王曉楠

（廣東省建筑設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

0 引言

在市政排水管道施工中，國內(nèi)采用較多的非開挖工藝為頂管工藝和水平定向鉆工藝。其中，頂管工藝相較于傳統(tǒng)的開挖施工可以減少對地面的影響，提高施工安全性，對復(fù)雜地形的適應(yīng)性也較強，但頂管井和接收井的施工周期較長，糾偏困難，頂進精度不高，對于小管徑管道來說施工成本較高，對土體及周邊擾動大，地基處理困難[1]。而水平定向鉆工藝起源于油田鉆進技術(shù)，其將石油工業(yè)的定向鉆進技術(shù)和傳統(tǒng)的管線施工方法結(jié)合在一起，施工速度快、成本低，廣泛應(yīng)用于供水、煤氣、電力、電訊、天然氣、石油等管線鋪設(shè)施工工程中。該工藝施工所需的空間小，但是標(biāo)高控制不夠準(zhǔn)確，且在拉管中管道軸向受力大，容易造成軸向變形[2]，使其在排水管道施工中受到一定的限制。

頂拉管工藝是由頂管工藝和水平定向鉆工藝改進的施工工藝，該工藝結(jié)合了兩者的優(yōu)點，由于其環(huán)保、高效、適應(yīng)性強等特征，正逐步獲得推廣應(yīng)用。

1 頂拉管工藝流程

頂拉管工藝?yán)盟蕉ㄏ蜚@施鉆造斜段，鉆頭穿入近端工作井后，沿著管道設(shè)計中心線鉆進，從近端的工作井鉆至遠端工作井；在遠端工作井內(nèi)卸下導(dǎo)向鉆頭，安裝比設(shè)計管道外徑稍大的反向掘進鉆頭，進行反向擴孔，反向掘進鉆頭后方連接分動傳力連接桿和管頭連接罩，通過管頭連接罩與設(shè)計管道連接；在管道后端設(shè)置錨環(huán)、特制連接短鉆桿及管道后端頂板，通過后端頂板的作用力將管道往前推進并完成自鎖連接。施工過程中，管道基本只承受井壁與土壤之間的摩擦力，相比于水平定向鉆技術(shù)和頂管技術(shù)，管道施工過程中的軸向受力小，軸向變形少。頂拉管工藝流程如圖1所示。

圖1 頂拉管工藝流程

2 頂拉管技術(shù)要點

頂拉管工藝包含以下4 個關(guān)鍵環(huán)節(jié)：前期工作、工作井施工、定向鉆導(dǎo)向及擴孔鋪管。

2.1 前期工作

前期工作包括場地勘察、管材選擇、管道設(shè)計等，是頂拉管施工的基礎(chǔ)和依據(jù)，詳盡合理的前期工作可以減少施工過程中的風(fēng)險，提高施工效率，降低施工成本。

2.1.1 場地勘察

場地勘察包括地形測量、管線探測和地質(zhì)勘探，通過地形測量，了解施工場地周邊的環(huán)境情況，如道路寬度、構(gòu)筑物分布、水系分布等，作為管路設(shè)計的基礎(chǔ)資料。通過管線探測摸清場地埋地管線分布位置、標(biāo)高、規(guī)格、材質(zhì)，以確定新建管道的平面位置和豎向標(biāo)高。施工場地的地質(zhì)條件對頂拉管工藝影響較大，通過地質(zhì)勘探掌握地層的分布情況、地下水位高程情況，設(shè)計時根據(jù)地質(zhì)勘探資料采用合理的處理措施。

2.1.2 管材選取

頂拉管工藝要求所選用的管道應(yīng)能滿足剛度要求，同時也需要具備一定的柔性，工程中采用雙密封自鎖承插接口復(fù)合實壁管，該管道具有以下優(yōu)點。

（1）剛?cè)峒鎮(zhèn)?。管道為實壁塑料管，能滿足管道剛度的要求，同時具備足夠的柔性以滿足施工工藝和地質(zhì)不均勻沉降的要求。

（2）管道連接可靠、方便。管道采用承插連接，在承口的內(nèi)側(cè)和插口的外側(cè)為鋸齒狀的條紋，確保管道在抗拉和抗壓的工況下均能保持有效的結(jié)構(gòu)連接，管道接口處的膠圈確保了管道接口的密封性，在施工過程中，通過后擋板的頂力即可實現(xiàn)管道的連接。

（3）管道輕便、短小。該管道最小的管節(jié)為0.50 m，輕便短小的管材能夠滿足小空間的安裝需求，特別適用于場地局促的建成區(qū)[3]。

2.1.3 管道設(shè)計

管道設(shè)計是前期工作中的核心，包括管道工藝設(shè)計和管道結(jié)構(gòu)設(shè)計。工藝設(shè)計確定管道的平面位置、管徑、豎向標(biāo)高及工作井間距；結(jié)構(gòu)設(shè)計確定工作井井型和施工方案。根據(jù)形狀的不同，工作井分為圓形井和方形井，圓形井受力條件好，方形井可應(yīng)用于場地寬度受限處，工作井的施工方案有開挖法、逆作法和沉井法，設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)場地環(huán)境和地質(zhì)條件的不同，選取合適的井型和施工方案。

2.2 工作井施工

根據(jù)定向鉆機的放置位置，將頂拉管工藝分為兩種工況：定向鉆機放置在地面的地面式工況和定向鉆機放置在檢查井內(nèi)的坑式工況?？邮焦r由于設(shè)備放置在工作井內(nèi)，對工作井空間需求較大，工作井直徑通常大于2.5 m，而地面式工況工作井直徑可以采用2.0 m，甚至1.5 m。當(dāng)施工場地交通繁忙或地面存在敏感設(shè)施時，建議采用地面式工況，以減小對現(xiàn)狀地面設(shè)施的破壞，頂拉管井可采用現(xiàn)澆或預(yù)制檢查井，現(xiàn)澆檢查井現(xiàn)場適應(yīng)性好，可以根據(jù)現(xiàn)場排水管接入情況調(diào)整孔洞位置，較為靈活，但施工工期長。預(yù)制檢查井批量化生產(chǎn)，可以大幅縮減施工工期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，但遇到現(xiàn)場調(diào)整時，會對井的整體結(jié)構(gòu)造成一定的破壞。

工作井施工方式可采用支護開挖施工、逆作法施工或者沉井施工[4]。支護開挖施工需要對場地進行鋼板樁支護，對周邊場地的擾動較大，敏感區(qū)域謹(jǐn)慎采用；逆作法施工可以減小對周邊場地的影響，施工可控性較好，但需要對井周邊加注止水樁，工程造價較高；沉井法施工適用于土質(zhì)較軟、地下水位較高的地段，但在沉井過程中遇到管線或漂石等障礙物時，處理較困難。

2.3 定向鉆導(dǎo)向

定向鉆導(dǎo)向孔施工是頂拉管工藝的關(guān)鍵步驟，地面式工況將導(dǎo)向鉆機放置于井外，通過造斜段使導(dǎo)向鉆頭到達設(shè)計標(biāo)高，整鉆頭角度，按設(shè)計管道中心標(biāo)高鉆進至第一個工作井，穿過預(yù)留孔洞后沿著設(shè)計管道中心標(biāo)高穿入下一個工作井，這種工藝可以減小工作井徑尺寸，降低對地面設(shè)施的影響，但標(biāo)高控制難度較大。此外，還有一種導(dǎo)向方式，即為井內(nèi)導(dǎo)向，將導(dǎo)向設(shè)備放置在井內(nèi)，工作井直徑較大，但標(biāo)高控制較為準(zhǔn)確。

2.4 擴孔鋪管

擴孔鋪管為頂拉管工藝的核心步驟。完成定向鉆導(dǎo)向后，在工作井內(nèi)將導(dǎo)向鉆頭更換為反向擴孔掘進鉆頭，該鉆頭沒有內(nèi)置動力，依靠定向鉆機提供拉力及擴孔所需的切削扭矩，在反向擴孔鉆頭后面連接傳力桿，傳力桿與特制連接短鉆桿連接，可以根據(jù)施工進程不斷將特制連接短鉆桿進行連接加長，在管道后面安裝后端頂板，當(dāng)管道貫入土層以后，再加長連接短桿，并安裝第二節(jié)管道，管道接口形式采用雙密封自鎖承插接口，通過導(dǎo)向機傳導(dǎo)至后端頂板的頂力，即可實現(xiàn)兩節(jié)管道的咬合連接，重復(fù)以上步驟，直至完成整個管段的安裝。在此過程中反向掘進鉆頭的直徑要根據(jù)管道直徑來選取，通常掘進鉆頭的直徑比管道直徑大50 mm 左右即可，這樣既能減小管道在頂拉過程中的受力，確保管道的順利敷設(shè)，又不會因為管道周邊空隙太大而導(dǎo)致地面沉降和塌陷，影響公共安全。地面式頂拉管工作如圖2所示。

圖2 地面式頂拉管工作

3 技術(shù)特點

頂拉管工藝因其獨特的優(yōu)勢，獲得業(yè)內(nèi)認可和應(yīng)用，該工藝具有以下優(yōu)點。

（1）施工周期短、效率高。頂拉管工藝無須進行大范圍的支護開挖作業(yè)，工作井井徑小，且其獨特的管道連接方式方便、可靠，大大縮減了施工周期，提高了工作效率。

（2）施工質(zhì)量控制好。施工過程中管段一次性頂拉到位，整體性好，在施工過程中管道受到的軸向力小，軸向形變小，減少了管道施工過程中的結(jié)構(gòu)性缺陷，確保了管道施工質(zhì)量，另外擴孔鉆頭的外徑僅需略大于管道外徑，標(biāo)高控制準(zhǔn)確[5]。

（3）施工安全性好。頂拉管工藝為非開挖施工，相對于明開挖施工，其安全性好，且頂拉管工藝工作井徑小，施工周期短，難度小，可減小施工過程中不可控風(fēng)險。

頂拉管工藝獲得了成功應(yīng)用，但目前還沒有出臺相應(yīng)的設(shè)計和施工標(biāo)準(zhǔn)，無法為設(shè)計和施工提供規(guī)范的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和工藝做法，且由于頂拉管工藝需要管材能承受一定的頂力，需要采用實壁塑料管，管材成本比較高。

4 工程案例

象角涌位于中山市沙溪鎮(zhèn)，起點為康樂北路，中游有沙溪一涌從西北側(cè)匯入，河道整體流向為自東北向西南，流入沙溪涌，總長0.97 km，寬度約8 m。由于片區(qū)周邊沒有完善的市政污水管，區(qū)內(nèi)生活污水直接或間接排至象角涌，導(dǎo)致河涌水體重度污染，黑臭嚴(yán)重。

為了解決河涌黑臭問題，本工程完善了象角涌周邊的市政污水管，新建污水主管位于康樂北路，管徑為DN40～DN500，管道埋深2.60～7.05 m，康樂北路為片區(qū)的市政主干道，道路寬37 m，其中車行道寬16 m，由于非機動車道和人行道范圍管線密集，已無新建管管位，因此將污水管敷設(shè)于機動車道下。根據(jù)項目地質(zhì)勘查資料，管道埋深范圍內(nèi)自上而下為素填土、淤泥及粉質(zhì)黏土。該區(qū)域地下水位較高，開挖施工容易引發(fā)次生災(zāi)害，且考慮到道路交通繁忙，為了減小對交通影響，最后確定采用頂拉管施工。區(qū)內(nèi)共新建DN400 污水管1254 m，新建DN500 污水管383 m，新建頂拉管工作井62 座。污水管平面布置如圖3所示。

圖3 污水管平面布置

頂拉管工作井的間距依據(jù)污水支管接入位置、污水管檢修要求、工程地質(zhì)情況等綜合確定，本工程井間距控制在40 m 以內(nèi)，采用圓形井，頂拉管機采用地面設(shè)備，工作進井徑根據(jù)管節(jié)長度及所需操作空間確定，本工程采用的管道為單節(jié)長1.0 m 的HDPE 雙密閉自鎖承插復(fù)合實壁管，考慮1.0 m 的安裝空間要求，工作井采用直徑2 m 的預(yù)制井，施工方式為沉井法施工。對頂拉管工藝、明開挖工藝和頂管工藝在工程施工、環(huán)境影響及單位工程費用等進行分析對比，如表1所示。

表1 象角涌截污工程施工工藝對比

在工程施工方面，頂拉管在標(biāo)高控制方面沒有明開挖施工準(zhǔn)確，但在施工周期和安全性方面都有明顯的優(yōu)勢。在環(huán)境影響方面，頂拉管對場地的占用少，對交通影響和周邊構(gòu)筑物影響小。在費用方面，頂拉管工藝綜合單價略高于明開挖工藝和頂管工藝。

5 結(jié)語

頂拉管工藝安全性高，施工周期短，效率快，對周邊環(huán)境影響小，特別適用于建成區(qū)的改造工程，近年來也逐步獲得了業(yè)內(nèi)認可，為了進一步推廣該工程技術(shù)，需要盡快制定相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，用于指導(dǎo)和規(guī)范設(shè)計、施工，充分發(fā)揮該技術(shù)的應(yīng)用潛能。