頂管施工工藝在市政管網(wǎng)施工中的應(yīng)用

劉 馬 彥

(山西太水市政工程有限公司，山西 太原 030002)

1 概述

城市建設(shè)的步伐不斷加快，在市政管網(wǎng)的建設(shè)當(dāng)中，涉及的工程內(nèi)容也不斷增多，因此要采用合適的施工工藝來(lái)滿足建設(shè)需求。頂管法可減少大量土方工程、對(duì)周邊環(huán)境影響較小，節(jié)約施工用地，減少拆遷工作等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于市政基礎(chǔ)建設(shè)中，在一定程度上被認(rèn)為實(shí)現(xiàn)文明施工。

城市建設(shè)管網(wǎng)中，施工管道不斷加長(zhǎng)，因此管道的埋置深度也在不斷的加深，在一些地區(qū)地質(zhì)比較復(fù)雜的區(qū)域，施工難度更大，因此針對(duì)這種使用頂管法施工的施工工藝應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)的研究分析，采用合理的方案，保證施工工程的質(zhì)量。

2 頂管施工技術(shù)的發(fā)展

頂管法首先被研究應(yīng)用于實(shí)際工程中起源于美國(guó)[1]，時(shí)間發(fā)生在1896年，美國(guó)鐵路鋪設(shè)過(guò)程中采用了該種施工方案，之后該施工方案受到了廣泛的關(guān)注。20世紀(jì)30年代，越來(lái)越多的國(guó)家開始研究頂管法施工，其中里程碑事件是1982年的英國(guó)[2]，將直徑1 524 mm的混凝土管頂進(jìn)了49 m，用了9.5 h，該記錄打破了當(dāng)時(shí)的世界記錄。該工程的成功促使歐洲各國(guó)開始重視以及研究頂管技術(shù)。之后日本在二戰(zhàn)結(jié)束也開始使用頂管法施工。該技術(shù)工藝在被大量應(yīng)用后，很多國(guó)家開始著重進(jìn)行理論研究，其中日本主要針對(duì)小管徑技術(shù)進(jìn)行探究[3]，取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展后，又開始研究長(zhǎng)距離的頂管法施工。各國(guó)在基于自身市政建設(shè)過(guò)程中使用的材料進(jìn)行不斷優(yōu)化頂管法，例如一些發(fā)達(dá)國(guó)家使用帶橡膠密封環(huán)的混凝土管道[4]，實(shí)現(xiàn)了頂管法施工的提升，同時(shí)促進(jìn)了城市的可持續(xù)發(fā)展。

國(guó)內(nèi)關(guān)于頂管法技術(shù)研究滯后于國(guó)外，起初于1953年，在北京首先采用該技術(shù)，之后1956年，上海開始進(jìn)行試驗(yàn)研究，采用手掘式頂管機(jī)[5]。之后上海的先進(jìn)企業(yè)進(jìn)一步研究，將直徑為2 m的鋼筋混凝土管道的頂進(jìn)距離達(dá)到120 m，然后又對(duì)不同口徑、不同類型的頂管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，其中研究最多的當(dāng)屬土壓型[6]，但是當(dāng)時(shí)的研究重于實(shí)踐使用，理論知識(shí)較少，因此在施工時(shí)，只能針對(duì)某些具體情況進(jìn)行施工，不能根據(jù)實(shí)地情況進(jìn)行設(shè)置施工條件。1967年的上海一家公司，開發(fā)了一種無(wú)須人進(jìn)入管道即可進(jìn)行施工的小直徑遙控土壓式機(jī)械頂管機(jī)[7]，該機(jī)生產(chǎn)后被應(yīng)用于隧道、高速公路以及下穿鐵路當(dāng)中，其累計(jì)頂進(jìn)長(zhǎng)度在1969年已經(jīng)超過(guò)400 m[8]。1978年，一種名叫擠壓型頂管被開發(fā)應(yīng)用于淤泥土等不良地質(zhì)條件，隨著頂管技術(shù)的不斷更新以及進(jìn)步，從最初的應(yīng)用于給排水工程到電力電纜的施工，該法的發(fā)展得到了大力的推廣使用。

3 頂管法在市政給排水施工中工藝分析

1)管材的選擇問(wèn)題。

目前頂管管材有鋼管、鋼筋混凝土管、玻璃鋼管、球墨鑄鐵管以及陶土管等材料，鋼筋混凝土管材應(yīng)用最廣，其主要特點(diǎn)是強(qiáng)度高，性價(jià)比較高，缺點(diǎn)是止水性和抗?jié)B性能較差。鋼管的優(yōu)點(diǎn)是重量輕、頂進(jìn)阻力較小，密封和抗?jié)B性能好，但是缺點(diǎn)是防腐性能較差，造價(jià)高，壽命短，適用于短距離的頂進(jìn)。玻璃鋼管的優(yōu)點(diǎn)是重量輕，承壓能力高，使用壽命長(zhǎng)，可適用于長(zhǎng)距離的頂進(jìn)，缺點(diǎn)是成本造價(jià)偏高，只能直線頂進(jìn)，難以推廣應(yīng)用；鑄鐵管的優(yōu)點(diǎn)是具有較高的頂進(jìn)力，缺點(diǎn)是成本高，使用范圍較窄；陶土管的優(yōu)點(diǎn)是防腐性強(qiáng)，性價(jià)比高，適用于長(zhǎng)距離施工，缺點(diǎn)是剛度大，容易脆性破壞。

2)頂管設(shè)備的選擇。

主要指的是頂進(jìn)頂管的頂管機(jī)。目前使用的類型有手掘式頂管機(jī)、泥水式頂管機(jī)、土壓式頂管機(jī)、氣壓平衡頂管機(jī)。不同類型頂管機(jī)的選擇主要依靠土質(zhì)條件，正常情況下，淤泥質(zhì)黏土主要使用的頂管機(jī)類型是泥水式和土壓式兩種；砂性土主要選擇泥水式頂管機(jī)，在實(shí)際施工過(guò)程中，可以通過(guò)改良開挖面來(lái)達(dá)到理想的頂進(jìn)效果；黃土地質(zhì)條件一定要進(jìn)行改良，使用敞開式和氣壓平衡式頂管機(jī)；強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化巖根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況進(jìn)行選擇，同時(shí)根據(jù)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造層選用不同的刀盤和管頭，確保頂管施工的質(zhì)量和水平。

3)頂管算法。

頂力計(jì)算是最重要的工作。通過(guò)頂力計(jì)算，合理確定背部強(qiáng)度、管道強(qiáng)度、千斤頂數(shù)量和噸位。單坑頂進(jìn)工程長(zhǎng)度和尺寸的選擇也要依靠頂力的計(jì)算，確定最大頂推長(zhǎng)度。

4)注漿減阻。

頂管機(jī)的直徑一般要大于管的直徑，這就使管的外徑和頂管機(jī)的內(nèi)徑之間有漿體存在，同時(shí)管道與周圍土壤之間的間隙也存滿了漿體，間接形成了一個(gè)泥套，泥套的形成可防止泥漿滲透到外層土壤中，同時(shí)周圍的土壤可以形成支撐浮力，在管道和周圍土壤層之間存在流動(dòng)的泥漿，保持為濕摩擦，具有較小的摩擦阻力。在頂管施工中，要不斷推廣減摩技術(shù)，保證頂管施工的質(zhì)量，確定注漿材料的選型。

5)頂進(jìn)方法。

頂進(jìn)方法直接影響施工的成敗，在進(jìn)行頂進(jìn)方法選擇的時(shí)候，要先了解項(xiàng)目的情況，項(xiàng)目所處地質(zhì)條件，以及周邊的環(huán)境，其次根據(jù)技術(shù)的角度，泥水式頂管機(jī)施工的時(shí)候選用直徑較小的管道；如果地下水位低且土壤層相對(duì)穩(wěn)定，則可采用手工掘進(jìn)的頂管，地下水位較大且土壤層強(qiáng)度較低，宜采用掘進(jìn)法施工；對(duì)于地質(zhì)存在碎片的情況，則適用于手動(dòng)式上管。當(dāng)在粘性土層控制地面沉降時(shí)，采用土壓平衡頂管法；爍石土壤層要采用帶有支撐功能的工具管；在淤泥層中需要提升地面的情況，采用的是泥水平衡式頂管或者是泥土式土壓平衡；當(dāng)頂管所處位置的正上方具有較厚的土壤層時(shí)，則采用擠壓或者網(wǎng)狀頂管。根據(jù)確定的技術(shù)方案，綜合考慮管材以及人工費(fèi)用確定最經(jīng)濟(jì)的方案。最后一定要考慮安全因素，切不可因進(jìn)度或者是趕工程進(jìn)度而發(fā)生傷亡事件。

6)頂進(jìn)糾偏。

施工過(guò)程中，需要進(jìn)行糾偏控制，確保施工質(zhì)量。頂管施工一般施工過(guò)程是在地下進(jìn)行，若是出現(xiàn)偏差，要及時(shí)進(jìn)行處理，否則會(huì)影響項(xiàng)目質(zhì)量和施工工期，甚至?xí)斐晒こ淌鹿?。萬(wàn)文松等研究出一種系統(tǒng)名為頂管智能糾偏控制系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)控制管道頂進(jìn)過(guò)程是否偏離了軸線位置，可以提高施工質(zhì)量和施工效率。若是在施工過(guò)程中，發(fā)生了偏差，則可以通過(guò)以下方法進(jìn)行糾偏：

a.挖土。通過(guò)挖土的方式，將兩側(cè)進(jìn)行平衡處理，使得管道注漿恢復(fù)到合理的狀態(tài)，該法適用于軸線偏離位置為10 mm～30 mm的情況；

b.頂木。軸線偏差距離超過(guò)30 mm的情況下采用該法。該法主要是通過(guò)在管道內(nèi)放置木頭或者是方木，通過(guò)木頭的傾斜產(chǎn)生的分力使得管道的軸線恢復(fù)正常狀態(tài)；

c.千斤頂。該法無(wú)法單一使用，通過(guò)結(jié)合挖掘修正法使用。放置于超挖側(cè)端，然后在頂進(jìn)的過(guò)程中，通過(guò)千斤頂?shù)淖陨淼闹亓浚沟霉艿乐饾u恢復(fù)到設(shè)計(jì)所要求的位置。

4 頂管施工存在的問(wèn)題以及應(yīng)對(duì)對(duì)策

1)在施工過(guò)程中，頂力較大，對(duì)于設(shè)備、管道糾偏以及注漿阻力的要求較高；

2)施工過(guò)程中，地面條件復(fù)雜的情況，可能會(huì)出現(xiàn)較大的沉降，甚至?xí)霈F(xiàn)坍塌事故，因此要嚴(yán)格控制頂管進(jìn)尺、出土比例等條件；

3)市政工程中，周邊環(huán)境以及地下管線比較復(fù)雜，施工風(fēng)險(xiǎn)較大，要在施工過(guò)程中做好施工監(jiān)測(cè)以及重大風(fēng)險(xiǎn)的控制。

5 案例分析

以某市區(qū)污水管網(wǎng)工程為例，全長(zhǎng)4 092 m，主要管徑有三種，D2 000,D1 200以及D1 000，全程設(shè)有30座沉井，結(jié)構(gòu)全部采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。頂進(jìn)區(qū)間分布見表1。

表1 頂進(jìn)區(qū)間分布

工程按照要求以及當(dāng)?shù)厍闆r采用DK2000型頂管機(jī)，20 t的門式起重機(jī),工藝流程見圖1。

該工程采用的是市政排水鋼筋混凝土管長(zhǎng)距離施工工藝，相比于短距離頂管法，平均成本降低了95元/m，經(jīng)濟(jì)效益較高，而且對(duì)周邊影響較小，有利于文明施工，節(jié)約了成本。

6 結(jié)語(yǔ)

頂管法在市政給排水施工中已經(jīng)相對(duì)成熟，但是在實(shí)際過(guò)程中仍存在各種各樣的問(wèn)題，而且地下情況的復(fù)雜性不能一概而論，因此在實(shí)際施工中，要合理規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)格審查技術(shù)方案，保證理想的施工效果。