市政給排水施工中微型頂管技術的應用

陳 偉

（西城工程設計集團有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

隨著城市的快速建設及發展，城市中管線網絡規模越來越大，且錯綜復雜，采取明挖法進行市政給排水管道施工的難度越來越大。因此非開挖技術在市政給排水管道項目中應用越來越廣泛，且取得長足發展。微型頂管施工技術是非開挖技術的一種，常用于小口徑管道施工中，不僅繼承了常規頂管技術的優勢，而且也可解決常規頂管圍護結構大易引起管道搬遷、延長工期等問題。因此，該文針對頂管技術進行深入研究，對推動市政給排水微型管道施工技術發展有積極的意義。

1 工程概況

某市二級污水管網改造項目施工長度約2.96 km，管道直徑要求300mm～400mm，且預改造污水管道均在現有道路下，管道平均埋深為4.5m，局部埋深為8m，主要采取開槽埋管的方式進行施工。其中約500m 污水管道施工區域環境復雜，地下燃氣管道、超高壓電力等管線密集，并且需要穿越河流及既有鐵路線，需要采取非開挖方式進行施工。

為了了解施工現場水文地質情況，在現場對施工范圍內25m 深的土層進行勘測，具體水文地質情況如下（自上而下）：①1-1 層為雜填土；②層為粉質黏土，呈褐黃—灰黃色；③層為淤泥粉質黏土，呈灰色；③夾層為黏質粉土，呈灰色；④層為淤泥質黏土，呈灰色；⑤1 層為黏土，呈灰色；⑥層為粉質黏土，呈暗綠色。

這次微型頂管施工主要是穿越③層灰色淤泥質粉質黏土，個別位置會穿越④層灰色淤泥質黏土。地下水整體穩定性比較好，水位埋深為0.4m～1.7m，承壓水位埋深為3.0m～12.0m。

如果選用水平定向鉆法則會因無造斜距離或施工精度不高而難以穿過管線密集區域；選用常規頂管技術則會因圍護結構大而引起管線搬遷或者延長工期等問題；采取明挖法則須進行支護且需要與管線所屬單位協調搬遷管線，對周圍影響大，且成本高。因此，綜合考慮到這次管道施工的特點及難點，且管道均為小口徑管道，對技術性進行比較后，最終決定采用微型頂管技術進行施工。

2 微型頂管施工技術

2.1 工藝原理

微型頂管施工主要是以地箭式的方式出土，其出土方式又可以細分為標準地箭式及改良地箭式。標準地箭式是分步驟進行排土的，而改良地箭式是通過壓密向前推進，不排土。地箭式工藝是用前導管做導體，并在其后端連接上螺旋出土管、擴孔切削頭及預敷設的管材，再通過液壓設備將前導管按設計軌跡要求逐步頂進，最終實現管道敷設的目標[1]。

2.2 適用條件

微型頂管施工技術是一種非開挖施工技術，經常用于施工場地下、周圍環境復雜及地下管線分布復雜的管道穿越項目中，且適用于砂性或黏性的松軟土層環境，頂管施工所用管道以埋深比較深且重力流排水管道為宜。同時，在微型頂管技術應用過程中，單段頂距應≤80m、工作井深度應≤15m，且適合管徑≤600mm 的小口徑管道頂進施工[2]。

3 施工方案

3.1 施工方法確定

根據以往的施工經驗，當在標準貫入試驗錘擊數N>15的地質條件下，宜采取標準地箭式技術進行施工；當在標準貫入試驗錘擊數N<15 的地質條件下，宜采取改良式地箭式技術進行施工。在該項目中，頂管施工的管道直徑為300 mm～400 mm，屬于小口徑管道，且頂管所經區域以淤泥粉質黏土為主，地下水的水位比較高，土壤摩擦系數比較低，壓縮性高，標準貫入試驗錘擊數N為6.0～9.0，小于15，因此這次微型頂管施工采用改良地箭式方法進行施工。

3.2 管材選用

當前，小口徑頂管施工中常用的管材主要包括鋼筋混凝土管、樹脂混凝土管及離心澆鑄玻璃鋼夾砂管等。經綜合考慮造價成本及效益后，決定選擇使用樹脂混凝土管材進行施工，管材具體規格見表1，接口采取玻璃鋼套筒F型接口。

表1 樹脂混凝土管道規格參數

4 微型頂管施工要點

4.1 工藝流程

此次改良地箭式微型頂管施工的工藝流程如圖1 所示。

圖1 改良地箭式微型頂管施工工藝流程示意圖

4.2 測量放線

根據設計圖紙及施工需要，現場利用全站儀、經緯儀、水平儀等設備進行精確測量，并放出管道中心線，再參考中心線依次放出控制坐標點及高程水準點，最終形成一個完整的控制網，為后續頂管施工高效優質實施奠定基礎[3]。

4.3 工作井施工

因為該項目中，微型頂管所涉及的工作井及接收井在尺寸上比常規頂管施工所用的工作井小許多，所以將滿足此次施工要求的現有檢查井用作微型頂管的接收井，最終只需建設一個鋼筒工作井就行。工作井剖面圖如圖2 所示。

圖2 工作井剖面圖

該鋼筒是用壁厚20 mm 的Q235B 鋼板制作而成的，每節鋼筒的長度為2.0m，工作井用多節鋼筒焊接組成，并使用Y2590 型搖管機將鋼管井下沉至設計標高。待鋼筒井下沉到預定位置后，及時抽干井中的滲水，并馬上用C35 混凝土進行封底，厚度是2.0m，用作基坑底板，這樣也可以有效避免鋼筒井受地下水浮力影響而發生上浮。同時，基坑底板高程要低于設計管底標高0.8m，這樣便于設備安裝及頂管施工。另外，在基坑底板處也預留了一座深度0.5m、直徑80cm 的集水坑。

該微型頂管施工區為黏土層，地上水的水位也比較高，為預防開挖封底時發生涌沙、涌泥等問題，便在鋼筒井下沉就位后，對坑底做了壓密注漿。且將鋼筒底部嵌入封底下土層1.2m，以確保頂管時封底及鋼筒足夠穩定。

4.4 頂力計算及設備選型

參考《給水排水工程頂管技術規程》CECS246：2008中的相關規定，計算頂管施工的阻力，如公式（1）和公式（2）所示。

式中：F—總頂力，kN；Do—管道外徑，m；Dg—頂進機頭外徑，m；L—頂距，m；fk—管道外壁和土單位面積平均阻力，kN/m2；Nf—頂管機迎面阻力，kN；P—土倉壓力，kN/m2。

以DN400 mm 管材為例進行計算，管道頂進最長距離是64 m，Do=0.49mm，Dg=0.5m，L=64m，fk=6.5kN/m2，P=60 kN/m2，最終計算得出總頂力：kN。

此次微型頂管施工選用的是推進機臺尺寸為1950mm×1200mm×850mm（長×寬×高），具體功能及參數見表2，可輸出1600kN 的頂力，滿足實際頂進施工要求。

表2 推進機臺的功能及參數

4.5 設備安裝

首先，在工作井中安裝后背。此次頂管所用后背是鋼筒井井壁，鋼筒就是后背墻。后背與機臺之間的空隙使用三角鐵進行焊接加固，增加機臺的穩定性。其次，校正鋼筒中心及頂管的軸線。最后，根據管道中軸線依次將推進機臺、機臺底座、激光經緯儀等安裝好，以備后續施工。

4.6 止水裝置

頂管施工設備安裝完畢后，在鋼筒井壁上切割開洞，并安裝由環形鋼片＋橡膠＋緊固螺栓組成的鏡面框，用來防止先導管及管道頂進過程中泥水從洞口流入井內，造成水土流失。開始頂管之前，把中間的橡膠割開，并按導向孔→黑管孔→管道孔的順序進行3 次開孔，且開孔孔徑應比導向管、黑管等的管徑小一點。另外，也對洞口上下1m范圍內做了注漿加固，這樣可以防止因地下水水位高而使泥水壓力過大進而通過洞口涌入井內[4]。

4.7 先導管頂進

安裝并調試好激光經緯儀后，便開始進行先導管頂進操作。先導管外徑為89mm，有效長度為750mm，在其前端連接有斜面的導向箭頭，且箭頭內安有測量覘標，可以通過激光經緯儀觀測覘標來測量頂進情況。先導管頂進過程中，應嚴格控制頂進方向與設計軸線保持一致。如果出現偏差，應及時調整箭頭斜面方向，并暫停先導管轉動，繼續向前推進，待方向快調正時，開啟設備使先導管轉動，按既定方向向前頂進。先導管頂進糾偏示意圖如圖3 所示。

圖3 先導管頂進糾偏示意圖

4.8 黑管頂進

根據設計軌跡，將先導管頂到接收井后，拆下導向箭頭，并將導向箭頭從接收井里吊出來，放到指定位置。然后使用變徑簡易機頭將先導管和黑管連到一起，接著持續進行黑管推進。在黑管頂進的過程中，應在接收井中把對應長度的先導管拆下來，并回收。

4.9 樹脂混凝土管頂進

待黑管頂進到接收井之后，將簡易擠擴機頭安到黑管尾端，并將其慢慢頂進洞中。同時，將樹脂混凝土管逐節吊裝到簡易擠擴機頭后，并頂進。在頂進樹脂混凝土管的過程中，接收井中應同步拆除黑管。同時，為了改善土壤性質，減少頂進過程的阻力，在簡易擠擴機頭上連接了高壓水管，通過高壓注水來降低機頭及管道跟土壤之間的摩擦力[5]。另外，樹脂混凝土管頂進過程中應嚴格控制精度在±2 cm。

4.10 機頭和微頂設備拆除

待所有的樹脂混凝土管都頂進完工后，在接收中將簡易擠擴機頭拆卸下落，并吊離接收井。然后，使用堵漏材料對管壁進行封堵，同時，工作井中對頂進設備進行拆卸。

4.11 鋼筒拔出

完成檢查井回填后，便可拔出鋼筒，并回收。為了避免對管道產生不利影響，先將管頂0.5m 以上的鋼筒拔出去。對施工場地有限且檢查井尺寸比鋼筒直徑大的情況，可將鋼筒直接用作井外壁[6]。

4.12 施工監測和CCTV 檢測

為了實時掌握微型頂管施工過程中對四周既有建筑物及環境的影響，確保施工的安全。根據設計要求及現實需要，在微型頂管施工期間，對管道底埋深1.5 倍范圍內的既有鐵路線、綜合管線等的變形及位移情況進行了實時監測。最終監測結果顯示此次微型頂管施工對四周管線、建筑物及地表環境的影響很小，可以忽略。

同時，為驗證此次微型頂管施工的質量是否滿足要求，現場對管道做了CCTV 檢測，經檢測，管道接口、管材及坡度等均滿足設計及規范要求。

5 結語

綜上所述，案例項目施工條件比較復雜，穿越區域以淤泥淤泥粉質黏土為主，另外，管道均為小口徑管材，常規非開挖技術難以滿足施工要求，因此應用微型頂管施工技術進行施工，最終不僅完成了施工任務，而且也幫助項目節約了成本約10%，保證整體工程的工期及效益。由此可以得出結論：微型頂管技術在市政給排水工程建設中有非常重要的地位及應用價值。如果需要微型頂管施工達到預期的效果，應根據現場施工條件選擇合適的工藝方法，制定合理可行的施工方案，優化施工參數，并嚴格控制各環節的施工質量，保證施工進度，合理降低施工成本，不斷提高頂管施工技術水平。