声，提升了水利工程的环保性能。

针对不同的地质条件和工程需求，施工企业需要根据管材的物理和化学性质，如强度、韧性、耐腐蚀性等，以及其经济性和施工性等因素进行综合考虑，科学选用适合的管材。在管材的选用过程中，企业不仅需要关注产品的性能和价格，还需要关注生产厂家的信誉和服务，确保选用的管材能在整个工程生命周期内提供持久可靠的服务。

在科学选用管材的基础上，施工企业还需要制定合理的施工方案和维护计划，包括管材的运输、储存、安装、检测、维护等环节，确保管材在施工过程中的完整性和使用性能。同时，还需要建立完善的质量管理和安全保障制度，确保工程的安全和质量。

3.3 顶管施工技术

3.3.1 工作坑的开挖

工作坑的开挖是顶管掘进施工中的关键步骤之一，其质量影响着施工的安全性和效率。工作坑是顶管掘进工程中，钻头、管段及其他设备进入和退出地下的场所，同时也是施工人员进行操作和监控的重要位置。

工作坑开挖的准备工作：首先，需要对工作坑的位置进行精确测量和标定，以确保其与设计图纸的一致性。同时，需要对周边环境进行全面评估，如周边建筑、地下设施、地表景观、交通状况等，以确保开挖工作的安全。此外，还需要对工作坑的地质条件进行详细勘察，包括土质、含水量、地下水位等，以便于制定合理的开挖方案，采取必要的防护措施。

工作坑的开挖：在做好了准备工作后，可以开始开挖工作。根据工作坑的大小、深度和地质条件，可以选择手工开挖或机械开挖。在开挖过程中，需要按照预定的设计进行，保持工作坑的尺寸和形状的一致性。同时，要注意工作坑的坡度和底部平整度，以便于设备的稳定和顺利运行。

工作坑的防护：工作坑开挖时，需要对其进行防护，防止工作坑的坍塌和滑动。一般采用的防护方式有支撑防护、锚固防护、混凝土砌筑等。防护的主要目的是保证工作坑的稳定性，防止地面下沉，保护工作人员和设备的安全。

工作坑的排水：对于含水量较高或地下水位较高的地方，需要在工作坑开挖时设置排水设备，如井点排水、井架排水等，防止工作坑内积水，保证施工的正常进行。

3.3.2 顶管设备的安装

顶管设备的安装是一项关键工作，包括推进机、管道以及其他必要的设备。推进机作为主要的顶推力源，需要根据施工要求进行精准定位和稳固固定，以保证其在推进过程中的稳定性。管道的安装则需要考虑到其在地下工作的环境条件，比如地层硬度、湿度、温度等，选用合适的管材并确保其正确连接，以保证管道在施工和使用过程中的安全和耐久性。

除此之外，顶管施工过程中还会涉及各种辅助设备，如导向系统、泥浆系统等。导向系统用于控制顶管的方向和角度，保证其能够按照设计轨迹准确推进；泥浆系统则负责在推进过程中向顶管前方输送泥浆，起到润滑、稳定地层、悬浮土屑的作用。这些设备的正常工作对于顶管施工的成功至关重要，需要在安装过程中进行精确校准和严格测试，以确保其在施工过程中的稳定可靠。

3.3.3 管材的推进

管材的推进是顶管施工过程中的关键环节，其质量直接决定了工程的成功与否。在实际操作中，顶管设备会将预制的管道段逐段推进到预定位置，整个过程中必须对管材的进度、方向、角度等进行精确测量和严密监控。

首先，施工人员需利用导向系统控制管材的推进方向和角度，确保其沿预定轨迹进行。对导向系统的操作需要高度的专业技术和经验，因为任何轻微的偏差都可能导致管道偏离预定轨迹，影响整个工程的质量和进度。其次，施工过程中还需要严格监控每一段管材的推进情况，以确保其安全、顺利地到达预定位置。同时，需要关注任何可能出现的问题，如地层变化、机械故障等，并做好记录，以便后续的问题解决和工作优化。最后，还需及时调整施工设备的工作状态，如推进力、泥浆供应等，以适应施工过程中的实际情况。所有这些都需要施工人员具备扎实的专业知识和敏锐的观察力。

3.3.4 管线的检测和修复

管线的检测和修复是顶管施工结束后的重要环节，它决定了工程的质量和安全。在管道推进完成后，必须立即进行全面的检测，核实管道的完整性、位置准确性以及功能性。这一过程需要采用高精度的检测设备，例如声波探测器、视频探头等，对管道的内外壁、连接部位进行全面、深入的检查。对于发现的任何问题，如管道的破裂、塌陷、堵塞等，都需要立即进行修复，以防止这些问题影响管道的正常运行。修复过程需要严格按照相关的施工标准和操作规程进行，确保修复质量。同时，检测和修复工作不应仅在施工结束后进行一次，而应在整个工程运营期间定期进行，以发现并及时解决潜在的问题，这样可以大大提高工程的运行效率和安全性，延长工程的使用寿命。此外，对于施工过程中发现的问题，相关人员还需要进行深入分析，找出问题的根本原因，从而对施工过程进行优化，提高施工质量和效率，这既是对已完成工程的质量保障，也是对未来工程的技术积累。

3.4 洞口止水处理

在顶管掘进施工过程中，洞口止水处理是保障施工安全、维持施工环境稳定的重要环节。由于水利工程通常涉及水资源，因此，如何有效防止施工过程中的水侵问题，确保施工过程的顺利进行，尤为关键，这就需要相关人员对洞口进行严密的止水处理。洞口止水处理，简言之，就是采取各种方法和措施，防止水从洞口处流入或渗漏到施工区域。这主要通过设置防水层、封堵设备、水泵排水等手段实现。洞口止水处理的基本原则是，既要保证止水效果，又要保证施工的正常进行，避免对施工造成不必要的影响。

首先，设置防水层是一种常见的止水方法。防水层可以采用各种防水材料，如防水膜、防水涂料、防水混凝土等，根据工程的实际需要进行选择。防水层需要覆盖在洞口区域的所有可能出现渗漏的部位，形成一道完整的防水屏障。其次，封堵也是止水处理的重要组成部分。利用封堵材料可以紧密贴合洞口，防止水流通过。封堵的选择和设置需要考虑到洞口的尺寸、形状以及施工过程中可能产生的压力变化等因素。最后，水泵排水是应对突发情况的重要手段。在施工过程中，如果出现不可预见的水侵情况，需要立即启动水泵进行排水，降低水位，保障施工安全。

洞口止水处理工作的实施，需要根据工程的具体情况进行详细的设计和规划，包括选择合适的止水材料和设备，设计合理的止水方案，以及预设应急处理措施等。在施工过程中，也需要进行实时监测和调整，保证止水效果的持续和稳定[3]。

3.5 控制顶进过程的摩擦阻力

在顶管掘进施工中，控制顶进过程的摩擦阻力是保证顶管效率和质量的重要环节。摩擦阻力过大会降低推进效率，增加施工难度，甚至可能导致设备损坏或工程失败。因此，科学有效地控制摩擦阻力，是顶管掘进施工技术的核心部分。

首先，选择合适的管材和顶管方法是控制摩擦阻力的基础。不同的管材，其表面粗糙度和摩擦系数等性质都不同，会影响到顶进过程的摩擦阻力。选择摩擦系数小、表面光滑的管材，或者采用润滑等手段减少管材表面的摩擦阻力，可以有效降低摩擦阻力。其次，精确的施工设计和测量是控制摩擦阻力的关键。顶管的轨迹、深度和角度，以及土壤的性质和状态，都会影响到顶进过程的摩擦阻力。因此，需要对这些因素进行详细的测量和分析，制定出科学合理的顶管方案。再次，施工过程中的实时监控和调整也很重要。通过监测设备，可以实时获取顶进过程中的摩擦阻力数据以及土壤的压力、湿度等情况。根据这些数据，可以及时调整顶进策略，如改变推进力、调整顶管角度、增加润滑等，以控制摩擦阻力在合理范围内[4]。最后，适当的预处理和后处理可以进一步降低摩擦阻力。例如，预先进行土壤改良，改善土壤的物理性质，降低土壤的摩擦阻力；或者在顶管结束后，通过清洗或润滑等方法，降低管道内壁的摩擦阻力，保证管道的正常使用。

3.6 注浆施工

在顶管掘进施工中，注浆施工发挥着积极作用。注浆施工是为了充填管道周围的空隙，减小土壤对管道的压力，防止地面沉降，并能增加土壤的承载力，从而确保工程的安全与稳定。

首先，注浆材料的选择至关重要。常用的注浆材料有水泥浆、化学浆、泥浆等，每种材料都有其特性和应用条件。例如，水泥浆具有良好的固结性和较高的强度，适用于地质条件较差的地方；而化学浆则具有速凝性和高流动性，适用于需要快速固结和填充复杂空隙的地方。其次，注浆施工的方法也需要根据实际情况进行选择。一般可以分为先导孔注浆和回填注浆两种。先导孔注浆是在施工前就进行的，可以提前改善土壤条件，减少施工难度。回填注浆则是在顶管完成后进行的，主要是为了填充管道周围的空隙，稳定土壤结构。再者，注浆施工的过程需要严格控制。注浆的速度、压力、浓度等参数都需要精确调控，以确保浆液能充分充填空隙，达到预期的效果。此外，施工过程中还需要实时监测地面变化，如有沉降或裂缝出现，要及时调整注浆参数或采取其他措施。最后，注浆后的养护也很重要[5]。对于水泥浆或化学浆等需要硬化的浆液，硬化过程需要保持适当的湿度和温度，以确保其强度和稳定性。对于泥浆等不硬化的浆液，需要定期检查其稳定性和流动性，及时补充或更换。

4 结语

顶管掘进施工技术在水利工程中的应用具有明显的优势，这主要归功于其非开挖的特性，减少了对环境的影响，提高了施工效率和精确度。而且，随着科技的日新月异，这一技术会有更大的突破。顶管掘进技术将积极响应未来水利工程施工的需求变化，包括更高的施工精度、更智能化的设备、更优化的施工工艺和更环保的材料使用，这些都代表了水利工程施工的未来方向。不仅如此，随着人工智能、大数据等新技术的运用，顶管掘进技术有望在效率和精确度上取得更大的提升。可见，顶管掘进技术在水利工程施工中的应用是一股不可抗拒的潮流，它将引领水利工程进入一个更加高效、精确和环保的新时代。