頂管在管道工程中的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)

劉長(zhǎng)勇

摘 要：頂管技術(shù)具有降低噪聲、減少粉塵、減輕對(duì)交通條件和環(huán)境狀況的干擾和破壞等諸多優(yōu)點(diǎn)，在管道工程中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。本文主要對(duì)這一技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行具體闡述。

關(guān)鍵詞：頂管技術(shù);管道工程;頂進(jìn)力

Abstract： Pipe jacking technology has many advantages， such as reducing noise， reducing dust， reducing the interference and damage to traffic conditions and environmental conditions， and has important application value in pipeline engineering. This paper mainly expounded the application of this technology.

Keywords： pipe jacking technology; pipeline engineering; jacking force

隨著城市化建設(shè)的不斷深入，市場(chǎng)對(duì)管道工程的需求量不斷增多。但傳統(tǒng)的管道工程需要大規(guī)模開(kāi)挖施工，會(huì)在一定程度上影響周邊的生態(tài)環(huán)境，工程效率也相對(duì)較低。近年來(lái)，頂管施工技術(shù)逐漸被應(yīng)用于城市管道工程，它不需要開(kāi)挖面層，直接穿越地面公路、河道、建筑物、地下管線(xiàn)等，不會(huì)干擾交通，也不會(huì)影響地面活動(dòng)，大大縮短了工程工期，降低了工程成本。但是，頂管施工技術(shù)的應(yīng)用具有技術(shù)難度高、工程地質(zhì)勘測(cè)要求高等難點(diǎn)。為充分發(fā)揮頂管在管道工程中的作用，需要充分掌握其設(shè)計(jì)與施工技術(shù)。

1 頂管技術(shù)施工原理

頂管技術(shù)施工原理如下：根據(jù)施工方案在管道沿線(xiàn)設(shè)置工作井和具有堅(jiān)硬后座的接收井，將要頂進(jìn)的油壓千斤頂、鋼管、混凝土管等利用工作井的后座逐步頂進(jìn)，再利用油壓千斤頂將油管、泥漿管、照明等管線(xiàn)慢慢頂進(jìn)，利用壓漿系統(tǒng)在管節(jié)周?chē)纬赡酀{套，使管道在內(nèi)滑行[1]。鋼管或混凝土頂進(jìn)的過(guò)程中，需要一邊頂，一邊排土，一邊利用激光經(jīng)緯儀測(cè)量并調(diào)整頂管方向，直到將其全部頂進(jìn)接收井里。

2 頂管施工工藝設(shè)計(jì)

管道工程中頂管施工工藝的設(shè)計(jì)要建立在對(duì)工程所在地質(zhì)情況準(zhǔn)確勘測(cè)的基礎(chǔ)上，并結(jié)合具體工程概況進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)前，要清楚掌握頂管沿線(xiàn)的地質(zhì)情況和底層結(jié)構(gòu)，明確水文地質(zhì)情況、土壤特質(zhì)和空間分布，以及地下埋設(shè)物、障礙物的具體情況，從而確定管線(xiàn)埋設(shè)的深度和分布范圍。本文以某市排水工程為例，分析頂管技術(shù)的設(shè)計(jì)和施工。

2.1 準(zhǔn)備工作設(shè)計(jì)

2.1.1 設(shè)置工作坑。設(shè)計(jì)的鉆孔灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)工作坑長(zhǎng)10～11.5 m，樁徑600 mm。將樁徑為600 mm的旋噴樁雙排設(shè)置于工作坑外圍，構(gòu)成止水帷幕，采用壓密注漿對(duì)工作坑坑底以下進(jìn)行加固，注漿孔的設(shè)置應(yīng)呈梅花形，設(shè)計(jì)1 m的間距，并設(shè)置兩道支撐裝置于工作坑中。

2.1.2 工具管選型。在工具管選型過(guò)程中，要確保頂管掘進(jìn)機(jī)的性能與效果。實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分結(jié)合工程地質(zhì)、施工條件、頂管管徑等情況進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)。例如，在雨水管管徑為1 500 mm的情況下，頂管施工可使用平衡性良好的泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)。該設(shè)備具有自動(dòng)平衡功能，能對(duì)泥水室的泥水進(jìn)行加壓處理，平衡地下水的壓力。為確保頂管工藝順利應(yīng)用，該設(shè)備還應(yīng)該具備主頂傾斜測(cè)試功能、速度監(jiān)測(cè)功能等，并將地表隆沉控制在±10 mm范圍內(nèi)，以確保工程的可靠性和安全性[2]。

2.1.3 頂進(jìn)系統(tǒng)。可采用四缸推力為800 t，系統(tǒng)行程達(dá)到3 200 mm的四缸200 t雙沖程等推力油缸，將其組裝于油缸架上。為承受住頂進(jìn)施工的后座受力和頂進(jìn)受力，必須嚴(yán)格根據(jù)油缸設(shè)計(jì)圖確定油缸的中心位置，油缸中心誤差必須在10 mm內(nèi)。另外，向主頂液壓動(dòng)力機(jī)組的供油可使用大流量斜軸式軸向柱塞泵，該機(jī)組對(duì)減少頂進(jìn)過(guò)程的阻力具有重要作用。最后，從頂管工藝的實(shí)際需求出發(fā)選擇主頂系統(tǒng)[3]。

2.2 頂管間距及覆土設(shè)計(jì)

在頂管間距及覆土設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須考慮地下管線(xiàn)之間的相互干擾和影響，需要充分考量頂管頂進(jìn)時(shí)的管道分布情況，確定管道的垂直凈距和水平凈距。若管道相互平行，需要充分結(jié)合管道埋深情況、頂管管徑、土層的具體性質(zhì)等來(lái)確定管道間的水平凈距。一般情況下，管道水平凈距應(yīng)在管道外徑的1倍以上，管頂?shù)母餐翆雍穸葢?yīng)大于1.5 m，并控制在管道外徑的1.5倍范圍內(nèi)。覆土工程沿線(xiàn)一般為污水管道、雨水管道、電力電纜、通信電纜、給水管道等管線(xiàn)，其深埋存在一定差異，覆土設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須確保不會(huì)對(duì)其造成影響，充分結(jié)合地下管線(xiàn)的具體情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3 管材與接口設(shè)計(jì)

首先，應(yīng)確保管材的質(zhì)量達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)考量管材的抗?jié)B性、外壓荷載、密實(shí)性等，并結(jié)合實(shí)際工程要求選擇管材。頂管接口的設(shè)計(jì)可采用F型鋼套環(huán)，并搭配承插式橡膠圈柔性接口，確保接口設(shè)計(jì)的合理性。

2.4 頂力計(jì)算

頂管頂進(jìn)過(guò)程中所受到的阻力即頂力，工程施工技術(shù)、管道彎曲水平、土質(zhì)等因素都會(huì)對(duì)頂力產(chǎn)生影響。同時(shí)，工作坑后座墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、千斤頂規(guī)格、頂管管材等后續(xù)內(nèi)容都會(huì)受到頂力的影響。為確保頂力計(jì)算的合理性，要嚴(yán)格按照頂管施工的總推力、頂進(jìn)阻力、迎面阻力進(jìn)行計(jì)算。

2.5 沉降觀測(cè)與沉降控制

沉降觀測(cè)對(duì)避免造成建筑物沉降、確保建筑物的安全性有著重要的作用。頂管工程施工中，管線(xiàn)沿線(xiàn)土壤會(huì)與頂管產(chǎn)生摩擦，在管道頂進(jìn)時(shí)使工作井發(fā)生位移，從而損壞地層，引起地面沉降，進(jìn)而會(huì)破壞管道，對(duì)建筑物的安全產(chǎn)生影響。因此，需要加強(qiáng)對(duì)水平位移和沉降量的觀測(cè)。沉井周邊及管道沿線(xiàn)為水平位移的主要觀測(cè)對(duì)象，可采用埋設(shè)側(cè)斜管的方式來(lái)觀測(cè)頂管施工中土體側(cè)向變形情況、沉井情況及對(duì)周邊環(huán)境的影響。相關(guān)規(guī)定要求，將每天水平位移速率控制在2 mm以?xún)?nèi)，并保持連續(xù)3 d，控制累計(jì)水平位移不超出0.5%。沉降量的控制是沉降量觀測(cè)中的重點(diǎn)。沉降觀測(cè)點(diǎn)應(yīng)沿管道走向布置，在設(shè)置過(guò)程中，還應(yīng)充分結(jié)合地下管線(xiàn)分布。同時(shí)，還要時(shí)刻關(guān)注頂管施工過(guò)程中的隆起和沉降問(wèn)題。相關(guān)規(guī)定要求，以工程開(kāi)挖深度的0.5%為沉井周邊沉降的控制范圍，每天的沉降速率應(yīng)控制在2 mm以下，并保持連續(xù)3 d，沉降問(wèn)題不得超過(guò)15 mm[4]。

3 頂管在管道工程中的施工技術(shù)

3.1 穿墻前注漿止水處理

利用壓漿止水的方法在頂管工作井穿墻洞口前方進(jìn)行處理，利用黏土、水泥和石灰，以3∶1∶2的比例攪拌而成的注漿液體與自然土混合，固結(jié)后不僅能確保順利穿墻，而且具有擋土和止水的效果。為確保工具頭順利出洞，應(yīng)將洞口的攪拌范圍控制在4 m×4 m處。

3.2 穿墻

穿墻工藝主要是，將穿墻悶板打開(kāi)，頂出工具管，安裝穿墻止水裝置。具體操作為：穿墻管內(nèi)填夯壓密實(shí)的紙筋黏土或低強(qiáng)度水泥黏土拌和土，以起到臨時(shí)性阻水擋土的效果。穿墻前利用注漿固結(jié)措施處理穿墻管外側(cè)，確保穿墻孔外側(cè)土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。開(kāi)啟悶板后立即將工具管推入，同時(shí)利用止水法蘭加壓板做好穿墻止水，利用具有較高耐磨性和延伸率、厚度為20 mm的天然優(yōu)質(zhì)橡膠止水板環(huán)防治穿墻外側(cè)土體產(chǎn)生擾動(dòng)流變。

3.3 頂管出洞

頂管作業(yè)中，尤其要注意控制頂管出洞。首先，第一節(jié)管子要從井中破出洞口的封門(mén)進(jìn)入土中，并開(kāi)始正常頂管前的質(zhì)量控制工作。其次，為了防止管線(xiàn)出現(xiàn)偏斜，應(yīng)采取工具管調(diào)零，并在工具管下的井壁上加設(shè)支撐，工具管出洞前預(yù)先設(shè)定一個(gè)初始角彌補(bǔ)下跌等。在該過(guò)程中，要注意觀測(cè)頂進(jìn)軸線(xiàn)，若發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)偏差，應(yīng)及時(shí)用主頂油缸進(jìn)行糾偏。

3.4 注漿減阻

對(duì)于管道周?chē)目障叮脡鹤⒂|變泥漿進(jìn)行填充，使之形成能夠支撐地層的泥漿保護(hù)套，減少地面沉降及頂進(jìn)阻力。在長(zhǎng)距離頂管施工中，適合采用注漿減阻的方法，在頂進(jìn)工作開(kāi)展的同時(shí)進(jìn)行頂管機(jī)頭尾部壓漿，然后在中繼間和混凝土管道的適當(dāng)位置進(jìn)行跟蹤補(bǔ)漿，以補(bǔ)充在中繼間的泥漿損失。

3.5 校正頂進(jìn)偏差

注意控制頂進(jìn)過(guò)程中的管位偏差，一旦發(fā)現(xiàn)偏差超過(guò)10 mm，需要立即校正。這一校正過(guò)程也就是糾偏，即機(jī)頭偏離設(shè)計(jì)軸線(xiàn)后，通過(guò)后部的糾偏千斤頂組緩慢地使機(jī)頭端面的方向發(fā)生改變，逐漸往中心靠近，從而減少偏差。糾偏過(guò)程不可猛糾硬調(diào)，需要緩慢進(jìn)行，逐漸促使管子復(fù)位。若高程和方向偏差同時(shí)出現(xiàn)，應(yīng)優(yōu)先對(duì)偏差較大的一方進(jìn)行糾正。在整個(gè)頂管施工中，需要不斷進(jìn)行調(diào)整和校正，可采用趨勢(shì)圖的方式來(lái)校正和調(diào)整偏差。施工過(guò)程中，每0.5 m測(cè)量一次相關(guān)數(shù)據(jù)，并做好數(shù)據(jù)整理和分析，編制偏差趨勢(shì)曲線(xiàn)圖，以作為分析和糾正機(jī)頭偏差發(fā)展趨勢(shì)和管道偏差的依據(jù)。在不斷調(diào)整過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)達(dá)到了相應(yīng)的峰值標(biāo)準(zhǔn)，則說(shuō)明偏差值已經(jīng)開(kāi)始減小，即前部管道機(jī)頭已經(jīng)逐漸靠近中心。一般情況下，頂進(jìn)糾正最常用調(diào)整四臺(tái)糾正千斤頂組法，利用千斤頂牽制管道偏差，牽制的方向正好與管道偏差方向相反。若頂管機(jī)頭出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，一般通過(guò)管內(nèi)反作用力在中間站或在管內(nèi)加壓進(jìn)行旋轉(zhuǎn)糾正[5]。

4 頂管施工技術(shù)要點(diǎn)

4.1 頂管長(zhǎng)度

頂管法施工的頂力會(huì)隨著頂進(jìn)距離的加大而不斷增大。頂管的管徑與其所承受的壓力成正相關(guān)，在一次頂進(jìn)過(guò)程中，頂管設(shè)備的承受力有限，因此，頂進(jìn)管的長(zhǎng)度不可過(guò)長(zhǎng)。頂管過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性和可控性都與頂進(jìn)管的長(zhǎng)度有直接關(guān)系。例如，在直線(xiàn)推頂?shù)那闆r下，使用長(zhǎng)管可以減少裝管次數(shù)。另外，在預(yù)壓坑的建設(shè)過(guò)程中，增大預(yù)壓坑的長(zhǎng)度，能減少直線(xiàn)上推頂管線(xiàn)的阻力，防止管列出現(xiàn)彎曲變形，保障管路頂進(jìn)的可控性。最后，施工時(shí)，管線(xiàn)的長(zhǎng)度應(yīng)結(jié)合管徑的大小來(lái)確定，參考標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)L/D外≥2.10則為長(zhǎng)管;L/D外=1.15則為標(biāo)準(zhǔn)管;L/D外≤1.10則為短管[6]。

4.2 利用觸變泥漿進(jìn)行頂管

利用觸變泥漿進(jìn)行頂管能有效降低30%～50%的頂力，具有良好的潤(rùn)滑性、穩(wěn)定性和觸變性，對(duì)減小頂管時(shí)的阻力有重要作用。在使用頂管技術(shù)時(shí)，需要在管壁外部留一些孔洞向外壓送觸變泥漿，使得管外壁和土層間的摩擦作用減小。同時(shí)，將觸變泥漿套裹在管子外壁上，產(chǎn)生一定的浮力，減少頂力。觸變泥漿由水、堿、膨脹土以一定的比例調(diào)配而成，在沒(méi)有外力影響的情況下為黏稠狀態(tài)，對(duì)其攪拌后會(huì)變得稀薄，狀態(tài)發(fā)生改變。

4.3 頂管工具的規(guī)格及中繼間的設(shè)置

常用的頂管工具有頂管機(jī)、高壓油泵系統(tǒng)、千斤頂?shù)取榱烁玫匕l(fā)揮頂管技術(shù)的效果，在施工過(guò)程中，要對(duì)相關(guān)工具的數(shù)量、規(guī)格等做好調(diào)整。另外，明確中繼間的設(shè)置要點(diǎn)。所謂“中繼間”，就是當(dāng)頂管段太長(zhǎng)或者頂力過(guò)大時(shí)，為了減少頂力可將管道分成數(shù)段，使每一段成為一個(gè)獨(dú)立的頂進(jìn)單元，在每單元間有可伸縮的工具管，工具管內(nèi)設(shè)置千斤頂及高壓油泵等設(shè)備，前段以后段為后背，分段接力頂進(jìn)。

4.4 工作井和支承后背的要求

嚴(yán)格按照相應(yīng)的施工建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定處理工作井擋土板。為確保頂管技術(shù)的效果，最好在充分考慮中心線(xiàn)、水平或坡度、高程等因素的情況下，在坑底的道木頂上設(shè)置導(dǎo)軌來(lái)提高管道的潤(rùn)滑度。支承后背的兩種形式為人工后背和原土層后背。通常來(lái)說(shuō)，150 kPa為原土后背及一般土質(zhì)所能承受的頂力，為了讓后背更加均勻，可利用頂管的反作用力進(jìn)行處理，后背的設(shè)置應(yīng)按照頂管的直徑設(shè)置在垂直于管線(xiàn)的方向上，從而減少阻力。若為小直徑管道，在施工時(shí)間充足的情況下，可設(shè)置鋼筋砼或砌石后背，如果施工時(shí)間緊迫，則可設(shè)置簡(jiǎn)易后背。

5 結(jié)語(yǔ)

頂管施工技術(shù)在管道工程中具有重要的應(yīng)用價(jià)值，具有多方面的優(yōu)勢(shì)，是一項(xiàng)兼具高效性和環(huán)保性的施工技術(shù)。在頂管施工技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，工組人員要了解頂管施工工藝設(shè)計(jì)、施工流程、重點(diǎn)施工工藝等，提高頂管施工的質(zhì)量和效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]游作華.頂管施工技術(shù)在實(shí)際市政工程中的實(shí)踐探究[J].江西建材，2014（16）：57.

[2]王圣成.市政工程給排水施工中頂管技術(shù)的應(yīng)用分析[J].中華民居（下旬刊），2014（3）：350-351.

[3]張振.超大矩形斷面頂管隧洞開(kāi)挖引起的地表沉降研究[D].鄭州：華北水利水電大學(xué)，2016：74.

[4]徐洪強(qiáng).雙通道矩形頂管下穿城市道路施工技術(shù)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2020：130.

[5]劉永忠.城市重建道路與建筑給排水管網(wǎng)的選擇與施工[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2010（12）：151-152.

[6]蔣志剛.大直徑鋼頂管非線(xiàn)性屈曲及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[D].南京：南京林業(yè)大學(xué)，2015：84.