機械頂管技術在市政管道施工上的應用

石子勇

中國核工業(yè)第五建設有限公司，上海，201512

0 引言

城市中地面高樓林立、交通擁擠，使得其很多功能必須通過地下建設來完成，但當前地下建設已經非常復雜，出現(xiàn)故障時，地面開挖存在很多困難。但采用頂管技術可解決一些問題，對隧道施工具有重要意義。

1 頂管施工的基本原理

頂管是繼盾構施工后發(fā)展起來的一種地下管線施工技術。該技術無需挖掘路面，就可以通過公路、鐵路、河流、地面建筑物、地下構筑物和各類地下管道。頂管施工是利用頂油缸和管道之間的推動力，將鉆頭從工作井內部通過土層推進到接受井。同時，將鉆頭和鉆頭后面的管線埋入兩口井中，從而達到不開挖地下管線的施工[1]。

2 城市建設中頂管技術的應用范圍

頂管技術適合于市區(qū)繁華地帶、中心城區(qū)、人口密集地區(qū)及城市建設過程中不能搬遷、不能進行大規(guī)模挖掘的特殊區(qū)域。當不能進行空中架線、開槽埋管等作業(yè)時，對于直徑80～600mm的埋管，則可以采用頂管法[2]。在鋪設市政下水道直徑超過500mm的情況下，如果不能在工地上進行明渠開挖、埋管，管線附近沒有其他建筑物的地基，則可以采用頂管法進行施工。當前，我國很多城市在建設城市管網時，經常會出現(xiàn)多次開挖路面的情況，這種情況會給道路帶來很大的影響，不但會縮短道路使用壽命，而且會給居民的日常生活帶來很大的不便。配套的電信設施、自來水、煤氣、排水、路燈、城市坐標、候車亭、廣告牌、路牌、電話亭和治安崗亭都需要拆除，這無疑會加劇城市設施的損壞，增加工程的難度。其中就包括：在老城區(qū)的改造中，由于原有的管網縱橫交錯、錯綜復雜，許多管道的具體位置都模糊不清，原始數(shù)據(jù)經常缺失，導致城市在鋪設市政管道的過程中，無法進行科學、高效的挖掘；當高架線路遇到交通干線、繁華街道、文物古跡、鐵路、河流等阻礙時，必須轉移到地下過渡；當下水道直徑超過100mm時，由于施工場地周圍條件較差，受諸多限制，采用明渠開挖埋設管道是不合適的[3]。

3 在進行頂管施工之前的若干問題

3.1 工程地質與水文地質

在施工之前，要掌握土壤的變化；如果要經過填筑的區(qū)域，就需要進行加固，防止地面出現(xiàn)明顯的塌陷。

3.2 有毒和有害氣體的探測和防范

在頂管工程經過的地方，往往會形成一層淤泥，里面的植物和動物會在土壤里產生有毒和有害的氣體。在頂管施工中，要定期對管道中的有毒有害氣體進行監(jiān)控，以保證管道的安全。

3.3 對地下管道的預先探測

在頂管施工中，其他管道的埋設深度應事先確定，這對確保頂管施工和其他地下管道的安全都是有益的。

3.4 基本調查

在建筑物地基下進行頂管工程時，應在施工線路中明確建筑地基的類型。對于局部不穩(wěn)的建筑物，在頂管頂入之前，可以采用托換和加強的方法。

4 在頂管施工前的預備工作

4.1 施工前的設計審查

在施工之前，要審查設計文件、施工圖紙等，了解工程特點、難點和重點；認真聆聽設計師的交底，體驗設計意圖，了解相關的行業(yè)協(xié)作需要；檢查是否符合實際情況，是否符合設計要求，避免由于設計上的疏忽或考慮不周而造成的矛盾和困難，避免在施工過程中出現(xiàn)各種管道、管道與電纜、橋梁、管線與建筑之間的矛盾；對于需要預留、預埋的部分，要在專業(yè)的圖紙上進行查找，并改正錯誤，明確要求。

4.2 可選用的頂管

通常使用的是鋼筋混凝土管，這種管耐腐蝕、施工方便，但如果不需要耐腐蝕，也可以采用鋼管。鋼筋混凝土頂管的配筋、應力驗算及規(guī)范設計均須符合有關規(guī)范，并須經正規(guī)生產單位批準。選用頂進管時，應從兩個方面考慮：①對頂進管長度的確定。通常采用長管，由于采用直插方式，可減少安裝數(shù)量，縮短施工周期。然而，如果在施工過程中線路發(fā)生了重大偏差，采用長管道將會增大頂壓坑的長度和挖坑、回填、支護和修復成本，這時，為了有效控制管線的頂入狀態(tài)，必須選用較短的管道。②選用頂管的直徑。頂管內徑應按工程特點和要求確定，頂管外徑應由其受力程度、配筋及壁厚決定。通常，為了便于挖掘人員操作，頂管內徑必須大于或等于0.5m[4]。

4.3 其余頂進裝置的選擇

在給排水管道施工中，常用的頂進裝置有頂鐵、高壓油泵、液壓油缸、液壓千斤頂?shù)取Ｆ渲校Ы镯斒蔷蜻M頂管的主要設備，可分為分體式液壓千斤頂、超薄液壓千斤頂、螺旋式千斤頂和立式油壓千斤頂?shù)取ｍ旇F是一種輸送、分散頂力的裝置，按其位置不同，可分為U型頂鐵、順頂鐵、橫頂鐵三種。高壓電油泵是一種用于向預應力千斤頂輸送張力的裝置，它的規(guī)格型號是ZB2x2/50，ZB是裝置的名稱，2表示每分鐘的額定供油和供油方式，50是油壓的標稱，在工程中，高壓電動油泵應根據(jù)規(guī)范選用，其中工具管道以作業(yè)倉和挖掘倉為主[5]。

4.4 施工前的工作

4.4.1 場地平面布局

在頂管施工之前，現(xiàn)場平面布局主要有：注水系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、起重設備、管土堆場、料場、棄土坑、拌漿材料堆場、拌漿房等。

4.4.2 加固后靠土及頂管的進出處

在后靠土體及頂管入口處，應采取高壓旋噴法進行補強，以保證頂管出孔的安全。為了有效避免頂進管鉆進和鉆進預留孔的泥水流失，必須在工作井口設置止水器，確保頂進管機頂進時不會發(fā)生觸變泥漿。

5 頂管施工工藝

頂管施工工藝及流程：施工前的準備—測量高程和軸線—開挖頂管工作坑—鋪設頂管導向裝置—安裝頂板—安裝頂進裝置和吊放管節(jié)—挖土頂進—測量及糾偏—再次挖土（管中土）頂進—測量周而復始—驗收。

5.1 頂管井的合理布置

通常來說，頂管是一種以鋼筋混凝土為主的接受井和工作井。如果當?shù)氐耐寥罓顩r不佳，為了避免發(fā)生頂管井坍塌和孔體的損壞，必須在井筒內設置徑向外撐桿，以保證其施工質量。頂管井按其結構布局的不同，可將其劃分成單排孔、單孔兩種。單排孔井多采用矩形斷面，而單孔井有矩形、方形、圓形等多種斷面，圓形斷面最大，矩形斷面最小。在實際工程中，要根據(jù)不同的地形條件，合理布置和使用頂管井[6]。在排水管道施工中，接受井與工作井之間的距離應該以間隔的形式布置，這樣就可以確定接受井與工作井之間的距離。施工中采用鋼筋混凝土沉井法、WMS攻井法、鋼板樁等施工工藝。根據(jù)工地的特點，工作坑和接收坑可以分為方型、圓型、腰鼓型。在頂管線路的前方頂部，必須有一個工作坑的預留孔；后靠后、后、后部、環(huán)形井壁、鋼板樁等施工中，通常需要在井壁和后部之間增加一道后墻。

5.2 頂管施工的具體施工方法

5.2.1 穿墻

首先要將穿墻的門板打開，把工具管子從井口中頂出，并安裝好安裝在墻上的防滲裝置。為了保證頂管穿墻施工的質量，必須采取如下措施：①使用紙筋黏土或低強度水泥黏土進行密封性填筑，避免因施工環(huán)境濕度對管線的正常施工造成影響。②為了補償穿墻處的穿壁孔強度不足，在頂管洞外進行了灌漿。③在插入工具管時，要迅速地移動，確保通過墻壁的防水設備具有很好的工作性能。④針對頂管施工中遇到的問題，采取相應的對策，確保項目的順利完成[7]。

5.2.2 頂管出洞

對頂管出洞環(huán)節(jié)的處理，要從下列方面著手：①在下管前，要認真觀察管道的表面是否有縱向裂縫和斷裂。②保證管道壁光潔平整，無氣泡、凹坑，端面平整。③管道檢驗合格后，使用吊車將其吊至工作坑的軌道上，并由吊車進行測試和檢驗，確認其安全后才下管，以保證下管時無工人進入作業(yè)坑。④先把一根管子放到導軌上，對管子前端、中心和后端的管底高度進行嚴格的測量，并確保其安裝質量[8]。

管道的阻力由前向阻力和外周阻力兩個方面構成。為了減小前頂?shù)淖枇Γ梢詫⑶安扛臑榧忸^。當頂管長度增加時，推力迅速增加。為了防止套管超出壓力極限，在管道外進行減阻是保證工程順利進行的重要措施。在施工中，通過在套管周邊注入觸變泥漿，使套管與土壤由干摩擦轉變成濕摩擦，從而起到減阻作用。觸變泥漿按照一定比例混合后，放置24h。施工時，由機頭、三段管的注漿口經壓漿裝置將觸變泥漿注入，形成厚度為10mm左右的鉆井套，從而在鉆井液中滑動，減小了鉆具的摩擦力。從壓力計和流量計上可以看出，壓漿的受控壓力是天然地下水的1.1～1.2倍左右。在施工作業(yè)中，應采取“先壓漿，后頂管，邊壓漿邊頂管，邊頂管邊補漿”的方法來保持井筒的工作性能。機頭本身有一個糾偏部分，它的最大誤差可以在1.2°～1.7°[9]。

5.2.3 灌漿減阻力

將適當數(shù)量的減阻泥漿注入輸油管的外壁，在管外形成一個泥漿罩，對地層起到一定的支持作用，減小地表沉降，減小與周邊土壤的摩擦，最終減小頂管頂進時的阻力；此外，實際使用的泥漿通常是原計劃的四五倍，因此，要隨時保持足夠的泥漿。

5.2.4 頂管的糾偏

常見的糾偏方法有：①在使用先進的土壓力平衡或砂體平衡式掘進機施工時，可以將設備設置為“自動”或“手動”狀態(tài)，由系統(tǒng)根據(jù)測量系統(tǒng)所顯示的數(shù)據(jù)和誤差，進行自動糾偏，或由人工進行糾偏。②挖掘土壤的方法，也就是通過在各個位置上增加或減少挖掘量來進行修正。比如，如果管頭的偏差是正的，就應該在管的底部進行超掘（但不能太多），在管節(jié)持續(xù)頂入后，利用管節(jié)自身的重力使其下沉。一開始，管節(jié)的尾部已經被泥土壓住，但由于前節(jié)的重量不夠大，所以會先發(fā)生向上的情況，再過一段時間，管道的重量就會降低。該方法在誤差小于10mm時，修正效果比較緩慢。挖土校正方法主要是在土壤質量好的黏性土壤中進行，或在地下水位以上的沙土中進行。③強迫修正法是利用強迫手段產生的局部阻力，使管道在糾正的方向上移動。其方法有襯墊法、支頂法、支托法和頂頂法。④對糾正工具管內的偏差進行修正。矯直器是一種特殊的頂管施工設備。根據(jù)管徑大小，選用不同口徑的校準器。校正工具管主要包括工具管、刃腳、校正千斤頂、后管等。對齊千斤頂按照軸向排列，一頭與刀具管相連，一頭與后管子相連。刀具和后管子之間的空隙為0～15mm。后管子和刀具管子的連接要牢固。在進行鋼筋混凝土管道的頂入時，用校正千斤頂將第一段鋼筋混凝土管段作為后部，調整刀具管的方向。在頂進時，刀具管作為一個導軌，可以指導后面的管節(jié)正常運行，同時也可以作為錯誤發(fā)生的原因。所以，刀具管要靈活工作，盡量縮短它的長度。

6 頂管技術的施工要點和注意事項

（1）在頂管施工中，應嚴格按施工圖紙進行頂管頂進，并能將超提刀和千斤頂編組互相協(xié)作，實現(xiàn)頂管作業(yè)的正確性；另外，為保證頂進軸線與設計要求一致，必須定期、定時地進行頂進軸線的測量，一般每一次頂入一根鋼筋鋼管都要進行一次軸線的測量，并對其進行重新測量，以保證其精度。

（2）為保證頂管順利出孔，工作井的開孔應該大于頂管的直徑，并且在頂進期間要采取有效的封堵措施，因此，在施工時，必須先在井口埋設一根10mm厚的鋼管制法蘭，然后在其上焊上一顆16mm厚的橡膠制法蘭，再用10mm厚的鋼板壓緊、壓實，直至無水、淤泥等雜物流入井中，方可將法蘭盤和壓盤放回原位。

（3）在道路工程周邊建筑密集的情況下，要建立一個監(jiān)控點，并隨時注意地面變形，防止道路塌陷和房屋裂縫等。

（4）工程中經常會碰到一些障礙，這時最常見的有兩種處理辦法：一是利用破石井對突然出現(xiàn)的巖石進行處理，并按其尺寸進行合理的開鑿，然后在地表取石后繼續(xù)進行頂進；二是針對遠距離微風化和風化地質問題，提出了在頂管施工設計時，必須對地質數(shù)據(jù)進行細致的分析，然后進行合理的處理。

（5）將適當數(shù)量的減阻泥漿注射到輸油管的外壁，在管外形成一個泥漿罩，對地層起到一定的支持作用，減小地表沉降，減小與周邊土壤的摩擦，最終減小頂管頂進時的阻力；此外，實際使用的泥漿通常比計劃的要多，所以在任何時候都要確保有足夠的泥漿。

（6）進、出、孔是頂管施工的關鍵，所以必須要保證掘進機的穿壁方向，否則會影響到后續(xù)的給水管線和連接井的連接，而且在穿墻的時候，要注意防止大量的泥水、砂石進入工作井，以免出現(xiàn)塌方和泥石流；在采用粉質黏性較松軟的地層時，必須保證頂進方向的精確度，保證管線與軸線的一致性，并對頂進管方向及工作井附近的土壤進行改進和加固，提高其強度、黏度，從而有效避免施工過程中的坍塌。

7 結語

頂管技術一改以往亂挖、多挖的作業(yè)模式，采用少挖、不挖的方法，適應了保護環(huán)境、減少破壞、節(jié)約資源的時代要求，是未來城市管道網線施工的主要施工方法之一，在巖土工程、材料力學等領域有著廣泛的應用。因此，必須對頂管進行嚴格的計算，合理選用頂管和設備，并積極探索新的頂管技術，做好頂管施工，以推動我國經濟的快速健康發(fā)展。