给排水施工顶管技术研究

2024-03-11曹常刚

科海故事博览 2024年4期

曹常刚

（巩留县水利服务站，新疆伊犁 835400）

顶管工艺是指一种非开挖掘进形式的管道敷设手段，其主要特点在于不会对周边环境产生严重影响，且施工区域相对较小，可以实现地下深入作业，无需对面层进行开挖，能够穿越公路、地面建筑物、地下管线。通过主顶油缸以及中继间的推力，使掘进设备穿过土层，推到接收井，并吊起。将其运用在给排水施工项目中，可确保施工作业有序开展，规避复杂的地下管线，提高工程安全性。

1 工程案例

本工程为新疆巩留县工业园区续建配套项目，属于污水管网的一部分，主要管径为D1000、D1200、D2000，全线设有工作井以及接收井，采用钢筋砼结构，顶进区间地层以黏性土、粉砂层以及碎石层为主。在经过详细施工环境勘察后，施工单位决定选取抗腐蚀性较为突出的顶管材料，并严格依照设计要求，控制管节、配筋等指标，注重机械装置间的搭配，具体的设备选型情况为：DK2000 顶管机、ZB 高压油泵、轨道电瓶车、800KN 油缸以及SYB 注浆泵。

2 给排水施工的顶管技术应用路径

2.1 顶管工艺流程

在给排水项目中，顶管施工作业可参考大量成功案例，实现施工流程的优化与调节，注重工艺间的衔接与搭配，做好设备流量控制，持续改进顶进环节，明确工作要点，保证工程效益，具体流程为：项目开始→测量放样→顶管坑制作，是指顶管起始点、终结点的临时设施，坑内布设导轨、后背墙以及千斤顶→工作井设备安装→顶管机进洞，包括千斤顶推进、注浆、测量→管节顶进，包括接口安装、顶进、安管、纠偏→顶管机出洞→设备拆除→管缝处理→验收→制作检查井→完工。

2.2 土压平衡控制

在顶管作业时，要充分考虑地层特点，结合工作人员多年的就业经验，做好土压平衡管理，实现关键参数的细化处理，包括顶进压力、出土机转速、顶进速度、地面变形等。比如：若螺旋输送设备的排土量相对固定，则顶进速度越高，土压力越大，为确保土压力的有效管理，需要适当调节设备顶进速度；若推进速度恒定，则土压力大小与设备排土量则呈现正比关系，但该特征变化更加平缓，因此在初始推进阶段，应进行反复测试，直至排土量达到土壤质量的95%以上，才可认定为正常现象。也可充分考虑地面沉降大小，当地面存在隆起，则适当增加土量，若地面产生沉降，则降低土量。对于本次工程项目来说，顶管机掘进机理论工作效率在5cm/min，但实际应用时，设备工作效率只能达到3～4cm/min，究其原因在于主顶泵站性能有待提升。因此，工作人员需要密切关注设备采购以及性能调试等环节。

此外，技术人员还要探明地层损失的原因，提出针对性的解决措施，比如：控制管道产生的土量，当挖掘量超出12 个铲斗，则应适当提升前仓压力，保证在0.15Mpa 以上，而电机电流则要维持在50A 左右，实现顶管机的稳定运行。并且在砂层顶进阶段，同样要观察好前箱压力变化情况，以便第一时间调节挖掘、顶进速度；在顶管机维护阶段，可采用法兰阀，完成孔隙密封处理，避免土壤、水进入管道，造成不必要的损失；在管道建设时，需关闭地面交通，以降低地面动态荷载为首要目标；每次顶进间隔后，都要通过砂浆完成凝固、灌浆处理，及时填补间隙，防止后期作业出现地面沉降；记录设备前管压力以及设备顶进速度，确认电机电流变化状况，保证刀头扭矩大小得到全面反映。

2.3 注浆减摩控制

首先要确定泥浆混合比，认识到注浆作业对于顶管施工的重要性，科学的注浆技术能够利用置换、挤压等方式，切实改善岩土物理力学性质，有效填充裂缝与孔隙，为工程项目建设提供安全保障。在作业阶段，工作人员要做好施工装置的管控，严格依照既定混合比例施工，通过大量对比与试验，确定钠基膨润土的施工配比，根据研究显示，用于触变泥浆的膨润土与水的质量比应控制在1：10。至于砾石层的泥浆混合比则应维持在膨润土：水=1：8，同时，泥浆的比重应选择1.06g/cm3。其次要梳理泥浆制作流程，包括添加28kg膨润土、28L 水，之后准备好搅拌缸，添加相应物料，搅拌5 分钟左右，进行浓度测试，若浓度达到1.06g/cm3，则证明泥浆质量达标。需要静置水化24h，并在使用前实施二次搅拌。在泥浆制作阶段需要注意，施工人员要做好相关知识的学习，具备丰富的实践经验，在添加材料时，控制好物料的施加顺序，并搭配继电器控制搅拌时长。保证膨润土在静置水合的过程中能够充分吸水，搭配一系列防护措施，防止膨润土受到干扰。最后要进行注浆管理，对于顶管施工项目来说，注浆系统的结构组成以灌浆装置、混合系统、管道、阀门为主，若想保证施工顺利，便要控制好管道的安装区域，设置好管道间的间隔距离。对于本次项目，应充分结合地层特点，尽可能减少管道成本，避免注浆量过高，在每段布设三个灌浆孔，且断面间应维持7m 左右的间隔距离。并要求每个灌浆时间需控制在3min 以内，注重泥浆的连续性，采用三活塞式变量灌浆泵，最大程度降低脉冲，达到连续供应泥浆的目的[1]。

2.4 设置中继间

中继间是指在顶管施工阶段，用于分段顶进，布置在管段中间区域的环形小室，通常采用钢材制作成封闭空间，并沿管环安装千斤顶。该方法的优势在于，能够有效减少硕节长度，降低后备数量，若出现涵身相对较长，无法一次顶进的问题，将其分为两节，通过中继间法，实现重心轨迹的重合，避免节与节之间出现错位。搭配剪力楔，抵抗节间剪切力。在实际应用时需要注意，结合上述方法来看，继电器启动环节，设备间的安全顶力比例更加接近最小储备比率，因此可以胜任顶进任务。当第一继电器进行顶进作业时，难以避免地会因地质条件等外界因素，导致设计顶力与备用力之间的差值较大。为确保预留顶力不超出22%，笔者认为可以在不破坏继电器外形的前提下，且低于管道允许顶部力条件下，安装多台气缸，用以提升储备顶部力系数，保证顶进作业的安全性，最大程度减少中继间装置的负荷。具体的中继间安装位置情况表现为：管道内径2000mm，油缸数量18 个，额定顶力达到11000KN，第一中继间的油缸顶力达到6600KN，第二中继间的油缸顶力达到8800KN[2]。

同时，在伸缩导轨的布置上，需要在电瓶车结渣方面实现继电器的往复运动，避免在普通导轨应用阶段出现设备难以正常运行的问题。为此，笔者认为应持续研究继电器轨道，将以往的槽钢材料逐渐优化成槽钢与轻轨、钢板有机结合的伸缩轨道，以此提高轨道可靠性与适用性，相关材料的应用参数表现为：槽钢，可作为底座，发挥导向、支撑作用，数量为2 个，长度为2.5m；轻轨，具有前后伸缩功能，能够确保电瓶车稳定通过，数量为2 组，每组13 个；热轧钢板，用于控制协调导轨间距，具有一定的牵引效果。至于伸缩导轨的制作方面，要求最大伸缩距离不超过40mm，焊接区域牢固紧密，打造继电器间的通道，避免出现电池车的轨道偏离，适当增加电池车的通过频次。

2.5 测量管理

对于顶管施工来说，在工程测量控制管理方面，要将平面控制网的精度、导线控制点的保护作为研究重点，尽可能减少控制网的限差，计算高程控制网的设置数量。充分考虑施工作业内容，保证施工测量信息能够为后续施工作业提供数据支持。技术人员要严格遵循操作章程，依照业主提供的测量标记信息，进行相关数据的测试与校准，并将测量结果提交至监理人员，在审批通过后，才可继续作业。而在测量环节，工作人员需根据就近原则选取控制点，将其作为基点，搭配多个导体点，引入工作井。之后通过三角网格，安装导轨，完成高程轴线测量[3]。

2.6 基坑监测

根据实际调查显示，本次顶管作业的最深工作井达到25m，因此基坑监测难度较高，为此，应制定针对性的监测方案，结合实际情况进行适当调整，考虑监测结构，获取施工状况。

第一，监测项目。在施工环节，监测人员需要全面了解施工环境特点，挖掘潜在的安全隐患，并采取针对性的应对措施，将建筑物、重要管线作为优先监测对象，为后续作业提供数据依托，具体的监测项目表现为：（1）地表沉降，监测仪器以锢钢尺、水准仪为主，旨在获取施工对周边土体、管线的影响程度；（2）地下管线，监测设备为水准仪与锢钢尺，监测目的同样为获取施工对周边环境的影响程度与范围；（3）拱顶下沉，监测设备为水准仪与锢钢尺，监测目的在于，明确顶掘作业时支护结构的变位规律。在测量断面时需要注意，由于顶进时可能出现地面沉降风险，引发土体塌陷等安全事故，严重危及人员的生命安全。为此，需尽可能降低底层损失，强化底层承载力，结合现场实际情况，每隔7m 布设一个监测断面，保证数据信息的广泛收集。

第二，监测成果。在监测项目结束后，工作人员需要对监测成果开展全面分析，以轴向地表变形为例，需要对顶进轴线上的监测点开展动态校核，获取相应数据参数后，统计成地面沉降变形图，最终发现：当顶管顶进距离达到10m 时，轴线上显示的地表变形幅度较小，而在工作面前尚未实现土体开发的地表，则存在轻微隆起，而工作面的后方土体则表现出地表沉降问题。在顶管顶进达到20m 时，与之前顶进10m 的情况相比，位于工作面后方的土体沉降幅度持续增加，至于前方土体隆起同样不断加深，此类引发的现象表现为地表不断沉降，并会对后续的土体产生不良影响。当顶管顶进达到30m 时，因距离的不断加深，会进一步扩大开挖区域的地表沉降与隆起，当顶掘设备刀盘提高对土体挤压效果时，势必会对地层产生扰动。而当顶管顶进达到40m 时，土体会在时间、力的影响下产生沉降量稳定的现象。再从横向地表进行分析，在监测横断面地表变形时，需要对于始发井相隔5m 的断面区域实施研究，并分为以下四个阶段，即顶管工作面达到前、达到后，顶掘装置机头通过时与机尾通过后。在研究后发现，达到工作面5m 前，工程状况相对复杂，无法有效获取相关信息参数，难以避免地会导致监测点数据产生大幅度变化。在工作面深入的过程中，会对土体产生扰动效应，引发应力分布改变，在挤压作用下，出现土体隆起。在工作面达到5m 后，由于顶进作业对周边土体存在影响，在作用力的驱使下，土体会出现剪切力，并形成地表沉降，直至顶掘装置机尾通过，离开监测断面，顶掘装饰对土体的作用力仍会持续，从而加大地面沉降幅度[4]。

2.7 注意事项

第一，要做好风险管理，比如：顶进压力，需要注意测量纠偏，考虑施工地质条件的差异性，搭配适合的泥浆，做好施工装置质量检查与性能测试。若顶进环节发现顶力较大，则应第一时间停止，找出问题形成原因，制定解决计划；旋转控制，为避免出现顶管机旋转，可在机头摆放配重，要求配重与顶管机旋转方向完全向相反，也可通过控制顶管机头刀盘，使其与设备旋转方向相反；崩铁控制，在顶进时，应时刻观察压力表的数值波动，检查顶铁安装效果，判断是否存在表层脱落，分析是否存在顶铁外拱。若存在，则要及时停止操作，降低纵向顶铁长度；后备控制，在施工时，应树立工作人员良好的安全意识，根据操作标准进行后备安装，并核对设备垂直度，若发现顶进时，速度突然提升，则要立刻停止作业，找出问题形成原因，并寄出处理。

第二，要做好风险事故的应对，比如：管道被砂层“抱死”，此时顶管装置处于极限状态，无法推动管道。为此，应强化注浆利用中继间，使管道动起来，保证各注浆孔灌注饱满，且启动压力达到38Mpa；刀盘被卡，问题表现为刀盘无法转动。此时需要通过旋喷清渣法、成槽清渣法，清除刀盘周边的积砂，去除坚硬的小碎石，将泥浆压力维持在25Mpa。之后清洗刀盘，持续采取排砂作业，防止刀盘二次被卡。除此之外，相关施工人员也要不断学习先进的理论知识，提高专业技能，准确了解设施性能特点，做好装置定期检查与维护[5]。