頂管掘進施工技術在水利工程中的運用探析

李文智

（甘肅省水利水電工程局有限責任公司，甘肅 蘭州730000）

非開挖技術是指利用少開挖和不開挖技術進行管線的鋪設或更換的知識、工藝和應用。在埋深較深、橫穿道路、交通干道下埋管或離建筑物較近的情況下，最能體現(xiàn)出頂管技術的優(yōu)越性。在工作坑內(nèi)，利用各種機械設備，減少管道和土壤的摩擦力，讓管道進入到土中，運輸土方，為水利工程建設工作的順利開展打下基礎。

1 頂管掘進施工技術概述

地下管道的安置、更換一直都是水利工程建設中的重難點，也是設計人員需要思考和解決的問題。頂管掘進施工技術的主要原理在于，利用主頂油缸和管道間的推理，將工具管沿著工作井內(nèi)部穿過土層，在達到接收井所處的位置后，完成吊起操作。頂管構(gòu)筑物與設備：（1）工作坑。工作坑是安放所有頂進設備的場所，也是頂管掘進機或工具管的始發(fā)地，同時又是承受主頂油缸反作用力的構(gòu)筑物。工作坑按形狀可以分為矩形、圓形、多邊形；工作坑常用的施工方法包括沉井法、逆作法和鋼板樁支護；（2）接收井。接收井是接受頂管掘進機或工具管的場所，平面一般也呈現(xiàn)矩形，沿管道方向較長，其長度應該滿足頂管機頭可被取出的條件；（3）機頭。機頭也叫導頭或工作管，主要作用是挖掘管節(jié)前的土壤，頂管時把管節(jié)導入設計位置，起到定向糾偏和埋設管節(jié)的作用。機頭的主要作用在于校正挖土方向，防止管節(jié)前土壤坍塌。

2 頂管掘進施工技術的應用優(yōu)勢

頂管掘進施工技術有人工頂管和機械頂管兩種方式，兩種方法各有優(yōu)缺點。人工頂管施工更加注重工人在整個施工過程中的作用，機械頂管則著重依賴機械的幫助，所以人工頂管的勞動強度相對較大，工人進行施工的時候也存在較大的安全風險。機械頂管技術的應用優(yōu)勢有：（1）安全性高。除了豎井之外，頂管施工大多都為地下作業(yè)，不會受到表面環(huán)境的影響，減少了對人們?nèi)粘Ｉ钤斐傻挠绊懀梢栽趷毫拥奶鞖猸h(huán)境中開展施工作業(yè)。頂管掘進技術受到鋼殼支護的保護，保證了施工過程中的安全性，施工管理較為簡單，且不會受到人為操作的影響，保證了施工人員的生命財產(chǎn)安全；（2）環(huán)保。頂管掘進施工技術主要依靠頂管機完成，頂管機不會對地面情況造成影響，在施工過程中對環(huán)境造成的破壞小；（3）經(jīng)濟性高。在工程施工過程中，管道工程費用和覆蓋土層的深淺沒有直接聯(lián)系，適用于大型管道施工，即便在惡劣條件下開展施工作業(yè)，機械頂管技術也能夠克服困難，擁有比人工頂管更大的應用優(yōu)勢。

3 頂管施工技術在水利工程中的應用

3.1 施工測量

在水利工程施工過程中，施工控制網(wǎng)和變形控制網(wǎng)需要同時布設，為工程順利開展提供必要保障。在施工開始之前，需要做好準備工作，利用測量平差軟件處理平差要求，設置多個控制點，確保各控制點都滿足要求。當頂管距離越長、口徑越大時，水利工程的施工難度也就越大。為給后續(xù)工作奠定良好基礎，在施工開展之前，有關人員就需要明確工作管道的掘進方向。詳細計算建筑體后墻的平面位置，設置頂管工作坑。樣線法在規(guī)模較小的水利工程中的應用比較普遍，施工人員需要將起始位置和終端位置的線路進行連接，開展打樁定向作業(yè)。為進一步提升工程質(zhì)量，保證作業(yè)精確度，施工人員需要反復確認導軌安裝環(huán)節(jié)，保證滿足要求。在上述各項工作完成后，要以第一根管道作為起點，將其吊裝在導軌上，開啟油泵，頂進作業(yè)則可以順利進行。水利工程本身就具有復雜性的特點，在工程進行過程中容易受到水文環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境等各方面因素的影響，因此要提前制定全面的施工計劃，以便應對突發(fā)情況。

3.2 管材選用

鋼管、鋼筋混凝土管在水利工程中的應用十分普遍，其中鋼管頂管具有質(zhì)量小、密封性好、強度高等特點，在運輸、吊裝過程中都十分方便；鋼筋混凝土密封性、抗?jié)B性則存在一定缺陷，要根據(jù)工程的不同特點來選擇合適的管材，確保工程質(zhì)量滿足要求。

3.3 頂管安裝

為進一步提升水利工程施工質(zhì)量，有關人員需要確保頂管安裝的位置符合要求。在施工時，施工人員要保障操作平臺安裝的精確度，為后續(xù)工程的順利開展奠定基礎。在安裝過程中，需要克服各方面負面因素的影響，例如地下水、復雜地質(zhì)環(huán)境。

3.4 頂管施工技術

在施工過程中，泥漿的黏稠程度和壓力是開挖面強度的決定性影響因素。在頂進過程中，施工人員要以工程周圍的土質(zhì)情況為主，合理調(diào)整泥漿的濃稠程度。除此之外，還需要控制好機械設備的頂進速度，對泥水壓力值進行動態(tài)化監(jiān)督管理，將其控制在合理范圍之內(nèi)。在施工過程中不僅需要考慮到地下施工，還需要關注地表狀態(tài)，便于施工人員掌握頂進作業(yè)的進度和大致情況。通過對多方面的觀察和比較，施工人員要將地表沉降控制在一定范圍之內(nèi)，如果沉降范圍過大，就會讓工作面失去穩(wěn)定性，很容易坍塌，引起安全事故；地表隆起是泥水壓力過大的表現(xiàn)，需要施工人員根據(jù)實際情況合理調(diào)整泥水壓力。

3.5 洞口止水的處理

在工程開展過程中，為了讓管道更順利的進入，需要對洞口進行特殊處理，做好止水工作，要嚴格控制預留洞口的尺寸，確保比管道外徑更大，為其創(chuàng)造進入空間，在頂進時，還要進行止水封閉。

3.6 降低頂進過程的摩擦阻力影響

在利用機械頂管技術時，不可避免會受到摩擦力的影響，且頂進距離越長，導管質(zhì)量就越大，機械設備所受到的摩擦力影響就會更加嚴重。為了減少不必要的資源消耗和設備損壞，就需要有關人員將摩擦力降到最低，具體有：（1）在工具管中接入水管，讓頂管外部保持濕潤的狀態(tài)，周圍土層在受到水分濕潤的作用下，摩擦力就會大大降低。值得注意的是，該方法只適用于距離較短、工程規(guī)模較小的水利工程中；在長距離施工作業(yè)中的實用效果并不明顯；（2）在應對大規(guī)模工程、長距離水利工程時，可以利用觸邊潤滑劑，從頂管的外壁壓入，從而起到減少摩擦力的效果。潤滑劑以4∶1∶1的比例，將水、石堿、膨潤土進行混合，就能夠在實際工作中起到積極作用；（3）在頂進管道中加入接力環(huán)，在其周圍設置油缸，當油缸啟動時，后置的頂管就能夠起到支撐作用，該方法在長距離施工中的應用比較普遍，主要原理就是分解頂進過程中的摩擦力，但需要耗費大量成本。長距離頂管接力環(huán)安裝示意圖如圖1所示。

圖1 長距離頂管接力環(huán)安裝

3.7 注漿控制

在管道頂進過程中，要采取有效措施減小其受到的阻力，注漿就是最簡單、最直接的方法。注漿原理就是利用泥漿在管道外部形成一層包膜，起到潤滑作用，值得注意的是，要保證工具管直徑略大于頂進管，通常2～5 cm即可。除此之外，在泥漿材料的選擇上，要保證其配比符合要求，膨潤土、水、摻和劑都要按照標準選擇，否則會對工程的順利開展造成嚴重影響。

4 頂管掘進施工技術的發(fā)展趨勢

首先是朝著大直徑、長距離頂進的方向發(fā)展。以某工程為例，該隧道工程2標順利貫通，首次采用了外徑10.4 m×7.5 m的巨型頂管機，土壓平衡模式，推進總長112 m，是當時世界上最大的外徑頂管；以另一工程為例，該工程應用了管徑2 m、全場2 080 m的過海鋼制引水管，準確頂入接受井預留孔，管道全線實現(xiàn)貫通，由此創(chuàng)造了國內(nèi)一次性頂進最常距離的新紀錄。

其次，該技術還會朝著平面曲線、空間曲線頂管的方向發(fā)展。從國內(nèi)外曲頂技術的發(fā)展現(xiàn)狀來看，目前曲頂?shù)墓軓揭灾?、大口徑為主，曲線類型有平面的、有垂直向的，還有S形的，基本上都能夠按照工程的要求進行變換。同時，頂進長度向長距離發(fā)現(xiàn)發(fā)展，比如，在上海合流污水一期工程中德國Zueberlin公司曾將直徑2 500 mm的鋼筋混凝土管曲線一次頂進約1 500 m。

5 結(jié)束語

非開挖技術是在水利工程中的應用還不夠普遍，該方法具有一定優(yōu)勢，不會破壞地表結(jié)構(gòu)，也將對周圍環(huán)境、居民日常生活的影響降到最低。在水利工程建設過程中，利用機械頂進技術，能夠有效減少施工人員的工作量，提升工作效率，實現(xiàn)經(jīng)濟效益、社會效益最大化。在施工過程中，還需要做好前期準備工作，合理選用管材，加強對頂管施工技術的研究和應用，盡可能減少機械設備在頂進過程中受到的摩擦力，減少設備老化、損壞的可能性，從而提升水利工程建設效果。