機(jī)械頂管技術(shù)在市政管道施工上的應(yīng)用

石子勇

中國核工業(yè)第五建設(shè)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(shè)來完成，但當(dāng)前地下建設(shè)已經(jīng)非常復(fù)雜，出現(xiàn)故障時(shí)，地面開挖存在很多困難。但采用頂管技術(shù)可解決一些問題，對(duì)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(gòu)施工后發(fā)展起來的一種地下管線施工技術(shù)。該技術(shù)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(gòu)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(dòng)力，將鉆頭從工作井內(nèi)部通過土層推進(jìn)到接受井。同時(shí)，將鉆頭和鉆頭后面的管線埋入兩口井中，從而達(dá)到不開挖地下管線的施工[1]。

2 城市建設(shè)中頂管技術(shù)的應(yīng)用范圍

頂管技術(shù)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(shè)過程中不能搬遷、不能進(jìn)行大規(guī)模挖掘的特殊區(qū)域。當(dāng)不能進(jìn)行空中架線、開槽埋管等作業(yè)時(shí)，對(duì)于直徑80～600mm的埋管，則可以采用頂管法[2]。在鋪設(shè)市政下水道直徑超過500mm的情況下，如果不能在工地上進(jìn)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(jìn)行施工。當(dāng)前，我國很多城市在建設(shè)城市管網(wǎng)時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)多次開挖路面的情況，這種情況會(huì)給道路帶來很大的影響，不但會(huì)縮短道路使用壽命，而且會(huì)給居民的日常生活帶來很大的不便。配套的電信設(shè)施、自來水、煤氣、排水、路燈、城市坐標(biāo)、候車亭、廣告牌、路牌、電話亭和治安崗?fù)ざ夹枰鸪?，這無疑會(huì)加劇城市設(shè)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(wǎng)縱橫交錯(cuò)、錯(cuò)綜復(fù)雜，許多管道的具體位置都模糊不清，原始數(shù)據(jù)經(jīng)常缺失，導(dǎo)致城市在鋪設(shè)市政管道的過程中，無法進(jìn)行科學(xué)、高效的挖掘；當(dāng)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(shí)，必須轉(zhuǎn)移到地下過渡；當(dāng)下水道直徑超過100mm時(shí)，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(shè)管道是不合適的[3]。

3 在進(jìn)行頂管施工之前的若干問題

3.1 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

在施工之前，要掌握土壤的變化；如果要經(jīng)過填筑的區(qū)域，就需要進(jìn)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(jīng)過的地方，往往會(huì)形成一層淤泥，里面的植物和動(dòng)物會(huì)在土壤里產(chǎn)生有毒和有害的氣體。在頂管施工中，要定期對(duì)管道中的有毒有害氣體進(jìn)行監(jiān)控，以保證管道的安全。

3.3 對(duì)地下管道的預(yù)先探測

在頂管施工中，其他管道的埋設(shè)深度應(yīng)事先確定，這對(duì)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(diào)查

在建筑物地基下進(jìn)行頂管工程時(shí)，應(yīng)在施工線路中明確建筑地基的類型。對(duì)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(qiáng)的方法。

4 在頂管施工前的預(yù)備工作

4.1 施工前的設(shè)計(jì)審查

在施工之前，要審查設(shè)計(jì)文件、施工圖紙等，了解工程特點(diǎn)、難點(diǎn)和重點(diǎn)；認(rèn)真聆聽設(shè)計(jì)師的交底，體驗(yàn)設(shè)計(jì)意圖，了解相關(guān)的行業(yè)協(xié)作需要；檢查是否符合實(shí)際情況，是否符合設(shè)計(jì)要求，避免由于設(shè)計(jì)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(duì)于需要預(yù)留、預(yù)埋的部分，要在專業(yè)的圖紙上進(jìn)行查找，并改正錯(cuò)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(yīng)力驗(yàn)算及規(guī)范設(shè)計(jì)均須符合有關(guān)規(guī)范，并須經(jīng)正規(guī)生產(chǎn)單位批準(zhǔn)。選用頂進(jìn)管時(shí)，應(yīng)從兩個(gè)方面考慮：①對(duì)頂進(jìn)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(huì)增大頂壓坑的長度和挖坑、回填、支護(hù)和修復(fù)成本，這時(shí)，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(nèi)徑應(yīng)按工程特點(diǎn)和要求確定，頂管外徑應(yīng)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(nèi)徑必須大于或等于0.5m[4]。

4.3 其余頂進(jìn)裝置的選擇

在給排水管道施工中，常用的頂進(jìn)裝置有頂鐵、高壓油泵、液壓油缸、液壓千斤頂?shù)?。其中，千斤頂是掘進(jìn)頂管的主要設(shè)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)?。頂鐵是一種輸送、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(yù)應(yīng)力千斤頂輸送張力的裝置，它的規(guī)格型號(hào)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(biāo)稱，在工程中，高壓電動(dòng)油泵應(yīng)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(dòng)控制系統(tǒng)、起重設(shè)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(jìn)出處

在后靠土體及頂管入口處，應(yīng)采取高壓旋噴法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，以保證頂管出孔的安全。為了有效避免頂進(jìn)管鉆進(jìn)和鉆進(jìn)預(yù)留孔的泥水流失，必須在工作井口設(shè)置止水器，確保頂進(jìn)管機(jī)頂進(jìn)時(shí)不會(huì)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(zhǔn)備—測量高程和軸線—開挖頂管工作坑—鋪設(shè)頂管導(dǎo)向裝置—安裝頂板—安裝頂進(jìn)裝置和吊放管節(jié)—挖土頂進(jìn)—測量及糾偏—再次挖土（管中土）頂進(jìn)—測量周而復(fù)始—驗(yàn)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(dāng)?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(nèi)設(shè)置徑向外撐桿，以保證其施工質(zhì)量。頂管井按其結(jié)構(gòu)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(shí)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(yīng)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(diǎn)，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(gè)工作坑的預(yù)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(zhì)量，必須采取如下措施：①使用紙筋黏土或低強(qiáng)度水泥黏土進(jìn)行密封性填筑，避免因施工環(huán)境濕度對(duì)管線的正常施工造成影響。②為了補(bǔ)償穿墻處的穿壁孔強(qiáng)度不足，在頂管洞外進(jìn)行了灌漿。③在插入工具管時(shí)，要迅速地移動(dòng)，確保通過墻壁的防水設(shè)備具有很好的工作性能。④針對(duì)頂管施工中遇到的問題，采取相應(yīng)的對(duì)策，確保項(xiàng)目的順利完成[7]。

5.2.2 頂管出洞

對(duì)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(rèn)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(yàn)合格后，使用吊車將其吊至工作坑的軌道上，并由吊車進(jìn)行測試和檢驗(yàn)，確認(rèn)其安全后才下管，以保證下管時(shí)無工人進(jìn)入作業(yè)坑。④先把一根管子放到導(dǎo)軌上，對(duì)管子前端、中心和后端的管底高度進(jìn)行嚴(yán)格的測量，并確保其安裝質(zhì)量[8]。

管道的阻力由前向阻力和外周阻力兩個(gè)方面構(gòu)成。為了減小前頂?shù)淖枇?，可以將前部改為尖頭。當(dāng)頂管長度增加時(shí)，推力迅速增加。為了防止套管超出壓力極限，在管道外進(jìn)行減阻是保證工程順利進(jìn)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(zhuǎn)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(shí)，由機(jī)頭、三段管的注漿口經(jīng)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(dòng)，減小了鉆具的摩擦力。從壓力計(jì)和流量計(jì)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(yīng)采取“先壓漿，后頂管，邊壓漿邊頂管，邊頂管邊補(bǔ)漿”的方法來保持井筒的工作性能。機(jī)頭本身有一個(gè)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(dāng)數(shù)量的減阻泥漿注入輸油管的外壁，在管外形成一個(gè)泥漿罩，對(duì)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(jìn)時(shí)的阻力；此外，實(shí)際使用的泥漿通常是原計(jì)劃的四五倍，因此，要隨時(shí)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(jìn)的土壓力平衡或砂體平衡式掘進(jìn)機(jī)施工時(shí)，可以將設(shè)備設(shè)置為“自動(dòng)”或“手動(dòng)”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(jìn)行自動(dòng)糾偏，或由人工進(jìn)行糾偏。②挖掘土壤的方法，也就是通過在各個(gè)位置上增加或減少挖掘量來進(jìn)行修正。比如，如果管頭的偏差是正的，就應(yīng)該在管的底部進(jìn)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(jīng)被泥土壓住，但由于前節(jié)的重量不夠大，所以會(huì)先發(fā)生向上的情況，再過一段時(shí)間，管道的重量就會(huì)降低。該方法在誤差小于10mm時(shí)，修正效果比較緩慢。挖土校正方法主要是在土壤質(zhì)量好的黏性土壤中進(jìn)行，或在地下水位以上的沙土中進(jìn)行。③強(qiáng)迫修正法是利用強(qiáng)迫手段產(chǎn)生的局部阻力，使管道在糾正的方向上移動(dòng)。其方法有襯墊法、支頂法、支托法和頂頂法。④對(duì)糾正工具管內(nèi)的偏差進(jìn)行修正。矯直器是一種特殊的頂管施工設(shè)備。根據(jù)管徑大小，選用不同口徑的校準(zhǔn)器。校正工具管主要包括工具管、刃腳、校正千斤頂、后管等。對(duì)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(jìn)行鋼筋混凝土管道的頂入時(shí)，用校正千斤頂將第一段鋼筋混凝土管段作為后部，調(diào)整刀具管的方向。在頂進(jìn)時(shí)，刀具管作為一個(gè)導(dǎo)軌，可以指導(dǎo)后面的管節(jié)正常運(yùn)行，同時(shí)也可以作為錯(cuò)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(shù)的施工要點(diǎn)和注意事項(xiàng)

（1）在頂管施工中，應(yīng)嚴(yán)格按施工圖紙進(jìn)行頂管頂進(jìn)，并能將超提刀和千斤頂編組互相協(xié)作，實(shí)現(xiàn)頂管作業(yè)的正確性；另外，為保證頂進(jìn)軸線與設(shè)計(jì)要求一致，必須定期、定時(shí)地進(jìn)行頂進(jìn)軸線的測量，一般每一次頂入一根鋼筋鋼管都要進(jìn)行一次軸線的測量，并對(duì)其進(jìn)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(yīng)該大于頂管的直徑，并且在頂進(jìn)期間要采取有效的封堵措施，因此，在施工時(shí)，必須先在井口埋設(shè)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(shí)，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(gè)監(jiān)控點(diǎn)，并隨時(shí)注意地面變形，防止道路塌陷和房屋裂縫等。

（4）工程中經(jīng)常會(huì)碰到一些障礙，這時(shí)最常見的有兩種處理辦法：一是利用破石井對(duì)突然出現(xiàn)的巖石進(jìn)行處理，并按其尺寸進(jìn)行合理的開鑿，然后在地表取石后繼續(xù)進(jìn)行頂進(jìn)；二是針對(duì)遠(yuǎn)距離微風(fēng)化和風(fēng)化地質(zhì)問題，提出了在頂管施工設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致的分析，然后進(jìn)行合理的處理。

（5）將適當(dāng)數(shù)量的減阻泥漿注射到輸油管的外壁，在管外形成一個(gè)泥漿罩，對(duì)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(jìn)時(shí)的阻力；此外，實(shí)際使用的泥漿通常比計(jì)劃的要多，所以在任何時(shí)候都要確保有足夠的泥漿。

（6）進(jìn)、出、孔是頂管施工的關(guān)鍵，所以必須要保證掘進(jìn)機(jī)的穿壁方向，否則會(huì)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(shí)候，要注意防止大量的泥水、砂石進(jìn)入工作井，以免出現(xiàn)塌方和泥石流；在采用粉質(zhì)黏性較松軟的地層時(shí)，必須保證頂進(jìn)方向的精確度，保證管線與軸線的一致性，并對(duì)頂進(jìn)管方向及工作井附近的土壤進(jìn)行改進(jìn)和加固，提高其強(qiáng)度、黏度，從而有效避免施工過程中的坍塌。

7 結(jié)語

頂管技術(shù)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(yīng)了保護(hù)環(huán)境、減少破壞、節(jié)約資源的時(shí)代要求，是未來城市管道網(wǎng)線施工的主要施工方法之一，在巖土工程、材料力學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。因此，必須對(duì)頂管進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算，合理選用頂管和設(shè)備，并積極探索新的頂管技術(shù)，做好頂管施工，以推動(dòng)我國經(jīng)濟(jì)的快速健康發(fā)展。