市政给排水工程中长距离顶管施工技术分析

刘 雄 杨文中 王 艳

（1.武汉市水务建设工程有限公司， 湖北 武汉 430015；2.武汉市市政建设集团有限公司，湖北 武汉 430000）

0 引言

市政给排水工程是为城市提供安全、高效的供水和排水系统的重要基础设施，包括供水、排水、污水处理和雨水管理等方面，可有效减轻城市排水压力[1]。在市政给排水工程的支持下，市区污水可通过管道输送到污水处理厂处理，去除其中的有害物质和污染物，使其达到环境标准后排放；雨水也可以通过排水雨水管道或河道排放到适当的水体中，以避免城市内的积水和洪涝。然而，市政给排水工程施工通常需要在地下进行大规模的管道铺设，这涉及到克服地质条件的变化，如土体类型、地下水位和地下障碍物等；施工人员需要合理选择适当的施工方法和设备，同时保证管道的稳定性和持久性；城市中已经存在大量的地下设施，如电缆、天然气管道和其他公用管道等，在市政给排水工程施工过程中，需要避免损坏或干扰这些设施。因此，市政给排水工程需要开展细致的勘测和定位，采取相应的保护措施[2]。对于城市中心或繁忙区域的市政给排水工程，对交通和周边居民会产生影响，这需要采用有效的施工方式，才能够保障工程顺利进行。

中长距离顶管施工技术是一种通过在地面上设立准备井和推进井，并利用土体掘进机、推进机和重力等力量推动管道的施工方式[3]。该施工方式在准备井中安装和调节推力设备，通过推进机将管材推入地下，同时在推进机后方掘进机不断掏土，使管道不断向前推进。本文结合案例工程对市政给排水工程中长距离顶管施工技术进行分析。

1 工程概况

武汉市污水管网工程，全长4092m，全线共涉及30座沉井，其中分别为15座工作井与15座接收井，沉井均为钢筋混凝土结构。主要管径为三种，分别为D1000（166m）、D1200（2793m）、D2000（1133m），不同顶进区间的地层结构如表1所示。

表1 市政给排水工程顶进区间地层分析

通过表1的地层分析可知，在该工程施工过程中，存在三个中长距离顶管的区域。本文对中长距离顶管施工技术在该项目施工中的应用进行介绍。

2 中长距离顶管施工技术研究

2.1 中长距离顶管施工控制

在进行中长距离顶管施工过程中，需要采用合理的控制手段，对施工的土压平衡以及注浆压力进行控制，才能够有效保障管道顶进施工质量。

2.1.1 顶管施工土压平衡控制

在顶管施工中，土压平衡是指通过控制顶管推进速度、摩擦力等参数，使得推进的顶管与周围土体之间的土压力保持平衡，以确保施工的安全和顺利进行[4]。在顶管顶进过程中，土压力初始值为0.1～0.15MPa左右，而初始顶进距离为20～30m，为确保工程顺利施工，需要在施工开始前计算顶力，结合计算结果选取合适的顶进设备，才能够避免顶管顶进过程出现大幅度偏差，采用如下公式计算顶力：

式中：

P——管道的总顶力；

f——管道顶进时其与周围土体的摩擦系数；

ω——管道单位长度的自重；

L——管道顶进长度；

θ——弧形基础支角；

PF——在顶进过程中，第一节管道的迎面阻力；

Dav——第一节管道切土的刃角平均直径；

R——挤压阻力；

t——切土时的刃角厚度；

F——承口钢管厚度。

在顶管施工过程中，需要实时监测土压力的变化，并通过调整推进速度和顶力来保持土压力的平衡，从而实现土压平衡控制。

2.1.2 注浆减摩控制

在顶管施工过程中，注浆减摩控制可以减少顶管与地质之间的摩擦力，从而降低推进阻力，确保施工的顺利进行。同时可以降低顶管受力过大导致破损的风险，保护顶管的完整性。为此，需要根据地质的摩擦特性和施工需求，合理控制注浆时间和注浆压力[5]。具体设计注浆减摩控制过程如下：

（1）触变泥浆施工配合比设计：通过合理的泥浆配比，可以保障顶管施工的稳定性，为此，设计黏性土层泥浆配比为膨润土∶水=1∶10；粉砂、碎石层配比为膨润土∶水=1∶8。设计触变泥浆比重为1.05～1.06g∕cm3。

（2）触变泥浆制作：根据图1所示的工艺流程，开展触变泥浆的制作，保障材料质量。

图1 触变泥浆制作方式设计

（3）注浆时间、压力控制：每次注浆需要严格控制在3min以内。为保证注浆连续性，通过三活塞变量注浆泵进行注浆工作，从而控制注浆压力，降低泥浆的渗流作用，确保泥浆连续供应。

2.2 中长距离顶管施工工艺流程设计

当通过上述内容设计好施工控制技术后，即可对施工工艺步骤进行详细规划，案例工程中长距离顶管施工步骤如图2所示。

图2 顶管施工步骤设计

按照图2施工步骤，进行中长距离顶管施工，并通过如下内容，对每一施工关键环节进行详细介绍。

2.2.1 施工准备

确保工作井沉到位，并检验封底混凝土是否达到目标强度，经过现场检验人员检验合格后，在工作井、接收井周围设置防护围栏。根据设计要求和施工计划，准备好所需的顶管材料，包括管道、阀门、配件等。同时，准备好施工所用的水、电设施。检查、维护并确保所需的施工设备正常运行，并进行必要的调试和试运行。

2.2.2 设备安装

在施工开始前对如下设备进行安装，完善施工所需的相关设施（表2）。

表2 设备安装准备

根据表2内容，准备好施工相关设施，保障施工质量。

2.2.3 掘进机进洞

为确保掘进机安全进洞，需在施工之前在土体外侧进行加固，使用水泥搅拌桩加固方式，保证出洞口的土体具备止水能力。当掘进机准备进洞时，机器头部快速接近挖掘面，并开启刀盘切削系统开始土体切削作业，同时，为避免掘进机头部发生磕碰问题，需要将导轨延伸一定长度，并连接掘进机头部与前3节管道，从而保证掘进机的稳定前进。

2.2.4 管道顶进施工

（1）管节拼装：将需要使用的管节和连接件准备好，检查管道的连接口和密封件是否完好，并检查每个管节的接头，确保其质量符合要求。按照要求将橡胶环安装在连接部位，并紧固螺栓。连接完一段管节后，进行校正与固定。使用水平仪或测量工具进行管道的校正，以调整管道的水平或垂直度。然后使用固定架将管道固定在预定位置上。完成管节连接后，应检查连接处的密封性能。

（2）管道顶进：将顶进推进机安装在管道的末端，并进行调整，使其对准管道的轴线。启动推进机，根据设计要求控制推进速度和力量。在推进过程中，应进行监测和调整，确保推进的稳定和准确，在必要时进行调整，以保持管道在正确的轨道上推进。在顶进过程中，当遇到隧道积水或泥浆的问题时，需要进行抽水、排泥等工作，保证顶进的平稳进行。当管道推进到目标位置后，停止推进机的工作，进行必要的固定和密封处理。

2.2.5 注浆施工

确定注浆孔位置，并使用钻机在预定位置进行钻孔；将注浆管插入钻孔中，确保管道底部与注浆孔底部接触，并紧密固定注浆管。根据设计要求和地层条件，将注浆材料按照一定比例配制；启动注浆泵，将注浆材料通过注浆管注入到孔洞中，注浆过程中，应确保注浆材料充分填充孔洞，同时应控制注浆泵的注浆压力和流量，确保注浆材料充分填充地层，使其达到要求的加固效果。

2.2.6 掘进机出洞

当掘进机推进到设计的终点位置时，停止掘进机的工作，并进行必要的固定和密封处理，确保顶管的稳固和安全。

3 结果与讨论

当通过上述设计的施工技术完成中长距离顶管施工后，为检验施工质量，利用经纬仪测量顶管与轴线高程的误差情况，通过测量结果评估该施工方案的施工效果。

分析在顶管施工过程中，不同里程施工处与设计高程基线的误差情况，以此评估顶管施工的效果，分析结果如图3所示。

图3 顶管施工平面误差分析

在不同施工里程下，案例工程顶管施工的结果与轴线高程的误差并不高，从图3可知，该误差基本保持在-20～20mm的合理范围内，因此，该施工方案具有良好的稳定性，可以有效提高市政给排水工程施工质量，加快施工效率。

4 结束语

综上所述，应用中长距离顶管施工技术可以有效解决市政给排水工程中的一些挑战性问题。通过该技术，可以实现输水管道的顺利铺设，减少对交通和环境的影响。在实际施工中，可以根据具体情况选择合适的顶管方法和设备，以确保施工质量和安全。相对于传统的地面施工方式，中长距离顶管施工技术能够提高施工效率，通过掘进机械的使用，可以实现迅速推进和铺设管道，减少施工时间和人力成本。同时该施工技术减少了地面开挖和噪音、粉尘的产生，减少了对地表环境的破坏和污染，对城市交通和居民生活的干扰较小。因此，该施工方式可以确保顶管施工的顺利完成。