定向頂管技術在大口徑管道施工中的應用

李 杰

(太原供水集團有限公司，山西 太原 030009)

0 引言

隨著我國城市化建設的推進，城市規模越來越大。為保障城市內的供水需求，實現大規模、集中性的供水網絡系統，相關部門逐漸開始采用大口徑管道進行建設。

供水系統的施工方案一般分為兩種：明槽開挖施工法與非開挖施工法。明槽開挖施工法會破壞交通道路，對周圍環境造成負面影響，且整體的工程量較大。現代化的施工逐漸拋棄了明槽開挖施工法而采用工期短、更有社會效益的非開挖施工法進行建設。非開挖施工法包括定向頂管、水平定向鉆進法、夯管法、螺旋鉆進法等，相較于其他三種技術，定向頂管技術只需要占有兩個井坑，占有空間小，施工影響低，且可以在地質較軟或者富水層開展相關施工工作，也更適合大口徑管道的施工。因此，定向頂管技術在供水系統建設中有著至關重要的作用。本文首先闡述頂管技術的優缺點及施工方式，再結合大口徑水管管道的材質特點，對定向頂管技術在大口徑管道施工過程中的應用進行了探討。

1 定向頂管技術

定向頂管技術施工難度較大、成本較高，目前它仍是一種新穎的地下管道施工方法，大多數工程仍普遍采用開挖式或是水平鉆進的方案。定向頂管施工現場如圖1所示，首先根據施工方案，在預裝水管的兩端挖出工作井，一個為開挖井，另一個為接收井。水泥澆筑基坑與井壁，形成操作平臺和支撐壁，起到支撐與鞏固的作用。其次，在開挖井中使用液壓千斤頂將頂管機頂入預鋪設的管道路線中，頂管機定向頂進，同時將水管頂入，挖掘產生的土體通過排泥系統從兩側排出，多個系統配合工作，直至頂管機到達接收井位置，將頂入的多個管節連接形成管道結構。

由于定向頂管技術具有獨立的操作平臺，施工中通過頂管機產生的頂力克服摩擦力頂入土體中，并將水管帶入，結構緊湊，具有更高的施工準確度，理論上管道的直徑由頂管機以及配套設備決定。因此定向頂管技術具有其他施工技術無法比擬的優勢，就是可以進行大直徑、超長頂管的頂進，非常適合應用在大口徑水管管道的施工中。

2 頂管機的選擇

定向頂管技術在大口徑管道的施工中，頂管機設備的選擇極為重要。一般大口徑水管管道的敷設均會在城市中繁華地段，道路下方的管線復雜，若進行大口徑水管管道的施工，勢必要滿足較高的精度，避免挖斷其他地埋線路，造成不必要的損失。

針對上述情況，一般可選用六盤水平板式泥水平衡頂管機。此類頂管機平衡性好，糾正靈活，頂進的路線方向容易控制。在頂進過程中，切削土體，切下的泥土進入頂管機中的空倉內，然后被充分攪拌，形成泥水等流體，從兩側輸出，平衡周圍的壓力，將壓力保持在可控范圍之內。

3 大口徑水管管道施工的技術與細節

大口徑水管管道施工過程主要分為頂管工作井建設、頂管洞控制以及頂管工程三個部分。

3.1 頂管工作井建設

工作井的建設是定向頂管技術開展的首要前提，尤其是在大口徑管道施工中。根據施工方案，結合現場的環境、地質特點等，合理開展頂管施工平臺的建設，其施工流程如圖2所示。

首先進行工作井位的計算，井位的大小需要考慮頂管機、管節的長度以及千斤頂的長度。根據有關建設標準，其計算公式為：

L=L1+L2+S

(1)

其中，L為工作井的長度；L1為頂管機或管節的長度；L2為千斤頂的長度；S為墻壁厚度以及其他因素所保留的裕度。大口徑水管管道一般采用鋼管材質，直徑在2 000 mm左右，管節較短，通過式(1)進行計算時，L1取頂管機的長度，一般為5 m～7 m，L2取2 m，裕度取4 m，整個工作井長度L基本在11 m～13 m范圍內。

井位計算完成后，測量埋線，開挖工作井的基坑，制作沉井并使用固化劑進行固化。上述工作完成后，開始沉井下沉，下沉節點控制較為關鍵，分為初沉、中沉、終沉。初沉階段，20 min～30 min為一個檢測周期，檢測內容為測量井位的角點，若有誤差，及時糾偏，同時注意沉降的速率。中沉階段可適當加快沉降速率，但要時刻掌握整個下沉狀態，防止角度或深度出現偏差。終沉階段決定了整個工作井的深度，需要精確控制，一般下沉1.5 m～2 m。下沉結束后，靜置10 h，若自然下沉不超過1 cm，即可認為工作井處于穩定狀態，下沉結束。

3.2 頂管洞控制

3.2.1洞口加固

頂管洞控制首先采取洞口加固的措施，通過地面上的高壓旋噴樁設備注漿，起到洞口加固的效果。大口徑的管道所要加固的范圍在10 m以上，水泥摻入比為21%，注漿壓力保持在26 MPa以上，使土體水力傳導系數即滲透系數小于1.5×10-7cm/s。

3.2.2洞口止水

洞口止水工程是保證頂管工程順利進行的前提。大口徑的水管管道大多采用鋼管，雖然鋼管強度高，韌性好，管材易加工，但防腐性能較差，洞口的輕微漏水將會加快腐蝕鋼管的表面，導致其使用壽命縮短；漏水過多更會影響管道土體組織，造成其松動，形成路面塌方，出現嚴重的工程事故。止水主要裝置是橡膠止水板。在頂管機側以及土體各設置一層橡膠止水板，中間設置鋼夾板以及鋼支撐部件，鋼夾板與兩層橡膠止水板就形成了復合層。復合層中內層止水板的內徑尺寸比鋼夾板略小，而外層的則比鋼夾板尺寸大，層與層會存在空腔部分。空腔部分再注入聚氨酯，聚氨酯遇水會發生化學反應，生成物具有彈性固體特性，同時會附著在鋼夾板上，充滿整個空腔，能起到更好的支撐以及防水作用。

3.3 頂管工程

3.3.1頂管機頂力計算

頂管機在頂進施工過程中將受到各種阻力，阻力來源于頂管設備自身、周圍土體和水管管節，阻力分類包括各個部分的摩阻力、頂進設備的迎面阻力。為更好的實施頂進工程，應對所需頂力進行計算。摩阻力的計算公式如下：

F=f(2PV+2PH+PB)

(2)

其中，F為摩阻力；f為摩擦系數，鋼管的摩擦系數參考表1；PV為土體產生的垂直壓力,kN；PH為兩側的土體產生的水平壓力,kN。

表1 鋼管的摩擦系數

迎面阻力計算時應考慮地下水的影響，通常是通過“水土分算”或“水土合算”來體現，前者適用于砂性土，后者適用于粘性土。砂性土的迎面阻力計算公式為式(3)，粘性土的迎面阻力計算公式為式(4)。

(3)

(4)

其中，αi為第i層土體；c為土體的粘聚力；hi為第i層土體的厚度；αw，hw分別為水的重度與水的高度；D為大口徑管道的外徑。

計算出摩阻力F與迎面阻力FA后，根據軸向力平衡原理，同時考慮一定的安全系數(安全系數正常取1.3)，即可得到總頂力R為：

R=1.3(F+FA)

(5)

3.3.2泥漿減阻

在頂管施工過程中注入泥漿可以將管片和土體之間的干摩擦轉換為泥漿與管片及土體之間的液體摩擦，可大大減小摩擦力，降低頂管設備的磨損程度，降低施工成本，同時可以填補土體縫隙，防止出現大口徑管道施工中容易出現松動等現象，可有效控制土體沉降問題。

1)注漿量計算。

管節外側的注漿量計算公式為：

(6)

其中，D1為頂進設備外徑；D2為管節外徑，單位均為m。在大口徑管道施工中，注漿量可取計算值的1.2倍～1.3倍。

2)注漿孔布置與泥漿護壁。

管道沿管壁均勻分布3個～4個注漿孔，保證注入的泥漿具有一定的密集程度，且能平衡土體的壓力。頂進設備頂進一定長度后，利用注漿機從管道的注漿孔注入到土體中，泥漿由于注漿機施加的壓力，侵入淺層土體中，并進一步滲透入地層土體中。注漿完成后，向注漿孔往外注入厚漿型環氧樹脂涂料，通過六角螺栓擰緊封堵，擠出多余涂料完成最后的防腐和密封工作。

3)泥漿置換。

管道頂進貫通后，及時更換泥漿，將純水泥置換原先的觸變泥漿，能有效避免管道發生滯后沉降，完成后靜置一段時間，純水泥逐漸凝固，泥漿置換工作結束。

3.3.3頂管工程監測

在整個頂管工程，監測人員必不可少，需要委托安全檢測部門監測施工現場，指導頂管施工的開展，并給予相應的預防措施，避免施工過程出現突發事件。借助水準儀和經緯儀等專業工具，在幾個關鍵時間點例如頂進前、進洞后、管道貫穿后，觀測路面的位移和沉降情況，并記錄地面隆陷情況、沉降值。頂管工程結束后，相應的工程人員將采集的數據進行檢查，確保資源準確無誤。

4 結語

定向頂管技術隨著社會的發展一定會有一個較好的發展前景，其獨特的優勢非常適合應用在大口徑管道的施工中。因此本文詳細闡述了定向頂管技術的特點與工藝，并結合大口徑鋼管的材質，探討了施工的設備選擇，整個施工中的關鍵技術包括如何進行工作井的建設，頂管洞的控制，以及針對不同的土質條件下，大口徑鋼管頂進過程中的頂力計算等。本文僅是普通情況下對定向頂管技術的應用進行探討，在具體工程實際施工過程中應結合實際需求，再進行施工。