市政污水管道施工中頂管技術的應用

唐愛云　楊耀平

【摘 要】本文結合曲靖市麒麟區污水管網系統管道工程施工案例，介紹了頂管技術的土壓力平衡盾構的基本原理，提出頂管技術的應用分析和施工措施，總結出管線定位、頂進速度是頂管技術的關鍵環節，這兩個環節控制的好壞，直接關系到工程質量。

【關鍵詞】市政工程;頂管;污水管道;應用

中圖分類號： TU991.36;TU992.23文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）15-0172-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.15.081

1 工程概述

在市政工程建設中，長距離管道的敷設是一項經常遇到的工程問題。隨著頂管技術的應用推廣，研究敷設頂管工藝技術已成為引人注目的課題。

在一些不允許開挖施工的路段，采用頂管技術是一種比較理想的施工工藝，它是地下管線施工中穿越障礙時常用的一種施工技術。施工時，首先設置工作井，并在工作井內設置頂管機導軌和液壓千斤頂，然后借助頂管機的掘進和千斤頂的頂力將預制的管段頂入地層，邊頂進，邊將管段接長，直到越過障礙物，并到達接收井中，如頂進時需要克服的阻力大于主千斤頂的能力，可適當布置中繼站。

曲靖市麒麟區污水管網系統工程（3號泵站污水系統）頂管總長約2500米，其中麒麟東路北段：管徑DN1400，樁號0-020～1+409;南寧北路段：管徑DN1000，樁號0+000～K0+793.301、0+610.891～污水泵站。頂管管材采用鋼筋混凝土內襯改性聚氯乙烯排水管。地質勘察報告表明，頂管工程的管位上部位于地表以下4.4-5.8m的雜填土、淤泥質土及素填土的混合土層中。該土層較復雜，含有瓦礫磚碎塊、礫石及生活垃圾。頂管的下部位于砂質粉土中，其中個別路段土層由砂質粉土逐漸過渡為粘土夾礫石。該路段地下水位在地表下0.4-1.4m，且隨雨季水位變化。該項目地處交通要道，沿線車流量較大，現狀不允許開挖施工。因此，采用大刀盤泥水平衡頂管法是本工程污水管道施工的一種理想的施工工藝。

2 對高程及軸線位移允許偏差值的控制

（1）該污水管道工程的地質條件及定位控制標準的確定：在復雜地質條件下進行長距離曲線頂管尚無標準可循，因此，在滿足設計的使用功能和不損壞接頭及防水性能的要求下，根據《給水排水管道工程施工及驗收規范》中“頂管允許偏差表”中高程及軸線位移的參數，制定本工程的允許偏差。

（2）頂進和糾偏的示位系統：本工程在管道頂進的過程中利用激光系統作為示位系統。激光系統由激光經緯儀、激光架和標靶組成。激光架的幾何軸線和頂進軸線垂直，便于經緯儀對中。同時在激光架旁做好激光經緯儀的對中點，確保激光經緯儀架好后在頂進軸線上。

（3）頂管定位控制的實際效果：根據實際測量控制的結果看，管道D1400的軸線最大正誤差為73mm，軸線最大負誤差75mm;污水管道D1000的軸線最大正誤差為77mm，軸線最大負誤差為120mm，以上控制均符合要求。測量控制是有效的，達到了預定要求。

3 頂管技術的施工措施

3.1 潤滑材料的選用

潤滑材料一般選用粘土和膨潤土等材料制成的泥漿液體。本工程采用膨潤土制成泥漿作為潤滑材料。泥漿濃度在5%-15%，使用量控制在≤100L/m3，必須使膨潤土泥漿套隨頂管機向前移動，形成連續的環狀漿套。出洞時，洞口土體較穩定的情況下，降低潤滑材料的濃度，在離洞口約6m時，采用清水，并且把泥水壓力降到最低，防止由于正面土壓力減小，過大的泥水壓力造成對洞口土體的擾動。

3.2 止水圈的安裝

對于泥水平衡式頂管機而言，頂管機本體通過洞口完全進入土體的全過程中，頂管機與洞口建筑空隙的止水密封，是保證頂管機順利出洞的先決條件，洞口圈的止水密封一旦失去作用，不僅開挖面土體平衡遭到破壞，而且將導致泥水的流失，造成頂管機周邊的土體損失，從而引起洞口土體坍塌等嚴重后果，故必須在洞口設置密封性能良好的止水裝置——止水圈。

止水圈由三個部分組成：橡膠圈、壓環、壓板。首先打好膨脹螺絲，然后將橡膠圈套在膨脹螺絲上，再將壓環壓在橡膠圈上，最后將壓板壓在壓環上，并上緊螺絲。壓板共有36塊，可以沿徑向在50mm的范圍內移動，從而控制橡膠圈的壓緊程度。壓板可以保證壓緊止水橡膠圈，并在地下水壓力太大時防止橡膠圈翻出。

4 施工過程中幾個控制參數的確定（以DN1400污水管道為例）

（1）刀盤扭矩和頂進長度的計算

刀盤扭矩。刀盤扭矩設計值TC按下述經驗公式確定： TC=αD3。式中D為頂管機外徑。α根據粉質砂土含礫石等雜質較多，取α=1.35。則TC=1.35×1.53=4.56（kN.m）。這一計算考慮支撐形式的影響（即土體切削阻力扭矩、刀盤與土體之間的摩阻力扭矩、荷載作用下機械自身阻力的扭矩的影響），應乘以系數β（取β=1.1）于是TC設計=4.56×1.1=5.01kN.m。

最大頂進長度的計算。頂管機頂進時依靠安裝在工作井內的千斤頂提供推力，以克服外壁與周圍土體的摩擦阻力，開挖面土體作用于頂管機的正面阻力，管面的摩擦阻力等。采用慣用頂推公式計算：F=πDlc。式中D同前;l為頂進長度。c為地層土體的內聚力，根據地質報告取c=11.80kpa。由于管材允許的最大推力[F]=8000kN取安全系數K=1.2，求出最大的頂進長度

L=120m

本工程采用工作井和接收井間隔100m。但根據施工過程中的實際情況來看，由于一次性頂進距離過大（沒有布置中繼站），管道的高程和軸線的偏差會隨著頂進管道長度的增加而增加，所以建議頂進長度不宜超過80m。

（2）泥水艙壓力值的計算

D1400污水管頂管施工中泥水壓力大小控制分析。泥水壓力大小的確定是泥水平衡頂管工藝的關鍵。泥水艙內壓力大于地下水壓力，泥水艙泥水向地層空隙滲漏，在泥水艙與土層之間形成泥膜，且泥水艙壓力托住土層，使切削面穩定不塌陷。地下水壓力隨深度的增加呈三角形分布，計算圖式如圖1所示。采用泥水壓力值為管道底部起三分之一直徑處的地下水壓力值。則泥水艙管道基準面泥漿壓力P按以下計算：

P=（H+D）γω=（5.45+×1.5）×1.0=64.5KPa

式中D同前，為1500;γω為水的重度。由于軟土中滲透系數較小，取理論計算值的65%作為實際施工中的壓力值，即64.5×65%=42KPa。泥水艙壓力高于地下水壓力值一般設為20KPa，最終泥水壓力值為62KPa。

5 掘進速度與進出洞控制

排土量的計算與掘進速度控制。掘進的速度控制以保持開挖面土平衡為依據，對排土量計算及施工掘進速度進行管理與控制。

泥水平衡法頂管工藝的一個特點就是，挖掘出的土經過和水的混合后形成泥漿排出。排泥管內的流速必須控制在一個適當的范圍內，過大的流速不僅沒有必要，而且會對管道造成損害;過小的流速又容易形成淤積。本工程中排泥管的流速控制在2m/s～4m/s。排泥管的內徑控制在5D最大顆粒～8D最大顆粒，D最大顆粒是經過篩選后的最大土壤粒徑。由排泥管的流速以及斷面面積即可得出排土量的理論值。和根據排土量的理論計算，由頂管機掘進速度和排泥的效率予以控制。實際挖掘量可以由受控制的推進速度與頂管機斷面面積確定。排土量可由排泥管的流量計、密度計的讀數來確定。

進出洞控制。頂管機進出洞是頂管法施工的最重要的工序之一。在工作井內，頂管機按設計高程及方向推出預留孔洞，進入正常土層的過程稱為出洞;反之，頂管機在地層中完成某一區間的隧道的施工后進人接收井的過程稱為進洞。在掘進過程中，頂管機推進的方向偏差的施工監控是頂管工藝的另一個重要的環節，由于頂管法施工工藝在糾偏過程中會造成土體過量缺失，從而引起地層移動而使地表隆起或沉降，因此在掘進過程中制定量測值信息反饋及施工參數（如正面艙壓力、出土量、灌漿壓力和灌漿量等）的計劃是很有必要的。采用泥水平衡式頂管技術進、出洞時，一般先將工作井、接收井預留孔前一定范圍內的土體進行改良，使土體透水性減小，并在開挖后靠自身能力保持穩定。本工程在施工初期，曾因地下水位過高，在頂管機出洞時，地下水涌入接收井，造成井內部分設施被破壞。后續的施工過程中，采取了高壓注漿的方法（漿液注入率15%，水灰比1.0）對預留孔前約15m的范圍內進行了土體改良，效果良好。

6 結束語

頂管施工工藝具有以下特點：通過刀盤以及頂速平衡正面土壓力，調節循環水壓力用以平衡地下水壓力。采用流體輸送切削入泥倉的土體，頂進過程中不間斷，施工速度快。由施工引起的地面沉降較小，有利于保護環境。無須地盤改良或降水處理，施工后地表沉降小。

本污水管道頂進施工過程中，我們總結出管線定位、掘進速度是頂管技術的關鍵環節，這兩個環節控制的好壞，直接關系到工程質量。由于頂管技術具有其他工藝技術不可替代的優勢，今后在市政工程建設中會得到更廣泛的應用。

另在施工隊伍的選擇招標中，由于市政工程具有其復雜性，地下管線多，建構筑物過于密集，在施工隊伍的招標環節，應在招標文件中明確相應的業績要求，選擇具有豐富經驗的施工單位進行施工，以避免頂管過程中引起的地面坍塌及對相鄰建構筑物的破壞，從而造成負面的社會影響，對業主單位的建設產生諸多不良的后果。