長距離頂管技術于給排水工程中的應用研究

申百合

（深圳市利源水務設計咨詢有限公司，廣東 深圳 518000）

1 引言

城市給排水系統的建設是一個復雜的系統工程， 因此，在城市給排水系統的建設中必須采用科學的施工工藝，以確保整體工程的質量[1]。 作為一種常見的施工形式，頂管法以其獨特的優點，在現實的城市給排水系統建設中得到了廣泛的應用，其不僅可以大幅度減少城市路面的開挖量，還可以有效減少對周邊環境的干擾，從而有效提升實際工程施工的質量[2]。 但在城市建設中，因反復性施工和對道路的破壞，對人們的生產和生活造成了很大的影響，以此制約著頂管施工技術的發展[3]。 同時，當前地下給排水施工工程中的施工技術難以應對復雜地質條件。 因此，本文研究長距離機械頂管技術在給排水工程中的應用，其目的是解決當前地下頂管施工中的難題，并在保證實際工程質量的同時提升頂管技術的經濟與社會效益。

2 給排水工程中的長距離頂管技術研究

2.1 機械頂管工藝與土壓均衡控制分析

以中國南部某市污水管網工程為例， 該工程整條布局線路總計設有28 座沉井，其中，接收井和工作井均為14 座，且均采用鋼筋混凝土結構。 在該項目中，根據以往給排水項目機械頂管的實際經驗，對其進行了細致的整理與優化，以此制訂出一套更為科學、合理的機械頂管施工方案，使各個工序之間的銜接更為緊密。 在流程中主要對頂管機進行了流量調節，并對頂管過程進行改進。 在頂管施工中，強化了對頂管機械的質量控制，對頂進工序進行了糾偏管理，使工作重點明確，提高了工作效率，推動了機械頂管施工的安全生產，全面提高了施工的實際質量和經濟效益。 優化后的頂進流程如圖1 所示。

圖1 優化后的頂進流程示意圖

從圖1 中可以看出， 工程開始后首先進行測量放樣并對其進行復核， 復核過之后制作相應的頂管坑并安裝相應的工作井設備。 其次，在頂管機就位之后利用千斤頂進行推進，在頂管機進洞之后開始注漿、測量，以此進行下管和接口安裝操作。 接著開始頂進并測量，測量若達到標準則安管，不通過則糾偏重新頂進。 然后頂管機觸動并將相應的設備移除，同時進行相應的防腐及管縫處理。 最后進行全線測量并驗收，制作檢查井并完成工程。 另外，在機械頂管工程中，要結合相關的地層特征與多年來的給排水工程頂管施工經驗對土壓均衡管控流程進行優化，將頂進控制壓力保持在0.1~0.5 MPa。

土壓均衡管控主要包含壓力管控與地層損失管控。 壓力管控中需要考慮頂壓的實際速度與土壓管控之間的關系、螺旋挖掘機實際挖土量與土壓管控之間的關系。 要對土壤挖除標準進行更進一步的檢驗，參考需要地面沉陷結果，因此，研究工程的最大沉降量設定為±5 mm， 螺旋挖掘機實際的工作效率設定為30 m3/h，實際頂進速度維持在3~4 cm/min。 地層損失管控通過實際探查發現本工程地層損失原因主要包含頂進過程造成的損失、 接頭密封破壞造成的損失以及直管機的糾正造成的損失。

因此， 實際給排水工程施工中首先需要對每一段管線施工引發的地表沉降進行嚴密監測。 地層為碎石層時，盡量封閉地面交通，尤其是重車通過的路段，以降低地面動力負荷對地層的影響。 然后，在每一次頂板工作結束后，及時采用水泥粉煤灰砂漿進行固化、注漿，以填補管壁空隙并減小后期地表沉降。 最后，需要記錄頂管機前端的實際壓力、電機的實際電流以及氣缸實際的頂進速度。

2.2 頂管施工中的灌漿減阻與中繼間設定

土壓均衡管控措施實施之后， 最重要的是對頂管作業中的灌漿工程進行管控。 在常規的給排水灌漿工程中，膨潤土與水的質量比為1∶10， 而礫石層中膨潤土與水的質量比為1∶8，觸變泥漿密度維持在1.05～1.06 g/cm3。在實際施工中，為了保證注漿質量，還要充分掌握觸變泥漿的制備工藝要點，才能達到預期的效果。 按一定的次序將各種原料加到攪拌槽中，然后再加水。 攪拌時，必須設定合理的攪拌時間，如果不能對攪拌時間進行控制， 就很難確保漿液達到實際需要。 在漿料攪拌后，應按照實際漿料狀況實施相應的靜置水合，使鈉膨潤土有充分的吸水性，而對于后續的泥漿，應采取適當的保護措施來確保其濃度不受影響。 在對觸變泥的實驗中，應確保每周的濃度檢測不少于2 次。 另外，為了實現灌漿減阻，需要確定灌漿管道的安放位置及間隔，并控制灌漿時間與壓力。

依據具體布局方法與實際的頂進過程來看，第二、第三繼電器投入運行時，二、三保護間所剩的安全頂力比例與實際最小余量比例相近，能很好地滿足頂進要求。 在一次沖擊中，受地質情況等多種因素影響， 沖擊載荷與設計沖擊載荷之間存在很大的偏差。 但其所占比重仍為22.4%，可完全滿足推壓工藝中對最大推力的需求。 進行施工時，要確保有充足的儲備頂力，在預留頂力下降到22.4%時，在不改變繼電器的形狀也不超過管道允許的頂力的前提下， 對5 臺繼電器缸間汽缸進行調整和安裝，從而提高儲備頂力系數，同時也保證頂進過程的安全，有效減輕中繼間相關設備的負載。 電瓶車結渣時，要進行繼電器間的往復伸縮運動。 當采用一般的軌道時，保護裝置不能很好地工作。 在此背景下，研究繼續對中繼之間的軌道進行研究與改進。 從最開始采用槽鋼作為伸縮軌道，研究項目中采用槽鋼與輕軌和鋼板相結合的逐步伸縮軌道， 從而極大地提高了伸縮軌道的工作效率和可靠性。

該工程的實際頂管施工過程中， 管道中的最深工作井能達到26 m，在監測過程中存在很大的難度。 因此，必須制訂深基坑監測方案，之后再以實際監測結果為依據，對工程的施工狀況進行準確的把握， 進而對工程的施工過程進行合理的調整，這樣才能確保工作井的穩定，推動頂管施工的順利進行。因此，在研究工程的地面監測實施過程中，按照現場的具體情況，從始發井起每隔7 m 設置一個監測斷面，每個監測斷面將實際的頂管中心位置正對地面的監測點作為起點， 沿著實際的頂管橫截面方向，每隔7 m 設置一個監測點，一個監測斷面共有7 個監測點，設定編號為1~7。

3 長距離頂管技術實際應用監測分析

為了驗證研究提出的長距離機械頂管技術在實際給排水工程的應用效果，以中國南部某市污水管網工程為例，對其軸向與橫向地面變形進行監測，軸向監測中以監測點1 為例，橫向監測中對7 個監測點進行監測。

由監測結果可以看出，在頂管實際頂進10 m 時，地面變形量在0~5 mm，變形量并不大。 當長距離頂管頂進20 m 時，與頂進10 m 的情況相比，工作面相關后面的土體沉降呈現持續增大的現象，工作面前面的土體隆起值也隨之增大。 而在長距離頂管頂進40 m 時， 后方土體的實際沉降量超過15 mm，但沉降量基本穩定下來。 另外，當工作面到達5 m 時，監測點處出現沉降， 這是因為隨著頂進的深入， 在實際的工作過程中，也會出現比較大的橫截面積，從而導致地表的沉降。

綜合來看， 長距離機械頂管技術在實際的給排水施工過程中， 并未出現土倉內部實際壓力過大而導致地面隆起或者土體水平平移的現象， 同時也未出現土倉內部實際壓力過小為導致的地面沉降現象，因此，具備較好的施工效果。 為了進一步驗證該工程中長距離機械頂管技術的優越性， 研究對其施工成本與工期進行了對比分析，結果如圖2 所示。

圖2 長距離機械頂管技術與傳統施工方法成本與工期對比

圖2 中，1~3 分別表示明挖法、 淺埋暗挖法以及長距離機械頂管法。 綜合圖2 可以看出，研究提出的長距離機械頂管技術在實際總工期在95~110 d， 遠遠低于明挖法的150~175 d和淺埋暗挖法的210~230 d。 而成本對比中，在該工程中總造價節約90 萬元左右。 綜合來看，長距離機械頂管技術具備最低的總成本與總工期，具備較高的經濟效益與社會效益。

4 結論

針對當前地下給排水施工工程中的施工技術難以應對復雜地質條件的問題，將長距離頂管技術應用在給排水工程中，并對其有效性與優越性進行了驗證。 實際工程案例結果表明，在頂管實際頂進10 m 時，地面變形量維持在0~5 mm，變形量并不大。 當長距離頂管頂進20 m 時， 與頂進10 m 的情況相比，工作面相關后面的土體沉降持續增大，當工作面到達5 m時，監測點都出現沉降，該結果表明其在實際工程中具備有效性。 另外，與其他傳統方法進行成本與工期對比時，其實際總工期在95~110 d，少于其他方法，總造價在1 667 萬~1 880 萬元，同樣低于其他方法。 綜合來看，長距離機械頂管技術在給排水工程中的實際應用中具備有效性和優越性。 但是，實際采用的頂管機泥漿相關材料還無法應對超長距離的施工，因此，后續需要考慮對其進行優化。