劉長勇

摘 要：頂管技術(shù)具有降低噪聲、減少粉塵、減輕對交通條件和環(huán)境狀況的干擾和破壞等諸多優(yōu)點，在管道工程中具有重要的應(yīng)用價值。本文主要對這一技術(shù)的應(yīng)用進行具體闡述。

關(guān)鍵詞：頂管技術(shù);管道工程;頂進力

Abstract： Pipe jacking technology has many advantages， such as reducing noise， reducing dust， reducing the interference and damage to traffic conditions and environmental conditions， and has important application value in pipeline engineering. This paper mainly expounded the application of this technology.

Keywords： pipe jacking technology; pipeline engineering; jacking force

隨著城市化建設(shè)的不斷深入，市場對管道工程的需求量不斷增多。但傳統(tǒng)的管道工程需要大規(guī)模開挖施工，會在一定程度上影響周邊的生態(tài)環(huán)境，工程效率也相對較低。近年來，頂管施工技術(shù)逐漸被應(yīng)用于城市管道工程，它不需要開挖面層，直接穿越地面公路、河道、建筑物、地下管線等，不會干擾交通，也不會影響地面活動，大大縮短了工程工期，降低了工程成本。但是，頂管施工技術(shù)的應(yīng)用具有技術(shù)難度高、工程地質(zhì)勘測要求高等難點。為充分發(fā)揮頂管在管道工程中的作用，需要充分掌握其設(shè)計與施工技術(shù)。

1 頂管技術(shù)施工原理

頂管技術(shù)施工原理如下：根據(jù)施工方案在管道沿線設(shè)置工作井和具有堅硬后座的接收井，將要頂進的油壓千斤頂、鋼管、混凝土管等利用工作井的后座逐步頂進，再利用油壓千斤頂將油管、泥漿管、照明等管線慢慢頂進，利用壓漿系統(tǒng)在管節(jié)周圍形成泥漿套，使管道在內(nèi)滑行[1]。鋼管或混凝土頂進的過程中，需要一邊頂，一邊排土，一邊利用激光經(jīng)緯儀測量并調(diào)整頂管方向，直到將其全部頂進接收井里。

2 頂管施工工藝設(shè)計

管道工程中頂管施工工藝的設(shè)計要建立在對工程所在地質(zhì)情況準確勘測的基礎(chǔ)上，并結(jié)合具體工程概況進行設(shè)計。設(shè)計前，要清楚掌握頂管沿線的地質(zhì)情況和底層結(jié)構(gòu)，明確水文地質(zhì)情況、土壤特質(zhì)和空間分布，以及地下埋設(shè)物、障礙物的具體情況，從而確定管線埋設(shè)的深度和分布范圍。本文以某市排水工程為例，分析頂管技術(shù)的設(shè)計和施工。

2.1 準備工作設(shè)計

2.1.1 設(shè)置工作坑。設(shè)計的鉆孔灌注樁圍護結(jié)構(gòu)工作坑長10～11.5 m，樁徑600 mm。將樁徑為600 mm的旋噴樁雙排設(shè)置于工作坑外圍，構(gòu)成止水帷幕，采用壓密注漿對工作坑坑底以下進行加固，注漿孔的設(shè)置應(yīng)呈梅花形，設(shè)計1 m的間距，并設(shè)置兩道支撐裝置于工作坑中。

2.1.2 工具管選型。在工具管選型過程中，要確保頂管掘進機的性能與效果。實際設(shè)計中，應(yīng)充分結(jié)合工程地質(zhì)、施工條件、頂管管徑等情況進行工藝設(shè)計。例如，在雨水管管徑為1 500 mm的情況下，頂管施工可使用平衡性良好的泥水平衡頂管掘進機。該設(shè)備具有自動平衡功能，能對泥水室的泥水進行加壓處理，平衡地下水的壓力。為確保頂管工藝順利應(yīng)用，該設(shè)備還應(yīng)該具備主頂傾斜測試功能、速度監(jiān)測功能等，并將地表隆沉控制在±10 mm范圍內(nèi)，以確保工程的可靠性和安全性[2]。

2.1.3 頂進系統(tǒng)。可采用四缸推力為800 t，系統(tǒng)行程達到3 200 mm的四缸200 t雙沖程等推力油缸，將其組裝于油缸架上。為承受住頂進施工的后座受力和頂進受力，必須嚴格根據(jù)油缸設(shè)計圖確定油缸的中心位置，油缸中心誤差必須在10 mm內(nèi)。另外，向主頂液壓動力機組的供油可使用大流量斜軸式軸向柱塞泵，該機組對減少頂進過程的阻力具有重要作用。最后，從頂管工藝的實際需求出發(fā)選擇主頂系統(tǒng)[3]。

2.2 頂管間距及覆土設(shè)計

在頂管間距及覆土設(shè)計過程中，必須考慮地下管線之間的相互干擾和影響，需要充分考量頂管頂進時的管道分布情況，確定管道的垂直凈距和水平凈距。若管道相互平行，需要充分結(jié)合管道埋深情況、頂管管徑、土層的具體性質(zhì)等來確定管道間的水平凈距。一般情況下，管道水平凈距應(yīng)在管道外徑的1倍以上，管頂?shù)母餐翆雍穸葢?yīng)大于1.5 m，并控制在管道外徑的1.5倍范圍內(nèi)。覆土工程沿線一般為污水管道、雨水管道、電力電纜、通信電纜、給水管道等管線，其深埋存在一定差異，覆土設(shè)計過程中，必須確保不會對其造成影響，充分結(jié)合地下管線的具體情況進行設(shè)計。

2.3 管材與接口設(shè)計

首先，應(yīng)確保管材的質(zhì)量達到相關(guān)標準，重點考量管材的抗?jié)B性、外壓荷載、密實性等，并結(jié)合實際工程要求選擇管材。頂管接口的設(shè)計可采用F型鋼套環(huán)，并搭配承插式橡膠圈柔性接口，確保接口設(shè)計的合理性。

2.4 頂力計算

頂管頂進過程中所受到的阻力即頂力，工程施工技術(shù)、管道彎曲水平、土質(zhì)等因素都會對頂力產(chǎn)生影響。同時，工作坑后座墻結(jié)構(gòu)設(shè)計、千斤頂規(guī)格、頂管管材等后續(xù)內(nèi)容都會受到頂力的影響。為確保頂力計算的合理性，要嚴格按照頂管施工的總推力、頂進阻力、迎面阻力進行計算。

2.5 沉降觀測與沉降控制

沉降觀測對避免造成建筑物沉降、確保建筑物的安全性有著重要的作用。頂管工程施工中，管線沿線土壤會與頂管產(chǎn)生摩擦，在管道頂進時使工作井發(fā)生位移，從而損壞地層，引起地面沉降，進而會破壞管道，對建筑物的安全產(chǎn)生影響。因此，需要加強對水平位移和沉降量的觀測。沉井周邊及管道沿線為水平位移的主要觀測對象，可采用埋設(shè)側(cè)斜管的方式來觀測頂管施工中土體側(cè)向變形情況、沉井情況及對周邊環(huán)境的影響。相關(guān)規(guī)定要求，將每天水平位移速率控制在2 mm以內(nèi)，并保持連續(xù)3 d，控制累計水平位移不超出0.5%。沉降量的控制是沉降量觀測中的重點。沉降觀測點應(yīng)沿管道走向布置，在設(shè)置過程中，還應(yīng)充分結(jié)合地下管線分布。同時，還要時刻關(guān)注頂管施工過程中的隆起和沉降問題。相關(guān)規(guī)定要求，以工程開挖深度的0.5%為沉井周邊沉降的控制范圍，每天的沉降速率應(yīng)控制在2 mm以下，并保持連續(xù)3 d，沉降問題不得超過15 mm[4]。

3 頂管在管道工程中的施工技術(shù)

3.1 穿墻前注漿止水處理

利用壓漿止水的方法在頂管工作井穿墻洞口前方進行處理，利用黏土、水泥和石灰，以3∶1∶2的比例攪拌而成的注漿液體與自然土混合，固結(jié)后不僅能確保順利穿墻，而且具有擋土和止水的效果。為確保工具頭順利出洞，應(yīng)將洞口的攪拌范圍控制在4 m×4 m處。

3.2 穿墻

穿墻工藝主要是，將穿墻悶板打開，頂出工具管，安裝穿墻止水裝置。具體操作為：穿墻管內(nèi)填夯壓密實的紙筋黏土或低強度水泥黏土拌和土，以起到臨時性阻水擋土的效果。穿墻前利用注漿固結(jié)措施處理穿墻管外側(cè)，確保穿墻孔外側(cè)土體的強度和穩(wěn)定性。開啟悶板后立即將工具管推入，同時利用止水法蘭加壓板做好穿墻止水，利用具有較高耐磨性和延伸率、厚度為20 mm的天然優(yōu)質(zhì)橡膠止水板環(huán)防治穿墻外側(cè)土體產(chǎn)生擾動流變。

3.3 頂管出洞

頂管作業(yè)中，尤其要注意控制頂管出洞。首先，第一節(jié)管子要從井中破出洞口的封門進入土中，并開始正常頂管前的質(zhì)量控制工作。其次，為了防止管線出現(xiàn)偏斜，應(yīng)采取工具管調(diào)零，并在工具管下的井壁上加設(shè)支撐，工具管出洞前預(yù)先設(shè)定一個初始角彌補下跌等。在該過程中，要注意觀測頂進軸線，若發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)偏差，應(yīng)及時用主頂油缸進行糾偏。

3.4 注漿減阻

對于管道周圍的空隙，要利用壓注觸變泥漿進行填充，使之形成能夠支撐地層的泥漿保護套，減少地面沉降及頂進阻力。在長距離頂管施工中，適合采用注漿減阻的方法，在頂進工作開展的同時進行頂管機頭尾部壓漿，然后在中繼間和混凝土管道的適當(dāng)位置進行跟蹤補漿，以補充在中繼間的泥漿損失。

3.5 校正頂進偏差

注意控制頂進過程中的管位偏差，一旦發(fā)現(xiàn)偏差超過10 mm，需要立即校正。這一校正過程也就是糾偏，即機頭偏離設(shè)計軸線后，通過后部的糾偏千斤頂組緩慢地使機頭端面的方向發(fā)生改變，逐漸往中心靠近，從而減少偏差。糾偏過程不可猛糾硬調(diào)，需要緩慢進行，逐漸促使管子復(fù)位。若高程和方向偏差同時出現(xiàn)，應(yīng)優(yōu)先對偏差較大的一方進行糾正。在整個頂管施工中，需要不斷進行調(diào)整和校正，可采用趨勢圖的方式來校正和調(diào)整偏差。施工過程中，每0.5 m測量一次相關(guān)數(shù)據(jù)，并做好數(shù)據(jù)整理和分析，編制偏差趨勢曲線圖，以作為分析和糾正機頭偏差發(fā)展趨勢和管道偏差的依據(jù)。在不斷調(diào)整過程中，如果發(fā)現(xiàn)達到了相應(yīng)的峰值標準，則說明偏差值已經(jīng)開始減小，即前部管道機頭已經(jīng)逐漸靠近中心。一般情況下，頂進糾正最常用調(diào)整四臺糾正千斤頂組法，利用千斤頂牽制管道偏差，牽制的方向正好與管道偏差方向相反。若頂管機頭出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，一般通過管內(nèi)反作用力在中間站或在管內(nèi)加壓進行旋轉(zhuǎn)糾正[5]。

4 頂管施工技術(shù)要點

4.1 頂管長度

頂管法施工的頂力會隨著頂進距離的加大而不斷增大。頂管的管徑與其所承受的壓力成正相關(guān)，在一次頂進過程中，頂管設(shè)備的承受力有限，因此，頂進管的長度不可過長。頂管過程的經(jīng)濟性和可控性都與頂進管的長度有直接關(guān)系。例如，在直線推頂?shù)那闆r下，使用長管可以減少裝管次數(shù)。另外，在預(yù)壓坑的建設(shè)過程中，增大預(yù)壓坑的長度，能減少直線上推頂管線的阻力，防止管列出現(xiàn)彎曲變形，保障管路頂進的可控性。最后，施工時，管線的長度應(yīng)結(jié)合管徑的大小來確定，參考標準為：當(dāng)L/D外≥2.10則為長管;L/D外=1.15則為標準管;L/D外≤1.10則為短管[6]。

4.2 利用觸變泥漿進行頂管

利用觸變泥漿進行頂管能有效降低30%～50%的頂力，具有良好的潤滑性、穩(wěn)定性和觸變性，對減小頂管時的阻力有重要作用。在使用頂管技術(shù)時，需要在管壁外部留一些孔洞向外壓送觸變泥漿，使得管外壁和土層間的摩擦作用減小。同時，將觸變泥漿套裹在管子外壁上，產(chǎn)生一定的浮力，減少頂力。觸變泥漿由水、堿、膨脹土以一定的比例調(diào)配而成，在沒有外力影響的情況下為黏稠狀態(tài)，對其攪拌后會變得稀薄，狀態(tài)發(fā)生改變。

4.3 頂管工具的規(guī)格及中繼間的設(shè)置

常用的頂管工具有頂管機、高壓油泵系統(tǒng)、千斤頂?shù)取榱烁玫匕l(fā)揮頂管技術(shù)的效果，在施工過程中，要對相關(guān)工具的數(shù)量、規(guī)格等做好調(diào)整。另外，明確中繼間的設(shè)置要點。所謂“中繼間”，就是當(dāng)頂管段太長或者頂力過大時，為了減少頂力可將管道分成數(shù)段，使每一段成為一個獨立的頂進單元，在每單元間有可伸縮的工具管，工具管內(nèi)設(shè)置千斤頂及高壓油泵等設(shè)備，前段以后段為后背，分段接力頂進。

4.4 工作井和支承后背的要求

嚴格按照相應(yīng)的施工建設(shè)標準和規(guī)定處理工作井擋土板。為確保頂管技術(shù)的效果，最好在充分考慮中心線、水平或坡度、高程等因素的情況下，在坑底的道木頂上設(shè)置導(dǎo)軌來提高管道的潤滑度。支承后背的兩種形式為人工后背和原土層后背。通常來說，150 kPa為原土后背及一般土質(zhì)所能承受的頂力，為了讓后背更加均勻，可利用頂管的反作用力進行處理，后背的設(shè)置應(yīng)按照頂管的直徑設(shè)置在垂直于管線的方向上，從而減少阻力。若為小直徑管道，在施工時間充足的情況下，可設(shè)置鋼筋砼或砌石后背，如果施工時間緊迫，則可設(shè)置簡易后背。

5 結(jié)語

頂管施工技術(shù)在管道工程中具有重要的應(yīng)用價值，具有多方面的優(yōu)勢，是一項兼具高效性和環(huán)保性的施工技術(shù)。在頂管施工技術(shù)的實際應(yīng)用過程中，工組人員要了解頂管施工工藝設(shè)計、施工流程、重點施工工藝等，提高頂管施工的質(zhì)量和效果。

參考文獻：

[1]游作華.頂管施工技術(shù)在實際市政工程中的實踐探究[J].江西建材，2014（16）：57.

[2]王圣成.市政工程給排水施工中頂管技術(shù)的應(yīng)用分析[J].中華民居（下旬刊），2014（3）：350-351.

[3]張振.超大矩形斷面頂管隧洞開挖引起的地表沉降研究[D].鄭州：華北水利水電大學(xué)，2016：74.

[4]徐洪強.雙通道矩形頂管下穿城市道路施工技術(shù)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2020：130.

[5]劉永忠.城市重建道路與建筑給排水管網(wǎng)的選擇與施工[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2010（12）：151-152.

[6]蔣志剛.大直徑鋼頂管非線性屈曲及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[D].南京：南京林業(yè)大學(xué)，2015：84.