非开挖顶管技术在市政给水管线施工中的应用

2024-03-13曹晓博刘研文

建材与装饰 2024年7期

曹晓博，刘研文，孙伟

（北京市自来水集团禹通市政工程有限公司，北京 100011）

0 引言

随着城市化进程的加速和基础设施建设需求的增长，传统的市政给水管线施工面临诸多挑战，尤其是在城市密集区域。在这种背景下，非开挖顶管技术应运而生，为市政给水管线施工提供了一种创新解决方案。该技术通过地下顶推的方式安装管线，避免了大规模开挖带来的地面破坏和社会影响。

1 非开挖顶管技术原理

非开挖顶管技术是一种先进的地下管道铺设方法，主要用于在不破坏地表的情况下铺设或更换地下管线。这种技术的核心原理是使用特制的顶管机械在地下形成管道路径，而不需要像传统开挖那样挖掘大面积的沟渠。顶管技术首先在预定的起始点挖掘一个较小的工作坑，然后从这个坑中将顶管机和管材顺序推进到地下[1]。顶管机通常配备有强大的推力和回转力，能够在地下精确地钻进，同时顶出土壤或其他物质。这种方法可以用于铺设各种类型的管道，包括污水管、供水管、或电缆管等。非开挖顶管技术模拟如图1 所示。

图1 非开挖顶管技术模拟

2 市政给水管线中的非开挖顶管技术

2.1 工程简介

我司亦庄水厂一期配水干线工程位于北京市亦庄开发区，该工程顶管部分为2 段，呈L 型走向，第一段横穿成寿寺路进出南五环路的匝道，第二段沿南五环内环边沟顶进至接收井。

该配水干线工程是北京市水资源配置的关键组成部分，旨在满足亦庄开发区及中心城区的水需求，并确保水资源的可靠供应。

工程设计特点：考虑到管线沿线地形和土质条件，工程设计对覆土厚度进行了精确计算和平均化处理，以确保管线的稳定性和安全性。

环保与可持续性：在工程设计与施工中，特别关注覆土厚度的最小值，以最大限度地减少对地下水和自然环境的影响，体现了工程在环保和可持续性方面的关切。

2.2 技术优势

非开挖顶管技术在市政给水管线施工中的应用显著地减少了对环境的破坏，这是其最大的技术优势之一。传统的开挖方式往往需要在施工区域进行大范围的挖掘，这不仅破坏地面景观，还可能影响周围的自然生态和居民生活。例如，在城市中，开挖施工可能导致道路封闭、交通拥堵，甚至影响周边商业活动和居民的日常出行。而非开挖顶管技术通过在地下进行管道安装，极大地减少了对地面的干扰。这种技术只需要在管道起始和终点处进行小范围挖掘，以安装和接收顶管设备[2]。

在提高施工效率方面，非开挖顶管技术同样具有显著优势。传统开挖工程通常涉及大量的地面挖掘、土壤运输和复填工作，这些工作耗时而且复杂。特别是在城市密集区域，施工空间限制和交通管制可能进一步延长工程进度。非开挖顶管技术通过地下顶推管道的方式，大幅减少了这些时间消耗和复杂的步骤。此外，由于地面挖掘工作减少，相关的安全隐患和施工中断风险也相应降低。这种技术的应用使得整个管道铺设过程更加连续和高效，尤其适用于城市环境，可以在不干扰地面交通和活动的情况下进行快速施工。

2.3 施工工艺

2.3.1 顶管施工准备阶段

在市政给水管线施工项目中，非开挖顶管技术的应用始于精确的施工准备。在施工开始之前，首先进行详细的地质勘探，以评估顶管路径下的地质条件，这对于确定顶管机类型和施工参数至关重要。地质勘探结果显示，顶管路径下存在一根移动光缆和两根军用光缆，因此，施工过程中需特别注意避免对这些重要设施的损害。此外，施工团队还需确保施工范围内正在运行中的原取水管的安全。因此，在顶管施工前的准备阶段，施工团队制定了详细的施工计划和应急预案，确保在施工过程中能够迅速应对各种情况。

2.3.2 顶管施工实施阶段

在非开挖顶管技术的施工实施阶段，首要关注的是对顶管机的精确操控。操作过程中，顶管机必须沿着预定的轨迹准确推进，同时确保管顶覆土厚度符合规范规定的范围。这一关键控制对于保护现有光缆和水管至关重要，以防止施工对周围环境产生不良影响。在推进过程中，顶管机同时进行土壤切割和移除，以维持管道路径的稳定性。为确保施工的准确性，高精度的监测设备被广泛应用。这些监测设备能够实时监控顶管机的位置和姿态，以保证其按照预定轨迹无误推进。这项技术的应用有效降低了施工误差，提高了整个顶管过程的精密度。同时，施工团队也定期检查现场的安全状况，强调安全管理的重要性，确保施工过程中不发生意外事件，保障工程的顺利进行[3]。

2.3.3 顶管施工完成及验收阶段

顶管施工完成后，进入验收和评估阶段。对于供水工程，顶管施工完成后，工程团队进行了详细的管道检查和试压测试，以确保管道的完整性和功能性。管道的检查重点在于确认管道是否有损坏，接缝是否紧密，以及管道是否按照设计标准正确铺设。试压测试则是确保管道的承压能力满足工程标准要求。在验收阶段，施工团队还需确保管道周围区域的地面恢复到满意状态，特别是公路穿越部分。对于本工程而言，验收阶段也包括了对周边光缆和原有水管的再次检查，确保施工过程中没有对这些设施造成任何损害。通过这一系列严格的检查和测试，确保了顶管施工的质量，为后续的管道运营奠定了坚实的基础。

2.4 顶进过程中进出洞施工技术

2.4.1 进洞施工技术

进洞施工是顶管工程的初始阶段，关键在于准确地建立起始井（或进洞口）并将顶管机正确定位。在进洞施工中，首先需要在预定的地点开挖一个大小适宜的起始井。这个井的尺寸通常比顶管机的直径大出一定的余量，以便于顶管机的安装和操作。例如，在本顶管工程中，起始井的直径可能需要达到14000m 或更大，以确保足够的工作空间。起始井的深度则根据设计的管道埋深和地下水位等因素确定[4]。在顶管机进入起始井后，需要进行精确的定位和调整，确保其按照预定的方向和角度开始推进。在这个过程中，高精度的测量仪器和监测设备被广泛应用，以实时监控顶管机的位置和姿态。此外，为了确保进洞施工的顺利进行，还需考虑地下水位、土质等因素，并采取相应的措施，如水泵抽水、井壁支护等。

2.4.2 顶管推进技术

在顶管推进技术的实施过程中，关键的顶进阶段决定了整个顶管工程的成功与否。顶管机必须按照预设的轨迹有序推进，而这涉及一系列关键参数的精确调控。推进速度、推进力和旋转速度等参数的设定至关重要，需要根据地质条件、管道直径和顶管机型号等多方面因素进行全面考虑。在本项目工程中，推进速度的合理设定可能在每小时几米到十几米之间变化，具体取决于土质的硬度和顶管机的性能。推进力作为另一个关键参数，必须足够大以克服土壤的阻力，但又不能过大，以免造成管道损坏。在推进过程中，密切关注推进力的实时变化，调整力度，确保在克服土壤阻力的同时保护管道的完整性。同时，顶管机的位置需要不断进行监测和调整，以确保其沿着预定轨迹准确无误地前进。这项技术要求高度的精密度和实时性，以确保整个推进过程的可控性。通过对推进速度、推进力、旋转速度等参数的实时监测和采集，可以获得大量的工程数据。利用数据分析技术，工程团队能够深入了解地下土层的特性，精准掌握顶管机的工作状态，及时发现并解决问题。数据分析还可以为今后类似工程提供经验总结和优化建议，实现工程技术的持续改进。

2.4.3 出洞施工技术

在出洞施工技术的实施阶段，顶管机到达终点标志着整个顶管工程的进入关键的出洞施工阶段。首先，施工团队需要在顶管机预定到达点进行接收井的挖掘工作。与起始井相似，接收井的尺寸和深度需要充分考虑，以提供足够的空间容纳顶管机和相应的管段。在顶管机即将到达终点时，施工团队必须进行精确的监控，以确保顶管机准确无误地进入接收井。一旦顶管机完全到达接收井，接下来的工作将主要集中在管道的接缝和检查方面。这包括确保管道的接缝严密无泄漏，同时进行管道完整性的检查，如压力测试等。这一步骤至关重要，因为管道的质量和可靠性直接关系到整个顶管工程的成功与否。通过高精度的检测设备和技术手段，施工团队能够及时发现并解决任何潜在的问题，确保管道在后续运行阶段的稳定性。除了管道的接缝和检查工作，对接收井周围土壤的复原处理也是出洞施工阶段的关键任务之一。通过合理的土壤处理，可以确保接收井周围地面的稳定性和安全性。这包括土壤的填充、紧实和表层修复等工作，以使地面恢复到施工前的状态，减少对周边环境的影响。出洞施工的完成标志着整个顶管工程的顺利落幕，随后进入管道的运行和维护阶段。在这个阶段，科学的管道管理和定期的维护将确保管道的长期稳定运行，为城市基础设施的可靠性和持续性提供了强有力的支持。整个工程的成功实施不仅依赖于先进的技术手段，更需要施工团队的精湛技艺和严谨管理。

2.5 注浆减阻

注浆减阻技术的基本原理是通过注浆来改变土壤的物理和化学性质，从而降低土壤对顶管机或隧道掘进机的阻力。这种技术通常使用一种特殊的浆液，如水泥浆、化学浆或泥浆，这些浆液能够渗透到土壤中，增加土壤的稳定性和流动性。例如，注浆的目标可能是减少顶管机推进时的阻力，从而提高施工效率。在实施注浆减阻时，需要精确计算浆液的注入量和压力。注浆量的计算通常基于土壤类型、顶管直径和推进长度等因素。例如，对于黏土类型的土壤，可能需要更多的浆液来改善其性质。注浆压力则需要足够高，以确保浆液能够均匀分布在土壤中，但又不能过高以免导致地面沉降或对周围结构造成损害。

2.5.1 注浆减阻施工实施步骤

（1）浆液配制。在这一步骤中，需要根据实际土壤条件和施工需求选择合适的浆液类型和配比。浆液的粘度、流动性和固化时间等参数需要被仔细考虑。合理的浆液设计是确保注浆减阻效果的重要前提。

（2）注浆点布置。注浆点的布置是根据顶管机或隧道掘进机的推进路径进行精确规划的关键步骤。通常，这些注浆点会沿着预定的路径均匀分布，以确保浆液能够有效地覆盖整个施工区域。布置的密度和位置需要根据土层特性和注浆效果的预期来确定。

（3）注浆施工。在注浆施工阶段，专业的注浆设备被用来对每个注浆点进行浆液注入。施工团队需要根据设计要求实时监控浆液的注入量和注浆压力，确保注浆施工按照计划进行。操作人员需要对注浆设备的性能和操作进行熟练掌握，以确保注浆的精准度和效果。

（4）效果监测。为了评估注浆减阻效果，施工区域需要进行定期检测。这可以通过使用地下雷达或进行钻探等方法，检测土壤的密实度和浆液的分布情况。这些检测数据提供了对注浆效果的实时反馈，有助于及时调整施工策略以达到最佳效果。注浆减阻施工的这些步骤的合理实施，不仅可以确保施工过程的顺利进行，而且能够有效地改善土壤条件，降低顶管机或隧道掘进机的推进阻力，从而提高整个工程的施工效率和成功率。

2.5.2 注浆减阻施工效果评估

注浆减阻施工的效果评估是确保工程质量的重要环节。有效的注浆减阻不仅能提高顶管或隧道掘进的效率，还能降低施工成本和延长工程的使用寿命。在评估注浆效果时，主要关注3 个方面：①注浆后土壤性质的改变，如土壤密实度和流动性的提高。②顶管机或隧道掘进机的推进速度和阻力的变化。③施工过程中的安全性，如是否有地面沉降或对周围建筑的影响[5]。例如，在一个使用注浆减阻技术的顶管工程中，通过比较注浆前后顶管机的推进速度，可直观地评估注浆效果。如果顶管机的推进速度显著提高，且没有出现安全问题，则表明注浆减阻效果良好。此外，也可以通过分析施工成本和工程进度来综合评估注浆技术的经济效益。