歐雪峰，屈 星，王 磊，胡軍然

(1.長沙理工大學(xué)橋梁工程控制教育部重點實驗室，湖南 長沙 410000； 2.長沙理工大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410000； 3.中交四航局第七工程有限公司，廣東 廣州 510000)

1 概述

隨著我國城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)改造步伐不斷加快，城鎮(zhèn)污水管網(wǎng)的改造與管理，關(guān)系到污水收集的效率和居民生活工作環(huán)境的質(zhì)量。大力發(fā)展城鎮(zhèn)污水管網(wǎng)改造工程項目和不斷提高市政污水管網(wǎng)管理水平，對改善城鎮(zhèn)居住環(huán)境、提高城鎮(zhèn)居民幸福感具有重要意義，是未來國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資的主要方向之一。

在城區(qū)復(fù)雜環(huán)境下進行市政管線鋪設(shè)時，作業(yè)范圍通常緊臨建筑設(shè)施，從而導(dǎo)致施工難度增大。針對市政管網(wǎng)施工，當下常規(guī)采用頂管施工及定向鉆牽引施工[1-3]，傳統(tǒng)工法雖然實現(xiàn)了不間斷交通，但仍面臨對周圍環(huán)境及設(shè)施破壞大的問題，同時還存在所需施工空間大，標高控制不準等短板。

而非開挖式拉頂管施工工藝的出現(xiàn)，從根本上解決了在房屋建筑密集的街巷以及作業(yè)空間狹小的城中村鋪設(shè)雨污管網(wǎng)的這一困擾市政管道工程行業(yè)多年的難題。該工藝結(jié)合了傳統(tǒng)的先導(dǎo)式拉管和頂管施工的優(yōu)點，實現(xiàn)了工程與周邊社會環(huán)境的和諧，提高了效率和質(zhì)量，具有無可比擬的優(yōu)勢及推廣價值。

2 工程概況

肇慶市端州城區(qū)污水管網(wǎng)改造工程，項目包括完善排水管工程、改造排水管工程、城中村污水管工程、完善污水管及堤岸加固工程。項目實施排水管網(wǎng)總長約120.76 km，其中拉頂管施工工程量為35.03 km，占比為29%。施工范圍位于肇慶市端州城區(qū)，西江中下游北岸，屬于珠江三角洲經(jīng)濟區(qū)范圍。

市政城區(qū)管線穿越地層主要為第四系人工填土層和第四系沖淤積層，且大部分鉆孔下臥層存在深厚的淤泥質(zhì)土。如使用頂管工藝進行施工，則易出現(xiàn)管道滑移及頂管機頭難控制，最終將導(dǎo)致管道線型及標高偏差較大無法順利出洞，施工質(zhì)量較難控制。如果使用定向鉆牽引施工，由于作業(yè)區(qū)域周邊商鋪密集，交通量較大，人員協(xié)調(diào)難，不具備施工條件。因此，針對現(xiàn)場的實際工況，采用非開挖式拉頂管施工工藝進行施工。

3 拉頂管施工工藝分析

3.1 工藝原理

非開挖式拉頂管施工工藝原理是首先采用水平定向鉆導(dǎo)向技術(shù)確定管道標高和軌跡，再利用水平定向鉆設(shè)備的回拖拉力和管道尾部頂管設(shè)備頂力的共同作用，將管道拉頂至設(shè)計高程，使管道在兩個或多個井內(nèi)連通。

先導(dǎo)頂拉管是一種采用水平定向鉆導(dǎo)向技術(shù)進行導(dǎo)向，同時采用定向鉆機提供扭矩及拉力而通過動力外置式微型隧道掘進機對土體進行破除，并可實現(xiàn)管道同步鋪設(shè)的非開挖鋪管技術(shù)。其主要施工步驟為導(dǎo)向孔的施工及管道頂拉鋪設(shè)，工程設(shè)計主要包括場地勘察、管材選擇、軌跡設(shè)計、工作井設(shè)計、泥漿方案、擴孔設(shè)計、機械選型等部分，本文將對具體設(shè)計方法及關(guān)鍵施工技術(shù)進行具體闡述。

水平定向鉆導(dǎo)向采用井內(nèi)導(dǎo)向方式，定向鉆機直接在工作井內(nèi)將鉆桿送入指定標高平面。當鉆桿鉆至接收井后，在接收井內(nèi)卸下導(dǎo)向鉆頭，并安裝牽引機頭進行反向擴孔掘進。同時，在機頭后面安裝柔性密封自鎖承插接口實壁短管，對管道進行反向承拉錨固。

拉頂掘進時，水平定向鉆機通過特制短鉆桿給牽引機頭傳遞回拉力，用以克服牽引機頭的迎面阻力，余力則通過傳力鉆桿傳遞至管尾連接的后頂板及錨環(huán)，同時，工作井中的液壓千斤頂實施頂推工作，在拉力與頂力的結(jié)合下實現(xiàn)反向拉頂管道貫入土層及安裝，非開挖式拉頂管施工原理如圖1所示。

3.2 技術(shù)要點

非開挖式拉頂管施工工藝是一項結(jié)合了傳統(tǒng)拉管和頂管施工優(yōu)勢的管道鋪設(shè)新工藝，適用口徑小于DN800的管道。在拉頂管施工過程中，在管軸方向和垂直管軸方向上受到各種荷載作用，荷載主要有地表荷載、管道自重、土壓力、管壁摩阻力、迎面阻力、拉力，以及頂推力等。管道的受力非常復(fù)雜，處于三向應(yīng)力狀態(tài)[4]，拉頂管施工過程中管道受力分析如圖2所示。迎面阻力大小由土層和管徑參數(shù)所確定，而管壁與土體之間的摩阻力則主要由管土摩擦系數(shù)以及管道上方土壓力影響，管道在拉頂過程中所受到的總摩阻力會隨管道鋪設(shè)長度的增加而增大。因此，通過采用膨潤土泥漿來降低管土接觸表面的摩擦系數(shù)值，從而將降低管壁摩阻力[5]。

3.3 工程優(yōu)勢

管材優(yōu)勢：非開挖式拉頂管施工工藝實現(xiàn)了管內(nèi)出土連續(xù)性和機械化，解決了部分地區(qū)地下水位高，施工難度大等問題。采用柔性密封自鎖承插接口實壁管，管道接口自鎖，抗震抗剪，不易脫節(jié)，實現(xiàn)了無需熱熔對接設(shè)備焊接，避免了接口內(nèi)翻邊及接頭滲漏問題。管道采用PE材料，消除了管壁內(nèi)部應(yīng)力，不易變形，可抗拉裂，適應(yīng)不均勻沉降。

井位優(yōu)勢：拉頂管施工工藝適用于既不允許開挖路面且工作面較小的狹窄區(qū)域，其工作井規(guī)格一般為2.5 m，可與普通檢查井尺寸相媲美，而接收井則最小可做到1.5 m。相較于同管徑頂管工作井的8 m和接收井5 m尺寸，極大的節(jié)省了作業(yè)空間。同時，由于頂管工作井規(guī)格大，且需制作靠背，其造價較為昂貴，約需300萬元/個～600萬元/個，而拉頂管工作井則僅需18萬元/個。此外，頂管工作井施工工期也更長，約需30 d/個，而拉頂管工作井則只需7 d/個，有效地節(jié)約了工程造價和工期。

環(huán)境優(yōu)勢：相較定向鉆牽引施工工藝的造斜段施工，非開挖式拉頂管為井內(nèi)施工，工作面較小。采用拉頂方式結(jié)合，管道拉頂速度較易控制，不會改變管道周邊土體的性質(zhì)，能較好地保持原土的穩(wěn)定性，對地層擾動較小，極大的減小了對周邊建構(gòu)筑物的影響。管道拉頂作業(yè)時，僅在拉力或頂進阻力過大時才采取注漿方式進行減阻，且該注漿方式所產(chǎn)生的出土量僅為傳統(tǒng)頂管的2/3，能較好的實現(xiàn)工程與周邊社會環(huán)境的和諧。

4 拉頂管施工工藝流程

4.1 井位施工

非開挖式拉頂管施工采取先做井后導(dǎo)向鉆進，再擴孔掘進，最后管道拉頂?shù)墓ば?。在井位施工前，需根?jù)附近受保護對象的重要性及其與井位距離的大小，在井位四周施工防止土體滲漏的高壓旋噴樁及止水帷幕，可避免井體周邊土體流失，進而降低井位沉降對周圍環(huán)境的影響。

導(dǎo)向鉆進前，需要在井壁上的管道穿越部位提前預(yù)留洞眼，以利于鉆桿及管道的順利穿越。同時，為防止周圍巖土或泥漿沿管道流向井內(nèi)，應(yīng)在洞眼周邊安裝橡膠止水圈，用以封堵管道與洞眼間的縫隙。

4.2 導(dǎo)向鉆進

井位制作完成后，開始導(dǎo)向鉆進工作。為確保管道的流水標高控制精準，需在入鉆方向井位安裝定位輪或者開中心為小洞。首根鉆桿入土?xí)r需嚴格控制鉆進速度，采用輕壓慢轉(zhuǎn)的鉆進方式。同時，為了實現(xiàn)精準鉆進，需要采用專用的信號探測儀-導(dǎo)向儀進行鉆孔軌跡監(jiān)測。將探棒放至鉆具中，通過電磁波發(fā)射給地面跟蹤儀，可測出鉆頭埋深，從而實時監(jiān)測鉆頭位置，便于設(shè)備操作人員根據(jù)實況及時調(diào)整鉆進軌跡及速度。

4.3 擴孔掘進

當導(dǎo)向鉆鉆至接收井后，在接收井內(nèi)卸下原導(dǎo)向鉆頭，根據(jù)土層的承載力來決定是否預(yù)擴孔，擴孔階段可在擴孔鉆頭上增加導(dǎo)流槽或在拉管帽開孔，用以減小迎面面積，使泥漿進入管道內(nèi)部，既減小了迎面阻力又減小了摩擦阻力。根據(jù)所施工管線的規(guī)格以及鉆孔機的能力進行多次擴孔，循環(huán)操作直至預(yù)擴孔和清孔工序完成。

4.4 管道拉頂

擴孔施工完成后，在接收井內(nèi)卸下擴孔鉆頭，并安裝牽引機頭，并在機頭后安裝柔性密封自鎖承插接口實壁短管節(jié)，通過特制的連接短鉆桿、后錨頂板及錨環(huán)，對管道進行反向拉頂錨固。由于管節(jié)是塑料材質(zhì)，在傳力桿鎖緊的情況下會產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，故管道在拉頂施工過程中剛性會明顯增強。鉆進并回拖拉頂管道施工時應(yīng)配備真空泥漿車配合，泥漿直接進管，平衡地下壓力，減輕頂管阻力。

拉頂掘進時，掘進頭通過特制短鉆桿給牽引機頭傳遞回拉力，用以克服牽引機頭的迎面阻力，余力則通過傳力桿傳遞至管尾連接的后頂板及錨環(huán)，同時，工作井中的液壓千斤頂實施頂推工作，在拉力與頂力的結(jié)合下實現(xiàn)反向拉頂管道貫入土層及安裝。施工時，待一節(jié)段完全頂入土層后，再在管道尾端接入下一節(jié)段，依次完成本步驟，直至貫通另一側(cè)接收井，管道成型，管道完成后宜結(jié)合CCTV檢測采用內(nèi)滲法進行密閉性檢查。施工工藝流程如圖3所示。

5 結(jié)語

通過肇慶市端州城區(qū)污水管網(wǎng)改造工程對非開挖式拉頂管施工工法的應(yīng)用，有效的解決了端州城區(qū)市政地段施工難題。工程中采用柔性密封自鎖承插接口實壁短管，可分節(jié)段在井內(nèi)依次拉頂施工，降低了施工面的需求。井位尺寸優(yōu)化幅度大，在節(jié)約工程造價和工期中取得了良好的效益。工藝采用拉頂方式結(jié)合，對地層擾動小，極大的減小了對周邊建構(gòu)筑物的影響，在安全和質(zhì)量控制上亦取得良好效果，可為以后同類工程施工決策、方案調(diào)整提供科學(xué)依據(jù)，具有無可比擬的優(yōu)勢及推廣價值。