顶管施工技术在城市轨道交通建设中的应用

2024-03-29刘雪朝

城市建设理论研究（电子版） 2024年5期

刘雪朝

中交路桥建设有限公司北京 100027

近年来，随着我国社会经济的高速发展，城市轨道交通建设工程项目数量逐渐增多，项目规模不断地扩大，受到人们的广泛关注，必须予以高度重视，不容忽视。为了满足当前城市居民的交通出行需求，加强城市轨道交通建设，需要转变传统的施工方式，引入先进的施工技术，以提高城市轨道交通工程施工效率。顶管施工技术是其中应用较为广泛的技术之一，在科学技术日新月异的当下，顶管施工技术在城市轨道交通建设中取得了不错的应用效果。在实际施工过程中，应当加深对顶管施工技术的了解，严格按照相关施工要求来执行作业，把控好每一个施工环节，从而保障城市轨道交通顶管施工质量，提高城市交通建设水平，获取更多的综合效益。

1 顶管施工技术的相关内容

1.1 顶管施工结构系统

顶管施工技术的应用原理在于先预外工作坑，然后在坑内设置反力制作，并于其中安装液压千斤顶，通过主顶油缸、管道间的推力，来吊起工具管、掘进机，使之从工作坑穿过土层，直至接收坑中。需在地层中顶入预制管段。该施工的特征在于一边开挖地层一边接长管段，一边顶进。顶管施工结构系统中包含了多项内容，如预制混凝土管、主顶油泵、润滑注浆系统、操纵系统、后座、测量系统、主顶油缸、导轨、弧形顶铁和环形顶铁等。需要利用运输车、运土车等设备，安装安全护栏[1]。

1.2 顶管施工技术的优势

顶管施工是一种先进的管道施工技术，其可以不进行开挖，或是开挖面积较少，能够在此基础上穿越地面建筑、地下埋设管线等来进行管道安装。顶管施工技术的优势在于：一方面，顶管施工不需要占据过多的施工占地面积，对地面的影响不大。施工过程中不会造成较大的噪音污染，振动较小，能够降低施工对周围居民生产、生活的不利影响。而且对地面交通的影响也不大，能够尽量保持道路交通的顺畅通行；另一方面，在进行较深铺设管道的时候，顶管施工的安全性较高，具有不错的经济性，所需要实施的施工工程量并不多。而且气候因素对顶管施工的影响不大，需要根据实际情况来制定适宜的顶管施工方案[2]。

1.3 顶管施工和盾构施工的对比

顶管施工和盾构施工，都属于暗挖施工法，两者之间有一定的相似性，也有着些许区别。从掘进驱动力方面来说，顶管施工的掘进驱动力设置于初始端的工作井内，位置固定；盾构施工中的掘进动力则设置与盾构机内，会随着掘进工作面前进；从掘进距离来看，顶管施工的掘进距离受掘进驱动方式影响，最大掘进距离在100m以上，如若使用中继环，掘进距离可达到1000m以上；盾构施工中的掘进最大距离并没有限制。顶管施工一般适用于渗透系数较小，不存在砾石的岩体土层中，理想土层的施工速度为每天掘进5～10m，曲线掘进的难度比较大，平均造价较低；盾构施工适用于一些不含砾石的岩层中，理想土层中掘进速度可达到每天掘进10～15m，可沿着各种曲线进行掘进作业，成本相对来说偏高。另外，要注意的是顶管施工的掘进工作面包括三种形式，一种是封闭工作面，一种是全敞开工作面，另一种是半敞开工作面，而盾构施工主要采用封闭工作面[3]。

2 工程概况

以某城市轨道交通六号线工程建设为例，该线路中某站实施了顶管施工技术，顶管线路的施工，由北边向南边开始。该施工其余的地质是道路填方路基，已经进行了回填压实作业，顶管穿越土层涉及到路基回填土、上表层粉质粘土。由于已经完成了管廊、排水箱涵、路床施工，为了避免对这些设施造成较大的损伤，则选择使用双排顶管施工来新建排水管道。新建排水管道和已经完成建设的管廊之间保持着一定的距离，净距为半米。该顶管施工工程中采用了三级钢筋混凝土企口管，实际施工中需要下穿已经建设好的雨水舱、综合管廊，因此要做好实时监测工作，观察现有设施的实际情况，并实施有效的保护措施。

3 顶管施工技术在城市轨道交通建设中的应用

3.1 工作井施工和设备安装

在城市轨道交通建设中应用顶管施工技术，需要重视工作井施工环节。应当进行准确的测量放样，遵循自上而下原则，使用倒挂井壁法来进行工作井护壁施工，每一段的护壁高度应当控制在1m左右，完成最后一节护壁施工，完全顶进顶管之后要使用顺做法来进行处理，保障底板施工质量，做好检查井内衬施工作业。可使用挖机或是采用人工方式来进行工作井挖土，利用大型运输车来运输弃土，一边开挖一边浇筑钢筋混凝土。工作井施工的具体流程如下：先要做好相关的施工准备工作，进行测量放线，保证数据的准确性。要开挖基坑，第一节护壁施工中要牢固绑扎钢筋，进行模板安装和浇筑作业，之后再将护壁模板拆除，重复这一环节直至达到规定的施工设计标高。然后要浇筑素砼垫层，进行底板钢筋绑扎施工，实施高校的底板砼浇筑和养护作业，开展后座钢筋混凝土施工和顶管区间顶进施工，最后预制井盖板，做好吊装和回填工作。工作井的护壁厚度保持在50～80cm之间，使用螺栓来连接组合钢模板。后座结构在管道顶进施工中具有重要作用，需使用钢筋混凝土来进行施工，并计算好其后背的承载力，确保其满足顶管施工要求[4]。

除此之外，还要根据顶管施工的实际需求，来安装工作井设备。首先，要安装和使用提升设备，可使用龙门架，主梁采用工字钢梁，可将提升设备安装于主梁上，如使用十吨的电动葫芦。管节是最大吊物重量，管内径为1.5m，外径为1.8m，管节长度为2.5m，管节重量不可超过十吨，否则无法满足提升要求；其次，要合理安装顶管设备。导轨制作的时候可使用型钢，做好焊接工作，控制好导轨轴线的偏差，应当在3mm以下。顶面高差需控制在0～3mm以内，两轨之间的距离要保持在±2mm。该工程中使用了两台液压千斤顶，吨数为250t。

3.2 顶进施工

在进行顶进施工的时候，需要先明确顶进施工公益流程。首先，要安装导轨和红外线对中仪，再安装加固后座，固定好千斤顶的顶脚架，安装千斤顶，需连接好油缸，进行管节安装，吊装顶铁之后顶进管道。在进洞之后顶进阶段，需要利用导轨安装方向来控制管节，根据施工要求来把控主顶的推进速度，尽量保持缓慢，需要及时纠正油缸和管节，防止其出现偏移。顶进的时候，前5m的管道高程偏差要控制在50mm以内，纠偏角度不可大于1°，一旦发现存在偏差必须即刻调整，遵循缓纠原则；顶进中则需要根据实际情况来调整顶进速度，充分考虑顶力、偏差因素，一般来说顶进速度保持在50mm/min即可[5]。顶进施工的时候，还需要把控好角度，进行有效纠偏工作，将其控制在1°以内，遵循慢纠原则。顶进过程中要根据顶力情况来控制顶进速度，最好把控在50mm/min左右。管道顶进和工作井之间要保持一定的距离，收回油缸，然后再实施顶铁安装施工。

在实施顶进施工的时候，需要通过注浆的方式来降低排水管的穿越摩擦阻力。需优化配置注浆材料，按照适宜比例来混合配制泥浆。需合理分布压浆管，选择优质的膨润土材料，以保证管道穿越的顺畅性。同时，还要合理分布注浆孔，把控好注浆孔的尺寸，设置于钢套环以下，做好预埋工作。

顶进施工中还需要重视管道注浆环节，该环节的目的在于加固土壤结构的稳定性，避免路面沉陷，保障顶管施工安全。基于此，要合理配置注浆材料，控制好水泥、粉煤灰、水的比例，可根据实际情况添加适宜的特种材料，强化浆液强度，使之具有更高的可灌性。要使用质量达标的钢筋混凝土企口管，管节长度为2.5m，按照适宜比例布置管节注浆管，每一个断面中要设置三个注浆孔，通常设置于钢套环下方，需要做好管道余脉工作。完成布设之后再进行注浆，把控好注浆压力[6]。

4 城市轨道交通建设中顶管施工技术应用的注意事项

4.1 控制顶进姿态

在城市轨道交通建设中运用顶管施工技术，一定要控制顶进姿态。顶管施工的掘进驱动力开始于工作井内，实际施工中要根据实际情况，采取相应措施来降低掘进过程中的水土压力和摩阻力，需要科学分析顶管的受力情况。当顶管不稳定的时候，便很容易受水土压力、结构自重等因素的影响，致使管节顶进轴线发生偏离，增加附加力矩，以致于无法自动调整管节姿态，不利于顶进工作的开展。基于此，可通过施加外力的方式来进行控制，确保顶进轴线与设计轴线相一致，实施长距离顶管施工时必须把控好顶进方向，否则容易影响最终的施工质量。就现阶段而言，大多数情况下都是使用高精度导向来控制顶进姿态，于始发工作井进行纠偏控制。可充分发挥全站仪设备功能，选择适宜的千斤组加载方式，以有效把控顶管姿态。一般来说，短距离顶管施工中更适用于使用半经验纠偏方式，即以千斤顶组施加偏心荷载来对顶管姿态进行控制[7]。

4.2 做好结构防水工作

在实施顶管施工技术的时候，一定要重视结构防水工作，要确保所使用的防水卷材和涂料质量达标，并将其有效铺设于全外包防水层中，以便于提高结构防水质量，但要注意的是该方式不适合在暗挖施工中应用。尤其是在一些水分较为充足的区域实施顶管施工的时候，必须做好防水工作。一方面，要保障管节制作质量，避免其出现缺陷，否则容易因为管道节连接存在缝隙而造成漏水、渗水等问题；另一方面，还要把控好管道的水土压力和管道重力的合力，根据原有土层的实际情况来采取相应措施。在进行防水处理的时候，应当在预制管节的时候，于管节和管节之间预留钢板马牙槎，利用止水橡胶条来闭合管节顶进中的连接缝隙，需将注浆管预埋至管节连接位置，完成管节顶进施工之后，需要将防水材料高压注入于缝隙之中，以形成良好的封闭效果，加大防水力度，避免验收时发现管道内部出现渗水现象。

4.3 降低地面沉降

在实施顶管施工的时候，要开挖顶进工作面，此时会卸载土层压力，需使用管节来予以支撑。但是开挖的时候四周的土体会变得松弛，容易朝着开挖面膨胀，出现地面沉降问题。顶管施工中的地面沉降程度受诸多因素的影响，如管道大的尺寸，施工中所采用的掘进开挖方式，土层类型等。较大程度的地面沉降不仅会影响上部结构的稳定性，同时还可能破坏已经完成建设的市政管线。基于此，为了降低地面沉降，在顶管施工中需要保持一定厚度的浮土，实施土压平衡顶管技术。要合理调配泥浆平衡掘进面的水土压力，防止土层出现压力卸载情况，以免扰动土层。实际施工中要做好实时监测工作，以防止破坏性沉降现象的出现[8]。

4.4 加强长距离顶管施工管理

在进行长距离顶管施工的时候，需要控制好掘进阻力，从已经顶进管节前进时的侧摩阻力、掘进工作面水土压力等两方面着手管控，需要把控好顶管的顶进距离，最大顶程应当控制在70～100m之间，应当根据实际情况来把控长距离顶管施工质量。

4.5 有效应对顶管施工中的常见问题

在顶管施工过程中，为了保障顶管施工质量，应当针对施工中的常见问题实施有效的处理措施，以保障顶管水工质量，可从以下几个方面着手：一是要处理好管节接头的渗漏问题。通常情况下管节接头渗漏大多出现于膨润土压浆孔中，需要使用专门的止水钢环来进行处理，以止住接头位置的渗水。专用止水环由三片圆弧钢环组成，连接的时候要使用螺杆，外部要贴上止水橡胶片；二是要防止顶管施工中导轨偏移。一方面，要对导轨进行加固处理，或是根据实际情况来更换导轨。在完成导轨校正工作之后，需要对其进行固定和支撑，防止其偏移；另一方面，可使用型钢、钢板等材料作为垫木，并进行焊接固定；三是为避免顶管施工过程中出现顶铁外崩情况，要防止顶力偏斜问题的发生，实际施工中尽量使用一根长顶铁，以免纵顶铁出现较多接缝，处理好后背墙易压缩土；四是在应对管节破裂问题的时候，应该于施工过程中加强混凝土管质量检测工作，必须保证混凝土管质量达标，如若混凝土管存在裂缝，或是呈现出蜂窝麻面，则不可将其运用于实际施工中。如若混凝土管的管壁较薄，而且存在管端面不平的情况，需要将垫层添加至顶铁、管壁之间；五是为预防管节出现旋转或是偏移情况，需要加固顶油缸后座，使之更加稳定。如若发生了偏移，则要于初识顶进实施纠偏工作。如若管道在顶出洞口的5～15m以内，那么可使用主千斤顶来进行纠偏；如若是在管节顶进中出现偏移，那么一旦发现偏差就要进行纠偏处理，遵循缓慢纠偏原则。