摘 要：頂管是城市地下管道施工中廣泛應(yīng)用的一種非開挖施工方法，具有施工便捷、對環(huán)境影響較小等特點，在穿越河道、鐵路、高速公路等特殊地段具有極大的優(yōu)越性。本文以某市政排水管道工程為例，從施工準(zhǔn)備、頂管進(jìn)出洞、頂進(jìn)施工以及長距離頂進(jìn)等方面研究泥水平衡頂管施工的應(yīng)用，希望可以通過總結(jié)和優(yōu)化，推動頂管工藝的發(fā)展和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：頂管；市政管道工程；長距離頂進(jìn)；施工應(yīng)用文章編號：2095-4085（2024）09-0082-03

0 引言

頂管是一種非開挖的地下管道施工方法，先建成工作井和接收井，再借助頂推裝置，將預(yù)制管節(jié)頂入土中。與傳統(tǒng)的開槽施工方法相比，頂管施工可以顯著減小對鄰近建筑物、管線和道路交通的影響。隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，市政管道和地下通道工程日益增多，頂管越來越多地被應(yīng)用到工程項目中。

1 工程概況

本頂管工程為某市排水管道工程的一部分，頂進(jìn)距離約為860m，穿越當(dāng)?shù)匾粭l河道，由3段曲線頂管和4段直線頂管共同組成，是長距離頂管工程，計劃工期為60d。根據(jù)地質(zhì)勘察報告，工程位于淤泥質(zhì)粘性土層，其含水量高，強(qiáng)度低，滲透系數(shù)小，設(shè)計采用泥水平衡頂管掘進(jìn)施工，管材選用φ300的鋼筋混凝土管。工程所在區(qū)域為中心城區(qū)，地下管線密集，工作井及接收井20m距離范圍內(nèi)，有已建成的給水、燃?xì)?、電信、電纜等共計7種不同管線。

2 頂管施工

2.1 頂管施工準(zhǔn)備

2.1.1 施工頂力估算與控制頂力確定

施工頂力主要考慮土層迎面阻力及土層與管壁間摩擦阻力兩方面。其中，摩擦阻力與頂進(jìn)長度成正比關(guān)系。本工程所在土層大部分為淤泥質(zhì)粘土，確定土層物理學(xué)參數(shù)后進(jìn)行了頂管頂力估算。土層迎面阻力為1 471kN，土層與管壁間摩擦阻力為20 232kN，摩擦阻力遠(yuǎn)大于土層迎面阻力。因此，擬采用觸變泥漿減阻、中繼間等技術(shù)措施，克服長距離頂進(jìn)的阻力。根據(jù)工程設(shè)計方案，選用的頂管設(shè)備總推力為20 000kN，工作井最大允許頂力為10 000kN，管節(jié)最大可承受頂力為17 900kN?；谑┕ぐ踩紤]，確定本工程控制頂力為8 000kN。

2.1.2 頂管機(jī)及刀盤選擇

本工程選用大功率可變刀盤轉(zhuǎn)速的泥水平衡頂管機(jī)，其適用于淤泥質(zhì)粘土土層，刀盤配對大齒輪箱，并用變頻電機(jī)實現(xiàn)無級變速，該設(shè)備頂進(jìn)速度快、操作便捷，且具有較高的沉降控制精度。

2.1.3 頂進(jìn)設(shè)備安裝

頂進(jìn)設(shè)備安裝主要包括主頂站、后座、導(dǎo)軌和頂鐵。

（1）中控室安裝了主頂系統(tǒng)的操作臺，實現(xiàn)了PLC可編程序計算器控制。

（2）液壓動力機(jī)組由兩臺泵供油，可根據(jù)施工需要選擇單動或聯(lián)動。

（3）主頂進(jìn)系統(tǒng)由10個推力油缸組成，油缸組裝在油缸架內(nèi)，中心誤差小于10mm，使得頂進(jìn)受力作用和后座受力與管道軸線位置相符。主頂進(jìn)系統(tǒng)行程為1 700mm，總推力為20 000kN。

（4）后座設(shè)計承壓面積為4.2m×4.0m，選用鋼筋混凝土加襯50mm松木板再加δ=70鋼板，其安裝位置與頂進(jìn)軸線垂直，并確保接觸良好。

（5）導(dǎo)軌選用型鋼和鋼板焊接，鋼板預(yù)埋在工作井底板基礎(chǔ)之上，焊接符合錨固強(qiáng)度。導(dǎo)軌兩側(cè)用型鋼支撐，并澆筑混凝土加以穩(wěn)固，要確保在使用中不得產(chǎn)生位移。導(dǎo)軌中心線、高程符合設(shè)計要求，坡度和管道設(shè)計坡度一致。

（6）施工頂鐵有環(huán)形和U型兩種，在頂進(jìn)中受力不變形，接觸面平整。環(huán)形頂鐵寬度為300mm，外徑和管道直徑相符，U型頂鐵寬度分別為800mm和1 200mm。

2.1.4 管材檢驗

本工程使用φ300的鋼筋混凝土管，管材進(jìn)場后必須對管材外觀質(zhì)量、橡膠圈粘貼質(zhì)量以及傳力襯墊粘貼質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格檢查，需確保全部符合國家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，才能進(jìn)入施工環(huán)節(jié)。管材運(yùn)輸與吊裝要做好保護(hù)措施，確保管口、密封圈和傳力襯墊板的完整性，且嚴(yán)禁使用不合格的管節(jié)。

2.2 頂管出進(jìn)洞

2.2.1 土體加固和止水裝置施工

本工程洞口加固采用高壓旋噴樁施工，采用直徑為φ800二重管高壓旋噴樁，出洞口和出洞口加固范圍分別為8m×4m和6m×2.4m。工程位于淤泥質(zhì)粘土土層，該土層滲透系數(shù)較小。根據(jù)洞口底部抗承壓水頭穩(wěn)定性驗算的結(jié)果，工作井洞口底部不會發(fā)生突涌，因此進(jìn)出洞不采取降水減壓相關(guān)措施。工作井預(yù)埋L型鋼板安裝止水裝置，以防地下水和流砂進(jìn)入工作井，并防止觸變泥漿外流。預(yù)留洞口的止水裝置中心和管道中心線保持一致，誤差小于2cm。

2.2.2 頂管出洞

出洞的施工步驟為：調(diào)試設(shè)備——頂管機(jī)靠近洞口——拆除工作井封門——頂管機(jī)切削加固土體——頂管機(jī)頭進(jìn)入原狀土，土壓力值調(diào)整。

出洞段的頂進(jìn)速度控制在10mm/min之內(nèi)，施工過程確保管道軸線控制符合設(shè)計要求，并嚴(yán)格控制頂管出洞20m范圍內(nèi)的軸線控制精度。頂管機(jī)靠近洞門的過程中，逐步降低土壓力設(shè)定值，在距離封門約6m的位置，土壓力降為最低值。在確定頂進(jìn)設(shè)備運(yùn)行情況正常的前提下，頂管機(jī)靠近洞口，迅速拆除封門，同時做好應(yīng)對發(fā)生漏水的準(zhǔn)備措施。頂管機(jī)進(jìn)入洞口并在土體加固區(qū)頂進(jìn)，密切關(guān)注刀盤和螺旋出土機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，要注意控制頂進(jìn)速度保護(hù)刀盤，如有需要可加水軟化以保證順利出泥。頂管機(jī)進(jìn)入原狀土層后，可加快頂進(jìn)速度，提高正面土壓力值至理論計算值。出洞過程中要控制好頂管機(jī)姿態(tài)，維持開挖面土體穩(wěn)定，形成泥水倉壓力，結(jié)合測量數(shù)據(jù)及時糾偏，以防止頂管機(jī)“磕頭”現(xiàn)象。頂管機(jī)出洞后，及時用環(huán)形鋼板焊接預(yù)留的鋼套，并在鋼板上設(shè)置注漿孔，填充建筑空隙，防止泥水流失［1］。

2.2.3 頂管進(jìn)洞

進(jìn)洞的施工步驟為：調(diào)試設(shè)備——頂管機(jī)頭頂至進(jìn)洞段——鋪設(shè)導(dǎo)軌——拆除接收井封門——頂管機(jī)脫離洞口，進(jìn)入接收井。

進(jìn)洞段頂進(jìn)速度控制在10mm/min左右，注意控制土壓力值，非加固區(qū)和加固區(qū)出泥量分別控制在95%和105%，頂管頂進(jìn)超過允許偏差時，要及時糾偏。進(jìn)洞之前，接收井進(jìn)行導(dǎo)軌安裝，其標(biāo)高略低于頂管機(jī)，并有一定縱向坡度設(shè)計。洞門拆除前進(jìn)行放樣開鑿，設(shè)置觀察孔，確認(rèn)加固土體符合要求，才能進(jìn)行封門拆除，具體要求和出洞施工一致。進(jìn)洞前，將和頂管機(jī)相連的前五節(jié)管節(jié)的相鄰管口全部用拉桿連接牢固，以防止由于正面土壓力突降造成的管節(jié)松脫和頂管機(jī)“磕頭”現(xiàn)象。拆除洞門后，頂管機(jī)迅速進(jìn)洞，洞口盡快進(jìn)行封堵，并向管節(jié)底部預(yù)留的注漿孔注入水泥漿，填充空隙［2］。

2.3 頂進(jìn)施工

2.3.1 質(zhì)量保證措施

在頂進(jìn)過程中，注意控制頂進(jìn)速度、進(jìn)泥管和排泥管流量，將泥水壓力控制在合理區(qū)間，以發(fā)揮泥水平衡的作用，最大程度降低對土體的擾動。

頂進(jìn)軸線控制以頂管自動測量系統(tǒng)為導(dǎo)向，人工測量為輔助。在施工過程中，綜合利用導(dǎo)向系統(tǒng)的軌跡記錄、傾斜儀數(shù)據(jù)情況、糾偏油缸壓力監(jiān)控數(shù)據(jù)等信息作為依據(jù)，靈活使用刀盤轉(zhuǎn)向、控制頂進(jìn)速度、調(diào)整土壓、遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置、增設(shè)液壓千斤頂?shù)确椒ㄟM(jìn)行糾偏施工。切實做到勤測勤糾，禁止大角度糾偏。為消除糾偏導(dǎo)致頂進(jìn)機(jī)頭發(fā)生旋轉(zhuǎn)造成的負(fù)面影響，可選用刀盤逆轉(zhuǎn)進(jìn)行糾偏，以及加壓重塊輔助糾偏。針對曲線頂管，在頂管機(jī)頭糾偏裝置的基礎(chǔ)上增加一套糾偏裝置，設(shè)置在曲線管道之間，可確保頂管曲線段的順利頂進(jìn)。

施工所在區(qū)域地下管線密集，必須采取有效的地面沉降控制措施，來確保施工安全。在進(jìn)場施工前，已對施工沿線地下管線情況進(jìn)行摸排，制定有效的保護(hù)措施。在頂進(jìn)初期，管道軸線上方間隔3m設(shè)置沉降控制樁，把監(jiān)測數(shù)據(jù)和頂管設(shè)備參數(shù)進(jìn)行比對和優(yōu)化。同時，選擇性能優(yōu)良的材料，強(qiáng)化膨潤土泥漿套和頂管機(jī)頂進(jìn)同步的穩(wěn)定措施。頂進(jìn)結(jié)束后，立即用水泥漿置換膨潤土泥漿。施工過程中，強(qiáng)化對管線的監(jiān)測，頂管距離20m為監(jiān)測范圍，每2h監(jiān)測一次，必要時進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。匯總數(shù)據(jù)形成圖表，沉降量控制在±10mm之內(nèi)，一旦發(fā)現(xiàn)沉降量接近限值，立即停止頂進(jìn)，并采取系列措施。如有緊急情況，召開專題論證會，調(diào)整施工方案［3］。

2.3.2 頂進(jìn)測量

（1）自動測量設(shè)計。使用的儀器包括水準(zhǔn)儀和自動引導(dǎo)測量系統(tǒng)，水準(zhǔn)儀用于管道高程檢測和工作井下水準(zhǔn)聯(lián)測，自動引導(dǎo)測量系統(tǒng)用于管道中心線線型控制。充分利用自動測量系統(tǒng)的自動報警功能，結(jié)合人工定期測量，以保證頂進(jìn)的順利進(jìn)行。頂管貫通前50m和20m，安排一次工作井定向測量，以及接收井預(yù)留洞口中心坐標(biāo)測量。根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)整測量次數(shù)，以確保順利貫通。

（2）人工測量設(shè)計。使用的儀器包括全站儀、經(jīng)緯儀、鉛垂儀和水準(zhǔn)儀。在工作井和接收井埋設(shè)地面導(dǎo)線點，使用雙井定向測量，建立平面控制網(wǎng)。利用施工所在區(qū)域的已知水準(zhǔn)點，布設(shè)二等水準(zhǔn)路線。工作井下布設(shè)2個地下高程控制點，每頂進(jìn)2m測量1次頂管機(jī)頭高程，發(fā)現(xiàn)問題及時糾偏。頂管機(jī)頭縱向設(shè)置了一對水平橫尺，結(jié)合預(yù)設(shè)的三維坐標(biāo)控制點進(jìn)行測量讀數(shù)，得到中心高程、中心方向偏差值、轉(zhuǎn)角、坡度等數(shù)據(jù)。通過動態(tài)數(shù)據(jù)的觀測，調(diào)整相應(yīng)的施工參數(shù)，以確保頂管頂進(jìn)軸線控制在偏差允許范圍之內(nèi)［4］。

2.3.3 長距離頂進(jìn)措施

本頂管工程頂進(jìn)距離為860m，是長距離頂管。施工中需采取長距離頂進(jìn)的相關(guān)措施，確保施工順利進(jìn)行。

（1）選用膨潤土潤滑泥漿減阻。泥漿在輸送和灌注過程中呈膠狀液體狀；經(jīng)過一段時間靜止，泥漿固結(jié)呈膠凝狀；頂進(jìn)施工時被擾動，破壞膠凝結(jié)構(gòu)，又再呈膠狀液體狀。在管外壁注入膨潤土潤滑泥漿，會在管道外圍形成泥漿套，減少土層與管壁間摩擦阻力，可有效增加一次頂進(jìn)長度。本工程設(shè)2根泥漿總管，分設(shè)2套泥漿管路系統(tǒng)，分別用于頂管機(jī)尾部同步注漿以及補(bǔ)漿。為確保泥漿輸送，設(shè)置2個壓漿接力站，約隔400m設(shè)1站，接力輸送泥漿。經(jīng)試配確定，潤滑泥漿配合比為：膨潤土∶水∶純堿∶羧甲基纖維素=400∶850∶6∶2.5。

（2）設(shè)置中繼間分段接力頂進(jìn)。根據(jù)頂管工程施工規(guī)程的條款和計算方法，結(jié)合本項目施工實際，設(shè)計布置6個中繼間，每個中繼間頂力為6 000kN。第一個中繼間直接設(shè)置在頂管機(jī)后方，其啟動頂力為8 000kN，利于輔助機(jī)頭糾偏，同時，該中繼間伸縮時可釋放機(jī)頭的扭轉(zhuǎn)力矩，防止機(jī)頭偏轉(zhuǎn)。頂管機(jī)頭后方，每隔120m設(shè)置中繼間1個，其啟動頂力均為7 200kN。

（3）采用安全可靠的通風(fēng)系統(tǒng)。本項目通風(fēng)管選用硬質(zhì)PVC管，風(fēng)管直徑為600mm，管道作業(yè)人數(shù)為6人，工作井深為18m。通過計算確定采用BSH-150型羅茨鼓風(fēng)機(jī)，進(jìn)風(fēng)量為19.23m3/min，排出壓力為58.8kPa，功率為22kW。設(shè)計采用壓入式通風(fēng)，在工作井井口附近的地面安裝通風(fēng)機(jī)，在工作井側(cè)壁和砼管內(nèi)壁側(cè)邊固定通風(fēng)管，在管口和中繼間處安裝利于風(fēng)管伸縮的軟管，在風(fēng)管末端安裝減壓消音裝置，風(fēng)管隨頂進(jìn)管節(jié)延伸接長。頂進(jìn)完成后，在拆除中繼間等相關(guān)設(shè)備時，加設(shè)小型鼓風(fēng)機(jī)通風(fēng)［5］。

（4）確保供電與通訊。工程采用380V低壓供電，并安裝自動增壓裝置保證施工用電電壓。照明采用36V安全電壓，并在頂管機(jī)機(jī)頭和中繼間處安裝應(yīng)急照明裝置。設(shè)置通訊和監(jiān)控系統(tǒng)，保證信息渠道暢通，并充分利用監(jiān)控手段防止安全事故的發(fā)生。本工程配備具有防潮和防爆功能的礦用電話機(jī)保障施工聯(lián)絡(luò)。設(shè)置兩臺監(jiān)視器，對頂管操作面和主頂操縱臺分別進(jìn)行監(jiān)控，以利用及時了解施工情況和解決問題。針對因長距離輸送導(dǎo)致傳輸信號衰減的問題，設(shè)置信號放大器，以保證監(jiān)控圖像質(zhì)量。

（5）保障泥水系統(tǒng)的良好運(yùn)行。泥水系統(tǒng)使用Telemole管路系統(tǒng)，設(shè)置4臺泵，分別為送泥泵、排泥泵、進(jìn)水接力泵和出水接力泵。管

路采用4寸無縫鋼管，管節(jié)接頭為卡箍式活絡(luò)接頭，地面布設(shè)8個沉泥箱。泥水外運(yùn)通過密封罐車進(jìn)行。

3 結(jié)語

本文對頂管工藝在市政排水工程上的應(yīng)用進(jìn)行了研究，分析了施工準(zhǔn)備、出進(jìn)洞施工、頂進(jìn)施工等環(huán)節(jié)，重點介紹了長距離頂進(jìn)的相關(guān)措施。隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展，地下管線已經(jīng)成為城市市政設(shè)施的重要組成部分，各類建設(shè)工程也越來越多。頂管施工便捷、對環(huán)境及交通影響小，應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，但也還存在成本較高、糾偏技術(shù)復(fù)雜、會引發(fā)施工區(qū)域不均勻沉降等問題。因此，還應(yīng)不斷進(jìn)行總結(jié)和優(yōu)化，推動頂管技術(shù)在城市建設(shè)事業(yè)中繼續(xù)發(fā)揮積極作用。

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［3］汪瑞峰.室外給排水工程施工［M］.上海：上海大學(xué)出版社，2016.

［4］頂管工程施工規(guī)程（DG/TJ08-2049-2008）［S］.上海，2008.

［5］王梅泰.市政給排水施工中的非開挖頂管施工技術(shù)思考解析［J］.居業(yè)，2022（7）：4-6.