市政給排水長距離頂管施工技術研究

(周口市市政管理處，河南 周口 466000)

1 頂管法的基本原理

頂管法施工時通過頂進設備的主頂油缸等部件，從起始工作井將頂管掘進機從土層內穿過直至接收工作井，隨后依次頂進連接其他管道，并埋設于起始工作井的管線土層內的地下管道施工工藝。相比其他施工技術，頂管施工無需開挖路面，便可穿越公路、地上建筑物及各類地下管網等。作為一種綜合性較強的機械化施工技術，頂管施工具有顯著的適應性，可根據土層組成、土質條件、施工條件等具體情況，選擇與之相適應的頂管設備及施工工藝。

同時，頂管施工還具有連續性及不可逆轉性。當一項頂管工程開始施工后，便無法隨意暫停，若停工時間過長，將會大大增加頂進失敗的幾率。在頂進施工中，如果頂管機出現問題，需及時找出故障原因，并及時處理。

2 工程概況

某市政給排水工程施工周邊地層環境復雜，沿線管道較多，且存在大量障礙物。為盡可能減少對周圍環境及構造物的影響，決定采用全線鋼頂管施工方案，頂管段為J42B井～J45井。結合工程施工現場情況，決定采用2根內徑3.6 m的鋼管，27.1 km為單根總長度，7.2 m為2根管道的間隔距離。據地質勘查結果顯示，沿線管道所處地基土主要由黏性土、粉性土和砂土等構成，且以水平層理分布，具體分層情況如表1所示。

表1 地基土分層表

3 施工方案選擇

本工程所在管道沿線情況復雜，分布有大量民房、廠房，且地下管線縱橫交錯。原計劃搬遷其中2處頂管井所在位置的民房、廠房，然而，具體實施過程中困難重重，因此決定另選其他解決方案，根據工程建設實際情況，決定采用以下3種施工頂進方案。

3.1 直線頂進方案

實施直線頂管方案的根本目的是為了與樁基避開，管道覆土厚度為23 m，頂管穿越⑤2-1層黏土層，此土層屬于微承壓水層，若在此類土層內穿越頂管施工難度較大。加之管道具有較大埋設深度，工作井和接收井頂管施工的開挖深度將超過29 m，且本管道沿線環境復雜，地下管線縱橫較差，需要加大保護力度，深基坑施工風險很大，且成本高。

3.2 斜向對接方案

由J45井和J42B井分別頂出管段之后，便可于地下對接。14 m為斜向對接方案管道覆土厚度，頂管將穿越④層淤泥質黏土層，且在頂管施工中此類土層施工效果最好。相比直線頂進方案，此方案的工作井和接收井頂管施工開挖深度相對較小，僅為20 m，同樣深基坑施工風險也相對較小，在可控范圍之內，且成本較直線頂進方案偏低。然而，該施工方案需加固對接點位置的土體，將大大增加施工范圍，并導致造價增高，基于本路段沿線環境復雜，加固困難重重，，因此，在土體加固施工中，此方案難度系數偏高，且成本較高。

3.3 曲線頂進方案

根據現場施工特點，可由J45井頂進一段直線段之后，可通過曲線頂管的方式和障礙物避開之后，進入J42B井。曲線頂進方案與斜向對接方案的管道覆土厚度相同，均為14 m，且同樣由④層淤泥質黏土層頂管穿越，此層土層頂管施工最佳。20 m為頂管施工工作井和接收井的開挖深度，其深基坑風險較小，屬于可控范圍。此外，與斜向對接施工相比，曲線頂管可與障礙物避開，根本不需要加固周圍土體，且對附近環境影響不大。

在充分考慮施工環境、施工難度、施工風險等多種因素的前提下，決定采用第三種施工方案，曲線頂進方案，即大口徑長距離的曲線鋼頂管施工工藝。

4 市政給排水長距離頂管施工關鍵技術要點

4.1 曲率半徑和管節長度

因管道沿線地層情況復雜，且存在大量障礙物，為避開管位上的障礙物，結合工程實際情況，可設880 m為管線曲率半徑，170 m為管線弧長。據相關研究表明，中繼間布設的間距和允許轉角直接決定鋼管曲線頂管最小曲率半徑，因此，可按下式計算鋼管曲線頂管的最小曲率半徑。

Rmin≥L/2×sin(k×α/2)

其中，

最小曲率半徑可由Rmin表示；

系數可由k表示，一般為1°；

管道中繼間的間距可由L表示。

根據上式可以計算出，本工程鋼管曲線頂管的中繼間的間距8 m，可設40個中繼間。由于中繼間數量過大，將大幅增加成本，甚至會增加施工難度，若僅僅依靠中繼間來完成施工難度很大。為此，本工程決定選擇單元管曲線頂進法進行施工，其方法為：針對鋼管按一定長度進行分節處理，且采用活絡接頭作為鋼管管節之間的處理，接頭處采用專用設計，為形成曲線，接頭處應滿足偏轉角需求。此外，可將若干個糾偏油缸設于管節接頭位置，在特殊情況下，適當調整管節的偏轉角。施工過程中，可將橡膠圈設于管節之間進行密封處理，該設置主要充當臨時止水作用，待完成曲線頂管施工之后，可在管內焊接管節，從而連成一個整體，保證施工正常開展。

確定曲線頂管管節長度時，需考慮很多因素，如管線的弧長、鋼板規格等，若管節太短，雖有利于形成曲線，但在頂進施工中極易產生偏差，甚至會大幅增加后期焊接補強的工作量。若管節太長，雖減小了后期焊接工作量，但很難形成曲線，甚至在不均勻頂力作用下，出現管節失穩情況。根據以往施工經驗，2 m、2.2 m、2.5 m為常用的鋼板規格，為保證施工質量，決定在此基礎上確定鋼管曲線頂管施工管節的長度。經對比分析，決定以5 m為曲線頂管的管節長度。

4.2 管節接頭處理

由于本工程選擇薄壁鋼管結構，為增強接頭位置環向剛度，需將加勁板設于鋼管管節接頭2端，以此進行接頭位置徑向變形控制。在不均勻頂力作用下，鋼管極易產生變形、失穩問題，可沿整個管道一周在管節接頭兩端進行加勁圓環設置，并將臨時木墊片設于2個圓環之間，厚度為20 mm。

在頂管施工中，可將天然橡膠圈設于管節接頭處，起到臨時止水作用，避免滲漏。同時，要盡可能減小接頭處前后管節之間的空隙，從而達到管節間插入施工要求。根據施工要求，可在12000 kN控制曲線頂管最大允許頂力標準值。待結束頂管施工之后，需及時去除加勁板、加勁圓環，從而達到過水斷面的需求。并采用焊縫的方式對2節管節進行連接，且在2級以上控制焊縫質量。

4.3 線型布設

根據工程實際情況，本工程共選用2根鋼管，以直線+曲線的方式進行線型布設，其中曲線段I號管和II號管的各項技術指標如表2所示。

表2 曲線段I、II號管主要技術指標

此外，在直線段上，可將中繼間布設于各條管線內，共2個；曲線段上，無需設置中繼間，可將糾偏油缸設于2節管節之間，共3只。

4.4 頂進施工

待完成各項準備工作之后，便可按照設計要求，正常頂進施工。開始頂進時，便可開啟各項操作工作，如總電源開關、主油泵、渣漿泵等，在此過程需對泥漿輸送機和主頂千斤頂的速度進行適當調整，保證滿足頂進施工要求。待其進入平衡狀態后，便可開啟壓漿系統，在整個頂進施工環節，要實時查看掘進機的狀態與施工趨勢，隨時微調千斤頂，避免偏差，做好機頭方向控制。

5 結語

伴隨城市的不斷擴張，地下管網、管線系統也愈加復雜。市政給排水工程是一項與居民生活息息相關的基礎設施，如何提高工程質量成為了關鍵。頂管施工作為一種非開挖技術，無需開挖便可穿越地面建筑物、公路、各種地下管線。為此，在市政給排水工程施工中，必須重視頂管施工技術的應用，提高施工技術水平，規范施工工藝，全面提升工程建設質量。