市政排水工程頂管施工技術的應用與展望

(上海市青浦區排水管理所，上海 201700)

市政排水工程頂管施工技術的應用與展望

沈向榮

(上海市青浦區排水管理所，上海 201700)

本文著重介紹了城市小管徑雨污管網(DN<600mm)螺旋頂管施工技術，該技術可應用于城市交通路面改造或新建排水管網施工，有利于降低施工對環境、交通及周邊建筑基礎的不良影響。

排水管網；頂管；施工技術

1 小管徑頂管施工技術發展歷程

20世紀70年代末，排水工程的非開挖施工技術就已經開始作為新興產業，在發達國家不斷興起逐漸形成規模[4]。1986年，國際性的排水施工行業協會——國際非開挖技術協會正式成立，目的是不斷推進該項技術的提升和發展，增強同行之間的技術交流，最終得以擴大其實際使用范圍。

非開挖施工技術主要是指通過最少的開挖量或者在不開挖的條件下鋪設各種排水地下管線的施工新技術，被聯合國環保署認定是利于環境的、新的施工技術[5-6]。這項技術實際上是對傳統的城市排水地下管道的開挖、鋪設、更換及修復工程的一場徹底的革命。其技術特征和優勢非常明顯，對周邊環境和區域的城鎮交通的危害和影響最小，因其效率高和成本低等絕對優勢，逐漸獲得歐美等發達國家的大力提倡和重視，取得了很好的社會和經濟效益。如1994年美國在財政年度批準的七年期“先進的擱進和鉆探技術國家計劃”，就把這項技術列入建筑業以及城市基礎設施發展規劃中，以加強美國在此領域中的市場競爭優勢和技術領先[7]。

在國外，雖然非開挖施工技術已有近百年歷史，但是20世紀80年代才開始大規模的應用，先從幾個發達國家推向世界各國。由于歐洲城市建設歷史悠久，城市地下管網的損壞和腐蝕嚴重，其非開挖管道修復和更換技術應用最早、最廣[8]。在日本和德國，最先研發小口徑的頂管施工(微型隧道)技術來滿足污水管網施工的需求。在通信電纜和油氣管道施工的推動下，美國水平定向(導向)鉆進技術取得了迅速的發展[9]。粗略統計，目前發達國家的非開挖設備材料供應商和制造商多達400多家，共有百余種非開挖施工方法[10]。在國內由于近年電纜施工和城市管網施工增多，水平定向(導向)鉆和大口徑頂管快速興起，并已發展得較為完善。國內由于近幾年城市水環境治理工程逐漸被重視并大面積上馬，城市雨污管道小口徑非開挖頂管技術急需推廣，但在國內該技術尚不成熟[11]。

目前，國內工程項目鋪設直徑φ300～600mm管道通常的施工方法：有PVC等塑料管路通過水平定向鉆鋪設；鋼性或半鋼性(如水泥管、鋼管、玻璃鋼管等)管路通過開挖施工來實現。小管徑非開挖技術的一體化系統研發是對原有非開挖設備技術的進一步集成、提高和完善，使非開挖地下管道鋪設施工更加快捷，施工周期更短，成本更低，該系統市場前景非常樂觀[12]。

2 螺旋頂管施工技術介紹

螺旋頂管機具有發動機動力強勁、節能環保、性能可靠、操作簡單等優點，施工過程中容易保持水平直線度，施工效率高。該技術基坑設備重量輕、推力大、體積小，對操作者的技能要求不高，降低了施工成本、提高了工作效率。可以按照不同地層配備機頭，施工性能最優化。普通機頭適合粉砂、流沙、黏土、硬土地質的施工；帶切削功能機頭適合全風化巖地質的施工，適應性廣泛。

2.1 螺旋頂管機組成

螺旋頂管機作為非開挖一體化設備，主要由主機、主頂裝置、機頭、導向鉆頭及鉆桿、螺旋排泥管、導向系統等組成。

主機：負責給主頂裝置和機頭提供動力，同時具有起吊及注漿功能；采用大功率發動機驅動，為掘進機頭、主頂裝置(導向系統和主頂油缸)提供頂進動力，無需拉扯市政動力電及配備單獨泵站即可滿足施工的所有動力要求。該部套核心部分主要包含幾點：PLC邏輯控制系統(通過合理的邏輯編程實現設備更智能及一體化控制)、液壓驅動系統(對設備包含的起重部分、頂進裝置提供動力)、履帶底盤行走部分(各部分支撐基礎部件并配合橡膠履帶可以方便施工現場移動及城市施工場地轉移)。

主頂裝置：用于實現各工藝管及鋪設管道頂進和鉆桿旋轉，實現精準定位及排土功能。

機頭：在頂管擴孔過程中切削土壤；該部分通過馬達驅動減速機帶動前方螺旋葉片來實現頂進過程的排土，保證后方管材的持續頂進。

導向鉆頭及鉆桿：用于前期導向孔開孔作業。其中包含先導管φ82.5mm工作長度750mm、鋼制頂進管φ114mm工作長度750mm、BM400-S先導82.5mm的附加設備(包含驅動接頭、先導頭)；雙壁先導的附加設備，包含雙壁先導頭φ130mm、推拉環、雙鋼制頂進管工作長度710mm、雙鋼制頂進管工作長度780mm、帶套管夾的推進板、雙壁先導的工具設備；用于連接水和膨潤土至延長的鋼制頂進管φ114mm。

螺旋排泥管：運送頂管擴孔過程中切割下來的泥土。該部分在排土方式上有兩種選擇，一種是向工作井排土，另一種是向接收井排土，其中前導向系統適用于堅硬土質。兩種方式各有優缺點，需要根據施工地質報告中土質條件及水文條件選取。

導向系統：用于導向作業時確定頂進軌跡。該測量單元包括萊卡經緯儀、遠程控制的攝像機(用于聚焦和視覺切換的專用縮放)、天頂眼和望遠鏡、10寸顯示器、12V視頻輸入/輸出、水平滑軌板、高度調整架、帶充電裝置的LED標靶、經緯儀分體安裝架、監視器墻壁架、運輸存儲箱、監視器延長線。

2.2 螺旋頂管機導向技術

由于不少國內類似設備采用的是無線導向儀，在實際應用過程中，該導向系統無法做到精確定位，只能用于水平定向鉆這類不要求高精度定位的設備。因此，考慮采用萊卡經緯儀導向系統，其特點是精度高，主要用在精密工程測量的領域。其設備較為省電，超大屏幕可以用四節AA堿性電池讓儀器持續工作80多個小時，全中文設計數據讀取更加方便，操作容易上手，內建的標準時鐘可以隨著數據同步輸出時間樣式，增加復測以保證精準度，降低數據記錄量。設計斷電數據保存，操作安全。該導向系統在直線非開挖管道頂進導向上起的作用遠優于無線導向儀。現場操控人員經過訓練后，可以實現高精度導向作業。可以有效避免無線導向儀反復導向卻仍然有大幅度偏差而需要反復頂進的問題。一套好的導向系統，在城市施工過程中，既有效減少施工時間，又減輕非開挖施工對交通的影響。

2.3 螺旋頂管機的控制系統技術

頂管設備的核心部分是控制系統，它是評價設備好壞的重要指標，設備間自動化程度的差別在這里得以體現。中國設備操作和控制的自動化程度不高，計算機控制沒有得到運用，而是直接運用傳統繼電器控制，需要很多的人力輔助。控制臺只是由一些按鈕和旋鈕組成，結果顯示不夠精準。沒有運用計算機操控，各個時間段的參數不能自動保存，只能人工記錄。

非開挖一體化設備充分運用目前先進的計算機控制方法和傳感檢測方法，是機電一體化產品。非開挖一體化設備的操控系統大部分在控制室中，是計算機控制系統。其主計算機運用工業控制的計算機，操作系統運用的是WINDOWS系統，輸入、輸出單元運用PLC模塊。系統運行過程運用組態軟件在顯示器上顯示，整個流程和各項重要參數都一目了然。頂管設備在機器各主體部件處都安裝傳感檢測裝置，把各地方的信號，如流量、溫度、閥門開度、轉速、壓力等，通過PLC傳送到電腦主機上，在顯示器上以數字或者圖形的形式顯現出來，能清楚了解到各個參數的具體數值和開關狀況。操作人員經過操控控制臺上的每個按鈕和旋鈕，將控制信號寫入主機，再通過PLC控制每個繼電器的通斷和閥門的開度大小等，驅動各執行部件，并經過實況反饋過來的信息，實現精準控制。運用計算機操控，能夠自動記錄采樣每時刻的各參數值，并儲存到計算機上，方便查找證據。

2.4 螺旋頂管技術對基坑的要求

基坑導軌是用兩根平行箱體鋼結構焊接到軌枕上制成的，主要有兩個作用：一是推進管在工作坑中有一個穩固的導向，并且推進管可以沿該導向進入土中；二是讓弧形、環形頂鐵工作時能有一個穩定的托架。

后座墻是使主頂油缸推力的反力傳達到工作坑后面土體中的墻體。因為主頂油缸比較細，相當于后座墻混凝土結構的幾個點，若把主頂油缸直接安放在座墻上，后座墻非常容易遭到損壞。為杜絕這種現象發生，在主頂油缸和后座墻之間置入一塊200～300mm厚的鋼結構件，稱為后靠背。通過它將油缸的反力較均勻地傳遞到后座墻上。這樣后座墻不容易遭到損壞。

3 結論與展望

螺旋頂管施工系統主要由主機、機頭、主頂裝置、導向鉆頭及鉆桿、螺旋排泥管、導向系統、控制系統等幾部分構成。該技術應用在市政小管徑雨污管網具有施工周期短、施工精度高、操作智能化、施工成本低等諸多優勢。

非開挖施工技術的運用降低了其對環境、交通及周邊建筑基礎的不良影響和損壞。自政府提出生態文明建設以來，城市對施工作業要求愈來愈嚴，傳統的開挖施工已經很難適應生態文明城市的發展理念，特別是近幾年出現的小管徑螺旋頂管施工技術，將大量運用于未來的市政排水工程中。

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Applicationandprospectoftechnologyformunicipaldrainagepipejackingprojectconstruction

SHEN Xiangrong

(ShanghaiQingpuDistrictDrainageManagementInstitute,Shanghai201700,China)

In the paper, spiral pipe jacking construction technology of urban small pipe diameter sewage pipe network (DN<600mm) is mainly introduced. This new construction technique can be applied to the urban traffic road surface modification or new drainage pipe network construction, which is beneficial for reducing the negative urban environment, traffic and surrounding building foundation.

drainage network; pipe jacking; construction technology

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.011.012

TV554

B

1005-4774(2017)011-0051-04