頂管法在市政管道工程中的應用技術研究

尹冬 ，苗雷強 ，梁朋飛 ，石家豪

（1.石家莊市道橋設施管護中心，河北 石家莊 050000；2.河北省建筑科學研究院有限公司，河北 石家莊 050000；3.河北省建筑工程質(zhì)量檢測中心有限公司，河北 石家莊 050000）

1 引言

近年來，隨著我國城市建設的快速發(fā)展，給水、排水、燃氣、雨水、污水等保障城市正常運轉(zhuǎn)的市政管線工程建設也隨之快速推進。市政管道往往敷設于城市道路下方，傳統(tǒng)的溝槽明挖法不僅造成城市道路“拉鏈路”，而且對交通安全和居民生活帶來較大的不利影響。同時，市政管道在城市建設中往往還會遇到穿越鐵路、市政道路、河流、地上建筑物、地下構筑物等不允許采用明挖法開挖的地段。頂管法作為一種良好的、可避免大挖大填的暗挖施工工法，不僅可以很好地解決上述市政管道建設技術難題，而且可以減少對環(huán)境的污染和道路的堵塞，具有顯著的經(jīng)濟社會效益。

2 頂管法原理和優(yōu)缺點

頂管法是地下管道暗挖施工方法的一種，這種施工方法只需要開挖管道兩端工作井，用于施工器械和管段的安裝放置，不需要開挖中間段的地面，廣泛用于下穿道路、鐵路、河流以及其他地下或地面設施。頂管施工時，通過一端的工作井中安裝頂管千斤頂和頂進軌道，為管段的頂進提供充足、穩(wěn)定的動力，同時采用機械或人工的方式削除管頭正面的土體，并由管段和工作井將土運出，管段頂進土體后繼續(xù)在后部補充新的管段，直至頂進到預定位置。

頂管法分類方式很多，可按施工機具、口徑大小和工作面土壓平衡方式等進行分類，具體分類如下表1所示。

頂管施工的分類 表1

在市政管道建設過程中，采用頂管法施工具有以下優(yōu)點：①僅需開挖兩端工作井，由于開挖面小，對交通影響較小；②相比明挖法，施工土方量明顯減少，施工更加經(jīng)濟高效；③施工噪聲小，對居民生活影響小；④相比較溝槽明挖法施工，其施工的工期明顯縮短；⑤當穿越鐵路、河流等不允許開挖或沒有開挖條件的狀況下，其優(yōu)勢顯著；⑥對于埋設較大的市政管道敷設也具有較大優(yōu)勢。

同時，市政管道采用頂管法施工也有一些缺點，比如：①當市政管道曲率半徑較小，采用頂管法施工非常困難；②由于頂推力作用在管道后部，頂管前端無牽引，當土質(zhì)較軟時，管道走向容易出現(xiàn)偏差，且調(diào)整困難，同時容易產(chǎn)生不均勻沉降；③管道頂進過程中遇到較大障礙物時難以處理。

在城市市政管道建設過程中，根據(jù)工程當?shù)氐木唧w地質(zhì)條件，結合工程的實際要求，針對性選擇合適的頂管施工技術十分必要。

3 頂管法施工流程

頂管法在市政管道暗挖施工中應用廣泛，頂管法施工的基本工藝流程如圖1所示。

圖1 頂管法施工工藝流程圖

4 頂管法施工關鍵技術

根據(jù)以上頂管法施工的工藝流程，總結頂管法施工的關鍵技術主要包括：施工機具選擇、工作井施工、導軌施工、頂進后備施工、頂進設備與管節(jié)安裝施工、挖土頂進與測量糾偏施工、管道拼接施工等內(nèi)容。

4.1 施工機具選擇

市政管道工程頂管施工機具的選擇，應在保障工程質(zhì)量安全和文明環(huán)保的基礎上，根據(jù)工程水文地質(zhì)條件和施工環(huán)境選擇，必須遵守“與土質(zhì)相適應”“與施工條件相適應”“確保施工安全”和“施工經(jīng)濟性好”的四大原則。頂管法施工機械設備主要包括管段和機械吊裝設備、高壓油泵和千斤頂?shù)软斶M設備、頂進后背、承接管段和設備的導軌、井口和管內(nèi)出土工具、經(jīng)緯儀和水準儀等測量儀器。頂管施工所用儀器設備的具體功能和數(shù)量應結合實際情況確定。

4.2 工作井施工

頂管施工的始發(fā)井和接收井必須進行井壁支護，具體的圍護形式應根據(jù)基坑尺寸并考慮周邊地質(zhì)、地下水、其他地下設施、周邊建筑等情況綜合分析確定。

頂管工作井的設計長度要考慮頂管施工時相關機械設備、管段、人員作業(yè)等空間要求，具體可依據(jù)下式結合實際情況確定：

其中，L為工作井滿足頂管施工需要的最小長度；Y為頂管機和管段長度中的較大值；Y為頂管后千斤頂長度；Y為千斤頂承壓后背的厚度；X為頂入管段需留在外部導軌上的最小長度；X為頂鐵厚度；X為管段頂進回退和管段安裝操作預留空間。

工作井除應滿足安裝頂管機具設備、導軌和頂進管節(jié)的要求外，還需滿足井外出土和作業(yè)人員操作的要求。一般要求，工作井上口前沿距路邊不小于2m，放置管道后每側要有1m的工作面；在有地下水影響的情況下，還必須設置排水坑及其排水設備。

4.3 導軌施工

頂管法施工導軌固定于始發(fā)井的底面，導軌下墊有枕木，枕木間距根據(jù)實際情況確定，一般為0.8～1m。頂管法軌道鋼軌一般為兩根，軌道間距根據(jù)管段直徑和軌道高度確定，一般保證管段放置在導軌上后管段下表面高出枕木20mm以上。導軌一般選用鋼材制作，確保具備足夠的強度和剛度，且導軌與底板連接應牢固穩(wěn)定。兩根鋼軌安裝應平順且處于相同標高，準確安裝到設計位置，以確保管段頂進預定的位置和方向。也可在導軌上加設配套滑板車，以減小頂進時管段與導軌之間的摩擦。

4.4 頂進后背施工

頂進后背是設置在頂管千斤頂后，為千斤頂提供后部支撐和發(fā)力點的結構，后背剛度強度和穩(wěn)定性直接影響頂管施工的順利進行。后背的強度應滿足頂管推進最大推力要求，且后背墻面要垂直于頂推方向，整個頂進過程中保證后背不發(fā)生明顯形變。根據(jù)頂管施工現(xiàn)場實際情況進行后背結構的選擇和施工，當工作井埋深較淺或周圍土體松軟時應人工構筑后背結構，當覆土較深時可采用天然土體夯實的方法構筑后背結構，在混凝土工作井內(nèi)，可采用混凝土現(xiàn)澆的方式構筑后背結構。

4.5 頂進設備與管節(jié)安裝施工

頂進設備由高壓油泵和千斤頂組成，高壓油泵為千斤頂提供動力，千斤頂安裝在后背和頂進管段中間，并在千斤頂和管段連接處設置鋼護圈和橡膠墊以保護頂管。管段外部應涂潤滑劑以減少頂管頂進的阻力，通過千斤頂?shù)耐屏χ鸩綄⒐芏雾斎胪馏w中。

4.6 挖土頂進與測量糾偏施工

設備安裝后經(jīng)試運轉(zhuǎn)無異常即可掏頂進，掏土一般可分為人工掏土、機械掏土和擠壓式掏土，人工和機械掏土如圖2所示。

圖2 頂進掏土施工

管道頂進過程中應隨時測量監(jiān)控，每次頂進均需要進行偏差測量，發(fā)現(xiàn)偏差及時糾正。頂管距離較長或曲線頂管最好采用自動測量系統(tǒng)，自動測量系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 自動測量系統(tǒng)

5 結語

頂管法作為一種良好的、安全有效的、經(jīng)濟適用的暗挖施工技術，已逐漸成為解決當前市政道路“開膛破肚”“拉鏈路”等城市化問題的有效手段，可用于市政管線穿越鐵路、市政道路、河流、地上建筑物、地下構筑物等不允許開挖地段，具有顯著的經(jīng)濟社會效益。作為城市“生命線”的市政管線工程，應結合工程實際水文地質(zhì)條件、施工環(huán)境和設計要求，選用與之適應的頂管施工方式，正確選擇頂管機具、配套輔助設施和相應的技術保障措施，對于市政管道頂管施工十分關鍵。