浅谈市政给排水工程顶管施工技术

摘　要： 顶管是非开挖埋设地下管道的施工技术之一,它具有环保、施工文明、造价合理的特点, 目前已得到广泛的推广应用。本文就顶管施工技术在市政工程中的应用作了简要阐述。

关键词：市政，顶管技术 ， 施工， 要点
一、对顶管技术的认识
　　1、适用范围
　　1．1 在城市中心地区, 或商业繁华街道, 以及城市建设中遇到无法迁移或不能实施大型开挖的文物古迹遗址等特殊地段, 对不能进行空中架线、开槽埋管来实施作业施工时, 一般是采用管径80 ~ 600mm的地下埋管工程可使用顶管法施工。
　　1．2 在敷设城市污水管道直径大于600mm时, 施工现场无法采用明沟开挖埋管施工而管道沿线又无其它建筑物基础时, 可使用顶管法施工作业。
顶管技术在市政管网中的应用
　　目前, 在城市管网施工时, 许多城市都存在马路反复开挖的现象, 严重防碍了市区的交通, 困扰了居民生活, 缩短了路面的寿命。配套的电讯、自来水、煤气、排水、路灯、城市坐标、候车亭、广告箱、路牌、电话亭、治安岗亭等都要发生反复拆建才行, 这无疑增加了对城市设施的破坏和施工的难度, 城市这方面的问题显得尤其突。顶管施工技术在市政管网中的应用主要包括:
　　2．1 旧城改造过程中, 由于多年形成的各种管网相互交错, 很多管线地下位置不明, 原始资料丢失或不全等因素, 市政管网铺设时无法对地面进行有效开挖。
　　2．2 城市架空线路遇交通干线、繁华街道、文物古迹, 铁路或江河阻截, 需转入地下过渡。
　　2．3 当污水管道直径较大(600mm 以上) , 而施工现场周边环境受限, 无法采用明沟开挖来埋管施工管道。
　　3、顶管施工技术的效益特征
　　顶管敷设管道施工技术特别适用于大中型管径的非开挖埋设, 具有经济、高效、保护环境的综合功能。采用该技术施工, 既能节约一定的征地拆迁费用, 又可减少环境污染和对道路的堵塞, 具有显著的经济效益和社会效益。这种技术具有的优势包括：不用开挖地面, 尤其是城市道路；不用拆迁征地, 不会破坏地面建筑物；不影响正常的城市交通秩序；不破坏地表植被和周边环境；施工过程不受气候和环境的影响；不影响管道的段差变形省时、高效、安全, 无建筑垃圾污染, 并且综合造价低等。
二、顶管技术施工应用分析
　　1、顶进管的选择
　　顶进管一般选用钢筋砼管, 如没有腐蚀要求可选用钢管。钢筋砼管的规格设计、配筋和应力验算应遵守有关钢筋砼的标准和技术规程, 特别是有关钢筋砼管的标准和技术规程。
　　1．1 顶进管直径的选择。顶进管的直径选择是首先根据工程性质、工程需要确定内径, 根据顶进管所受荷载确定砼管的配筋及壁厚,进而确定外径。因为顶管工程工作面上需要配备挖土工人, 所以一般管内径不小于500mm。
　　1．2 顶进管长度的选择。顶进管的长度对顶管过程的可控性和经济性有很大的影响。在直线推顶的情况下使用长管可以减少装管的次数,取得良好的效果,但随着管长度的增长,如果偏离原定的路线,使之恢复正确路线要比使用短管更加困难。建造顶压坑时顶压坑的长度也要增大,挖坑、支护、回填、修复的费用将相应地增加。反之,在直线上推顶很短的管也较困难, 因为短管比较容易向周围土层中挤入, 致使整个管列呈蛇形弯曲, 这便降低了管路顶进的可控性。一般情况下,管长度须相对于管径来衡量,当L/D外≤1.10时,为短管;当L/D外=1.15时,为标准管;当L/D外≥2.10时为长管。
　　2、顶管施工的前期准备
　　2．1 现场平面布置。平面总体布置包括起重设备、自动控制室、料具间、管片堆场、拌浆棚及拌浆材料堆场、注水系统、弃土坑的布置等。始发工作井内安装发射架、顶管机、前顶铁、主推千斤顶、反力架等顶进设备, 工作井边侧设置下井扶梯供施工人员上下。
　　2．2 顶管机进、出洞处以及后靠土体加固。为确保顶管机出洞的绝对安全,需对后靠土体及进、出洞区域土体进行高压旋喷桩加固。为防止顶管机进、出预留洞导致泥水流失, 并确保在顶进过程中压注的触变泥浆不流失, 必须在工作井安装洞口止水装置。
　　3、顶管施工的工艺
　　顶管施工又称为顶进法施工, 是指利用顶进设备将预制的箱形或圆形构造物逐渐顶入路基, 以构成立体交叉通道或涵洞的施工方法。顶管施工需先在确定的管段之间设置工作井和接收井, 然后在工作井内安装推力设备将导轨上的顶管机头推入土体,由机头导向,将预制的钢筋混凝土管向前顶进,前端土体通过工作井运出,最后完成管道铺设。
　　3．1 顶管井的设计。顶管井分工作井与接收井两种, 顶管井的建造结构有很多种类,一般使用钢筋混凝土结构。工作井的结构形式通常有单孔井和单排孔井。前者形状有圆形、正方形、矩形等, 后者则大多为矩形, 它们的结构受力性能由高至低依次为圆形一正方形一矩形。结构布置时,可在井内设置内支撑,改善结构受力。在建造过程中,工作井按双向顶进设计,与接收井间隔布置,间距与设计检查井间距一致,施工完毕, 在工作井和接收井的位置上按设计要求做检查井。
　　3．2 顶管施工工序。
　　1)穿墙:打开穿墙闷板将工具管顶出井外, 并安装穿墙止水装置,主要技术施工措施如下:①穿墙管内填夯压密实的纸筋粘土或低强度水泥粘土拌和土,以起到临时性阻水挡土作用;②为确保穿墙孔外侧一定范围内土体基本稳定并有足够强度,工作井工具管穿墙前,对穿墙管外侧采取注浆固结措施;③穿墙前对可能出现的问题进行分析并制定相应处理措施;④闷板开启后迅速推进工具管,同时做好穿墙止水,应采用止水法兰加压板,中间安入20mm厚的天然优质橡胶止水板环,要求具有较高的拉伸率和耐磨性, 借助管道顶进带动安装好的橡胶板形成逆向止水装置, 应防止因穿墙管外侧的土体暴露时间过长而产生扰动流变。
　　2)顶管出洞:顶管出洞是顶管作业中一个很值得注意的问题,顶管出洞, 即顶管机和第一节管子从工作井中破出洞口封门进入土中。开始正常顶管前的过程,是顶管技术中的关键工序,也是容易发生事故的工序。为防止管线出现偏斜,应采取工具管调零,在工具管下的井壁上加设支撑, 若发现下跌立即用主顶油缸进行纠偏, 工具管出洞前预先设定一个初始角弥补下跌等措施。
　　3)注浆减阻:在顶管施工中还有一个重要的技术措施就是通过压注触变泥浆填充管道周围的空隙,形成一道泥浆保护套,起到支撑地层,减少地面沉降, 减少顶进阻力的作用。在施工中,首先对顶管机头尾部压浆, 并要与顶进工作同步, 然后在中续间和混凝土管道的适当位置进行跟踪补浆, 以补充在顶进中的泥浆损失。注浆工序一般多应用于长距离顶管施工中。
　　4)顶管纠偏:纠偏是指机头偏离设计轴线后, 利用设置在后部的纠偏千斤顶组, 改变机头端面的方向, 减少偏差,使管道沿设计轴线顶进。顶进纠偏是采用调整4台纠偏千斤顶组的方法,进行纠偏操作,若管道偏左则千斤顶采用左伸右缩,反之亦然。如果同时有高程和方向偏差,则应先纠正偏差大的一边。纠偏应做到在顶进中采用小角度分级逐步进行,勤调微纠。当顶管机头发生旋转时, 可采取在管内的相反方向增加压重块或在中间站提供旋转纠正力矩等方法纠正。
　　三、顶管技术施工要点分析
　　1、施工前技术准备
　　可以要求业主及设计方提供顶管顶进路线详尽的地质资料。尽量了解土层的物理性质(颗粒组成、含水量大小、透水系数及塑性指数)、力学参数(标准贯入值、内粘聚力及内摩擦角)、分布状况(分布范围及埋深厚度)等等。了解地下水的状况及变化规律如地下水来源、水面标高及是否受到潮汐影响而变化等。如果有砂层则要搞清含砂量多少及砂的细度情况及级配关系。岩层则要搞清楚是否有裂隙发育。如果是风化岩层则要搞清楚是否强风化、中风化抑是弱风化, 其抗压强度及抗剪强度多少, 是粉沙质泥岩还是砂岩, 是否为条片状结构还是整体结构等等。一般来说现行业主及设计单位提供的地质资料不够详细, 甚至是截然不同(有时设计单位利用相近位置工程的地质资料) , 作为施工单位, 我们一定要求业主补钻。业主应承条件下我们自己也可以在顶进线路上补鉴别孔, 局部问题点补技术孔。
　　2、顶管线路确定及井位设计
　　顶进距离由设备条件及周围环境来综合决定。考虑到工作井的造价比较昂贵, 应少一些工作井, 尽量安排往两个方向顶进。由于现行设计院设计管道大多按照明挖方式设计, 在现场调查后尽量优化线路设计, 避开不利顶管的土层、尽量让顶管线路避开结构物及树木。最好在每个工作井或者接收井内设计成检查井位。线路与附近结构物的距离设计必须考虑到以后作检查井的方便和空间, 尽量避免冲突。检查井间距按照现行规范可以和设计单位研究适当加长。顶进深度范围内土层较为复杂时, 与设计部门协商考虑抬高或者降低标高。
　　3、顶力及管材设计
　　顶力现行有很多的计算方法和模型来计算。其实这些方法只能作为定性分析和综合取值考虑, 按照传统上顶力大小主要和土质及是否注浆有关。实际上顶力大小和很多因素如土层的变化情况、是否有纠偏、采用设备的形式、机头的切削形式、采用管材形式、后靠背的刚度、工作井的形式、注浆的压力、顶进速度等等有关。我们在实践中也可以证明这一点, 现行考虑采用整体三维模型, 考虑多参数系统来模拟顶管顶进过程中各结构的受力情况。关于管材设计, 现行对于管材的配筋量、钢筋布置、砼的强度及端部的细部处理都区别于一般承受纵向线荷载的排水管道, 一般可以按照轴心受压柱的考虑来设计管材, 但是注意到顶管是需要纠偏处理的情况, 必须考虑到管道的偏心受压及局部应力集中的情况而要预留一定的安全系数。
　　结束语：
　　顶管敷设管道施工技术在不稳定及饱和土层中以最小的破坏和最大的保护环境等特点，使市政工程在需要敷设大量上、下水道, 通讯和路灯等工程时, 对城区的交通、噪音、粉尘的危害和影响大大降低, 是污染小、高效率的施工技术, 并且可以节省大量建设投资和缩短城市建设的开发周期，因而广泛受到施工单位的青睐。
参考文献：
[1] 马奋涛, 汪润青. 市政给排水工程中的顶管施工技术[J].科技创新导报,2009,(19).
[2] 晓阳, 李红兵. 顶管施工用管材的比较和应用[J].中国给水排水,2006(4).