淺析市政頂管施工工藝技術(shù)探討

左宇超

(山西八建集團(tuán)有限公司,山西 太原 030027)

頂管施工技術(shù)的適應(yīng)性強(qiáng)，在不穩(wěn)定的及飽和土層中均可有效應(yīng)用，在順利頂管的同時還可減小對周邊環(huán)境的破壞。但同時，頂管作業(yè)復(fù)雜度高，頂管期間涉及到巖土力學(xué)、彈塑性力學(xué)、流體力學(xué)等多個學(xué)科的相關(guān)知識，對施工人員的技術(shù)水平提出較高的要求，因此需加強(qiáng)技術(shù)探索，把握技術(shù)的原理和方法，妥善落實頂管施工的各項工作，保證最終的頂管效果。

1 頂管施工技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢和基本要求

頂管是一項無需對面層開挖的管線敷設(shè)方法，作為一種非開挖管道敷設(shè)手段，相比傳統(tǒng)的開挖敷設(shè)技術(shù)有著擾動性小、施工效率高、節(jié)能環(huán)保、投資少等優(yōu)勢。頂管施工技術(shù)可減小管道敷設(shè)時的噪音和粉塵量，對施工場地周邊的生態(tài)環(huán)境和居民生產(chǎn)生活環(huán)境較為友好，屬于一項高效率、低污染的優(yōu)質(zhì)管道敷設(shè)技術(shù)。得益于頂管施工技術(shù)的多項優(yōu)勢，其在市政給排水管線工程中取得廣泛的應(yīng)用。概括而言，頂管施工技術(shù)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在如下幾方面。

1)施工面的占地面積較小，不會由于頂管作業(yè)而對周邊環(huán)境造成過多的影響;2)頂管施工的擾動性較小，地面的車輛行駛、人員通行等活動基本不會受到頂管施工的影響，在繁忙的城市中具有突出的應(yīng)用效果;3)頂管施工技術(shù)的噪音較小，無過強(qiáng)的震動作用，可減小對居民日常工作、生活的干擾;4)頂管施工期間，周邊的管線及構(gòu)筑物可維持穩(wěn)定，避免了傳統(tǒng)開挖敷設(shè)方式下既有設(shè)施失穩(wěn)、受損等問題;5)由于頂管施工技術(shù)的擾動性小、效率高，可減少工程成本投入，具有經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢。

1.1 頂進(jìn)的方法

頂管施工技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢突出，但若要有效應(yīng)用該項施工技術(shù)，需加強(qiáng)對施工條件的分析，判斷頂管施工技術(shù)是否具有適應(yīng)性。除了考慮現(xiàn)場地質(zhì)、地下水位、管徑等因素外，還需要兼顧到如下幾項條件。

1)現(xiàn)場為黏性土層或砂性土，同時無地下水的干擾，可以采取手掘式頂管或機(jī)械挖掘式頂管的作業(yè)方法；2)現(xiàn)場軟土層厚度較大，周邊不存在障礙物，可以考慮擠壓式或網(wǎng)格式頂管的方法；3)現(xiàn)場分布黏性土層時，若要有效控制地面的平整度，可考慮土壓平衡頂管的方法；4)現(xiàn)場有粉砂土層時，若要控制地面平整度，可考慮泥水式平衡法；5)頂進(jìn)的金屬管較短或管徑較小時，較為適宜的是擠密式土層法。

1.2 頂管井的布設(shè)要求

頂管井的基礎(chǔ)由碎石或鋼筋砼構(gòu)成，現(xiàn)場土質(zhì)較硬時，可用方木作為基礎(chǔ)，土質(zhì)缺乏穩(wěn)定性時，在其周邊架設(shè)支撐，提升穩(wěn)固效果。頂管井的地基修建需根據(jù)管線位置和坡度做靈活的控制，要求地基維持穩(wěn)定，不可發(fā)生沉降，配套的導(dǎo)軌和頂管位置也均要足夠準(zhǔn)確。

1.3 管道的頂進(jìn)要求

頂管井設(shè)置到位后，安排管道頂進(jìn)。先在管的前端開挖深度約為30～50cm、形狀與管道形狀相似的坑道，用千斤頂將管道頂進(jìn)，按照此方法重復(fù)作業(yè)，沿著預(yù)先規(guī)劃的路徑向前頂進(jìn)。

1.4 頂管接口的處理要求

頂管的接口以電弧焊接的方法為宜，保證連接部位的嚴(yán)密性與穩(wěn)定性。為避免混凝土管的接口部位發(fā)生滲漏，用橡膠墊、麻絲油氈或是其它可行的材料嵌縫，管道頂緊后，兩管間的空隙需控制在1～1.5cm。

1.5 管道的壓漿要求

管道頂進(jìn)和檢查井的施工均完成后，經(jīng)檢查若無質(zhì)量問題，用管道預(yù)設(shè)的壓漿孔進(jìn)行壓漿，期間加強(qiáng)現(xiàn)場觀察與控制，避免地面出現(xiàn)沉降。

2 市政頂管施工技術(shù)的應(yīng)用要點

2.1 頂進(jìn)管的選擇

2.1.1 頂進(jìn)管的直徑

以工程性質(zhì)和工程要求為導(dǎo)向，確定頂進(jìn)管的內(nèi)徑；根據(jù)管道受到的荷載作用，合理設(shè)計混凝土管的壁厚，并明確配筋方式，以此來確定外徑。根據(jù)頂管施工要求，工作面上應(yīng)配備挖土工人，為給人工作業(yè)提供充足的空間，管內(nèi)徑不小于800mm。

2.1.2 頂進(jìn)管的長度

不同長度的頂進(jìn)管所對應(yīng)的頂進(jìn)難易程度和成本投入均有所差異。直線段頂進(jìn)時，較長的管道可減少裝管的次數(shù)，但若管道過長，管道姿態(tài)的可控性降低，易偏離原設(shè)計路線，并且此時糾偏難度較之于短管而言明顯更大，從這一角度來看，直線段頂推的管道不宜過長。但需注意，管道過短也將面臨著局限性，例如短管易進(jìn)入周邊土層，導(dǎo)致管道呈蛇形彎曲的形態(tài)，此時也不易控制管路頂進(jìn)姿態(tài)。

2.2 頂管的準(zhǔn)備工作

2.2.1 現(xiàn)場平面布置

以頂管施工要求為準(zhǔn)，安排現(xiàn)場平面布置，主要考慮到起重設(shè)備、自動控制室、管材堆場、注漿系統(tǒng)、棄土坑等，合理規(guī)劃位置，提升協(xié)同性。始發(fā)工作井內(nèi)的配套設(shè)施豐富，需將發(fā)射架、反力架、主推千斤頂、頂管機(jī)等配備到位。為給員工的上下通行提供便捷的通道，在工作井邊側(cè)設(shè)置下井扶梯。

2.2.2 頂管機(jī)進(jìn)、出洞土體的防護(hù)

以高壓旋噴樁、堆土反壓等方法加固進(jìn)、出洞范圍內(nèi)的土體，使土體具有穩(wěn)固性，以便頂管機(jī)安全地進(jìn)、出洞。在工作井安裝洞口止水裝置，避免頂進(jìn)期間壓注的觸變泥漿大量流失，同時也可以有效緩解頂管機(jī)進(jìn)、出預(yù)留洞的泥水流失問題。

2.2.3 頂管施工的設(shè)備配套

頂管施工技術(shù)通常被應(yīng)用于淤泥質(zhì)砂和黏土層中，管道直徑需在800mm以上，在確定管道直徑以及管材、現(xiàn)場土體摩擦力等各項條件后，進(jìn)一步適配頂進(jìn)機(jī)具、千斤頂?shù)软敼苁┕に璧脑O(shè)備。

2.3 頂管施工工藝(如圖2所示)

圖2頂管施工流程圖

2.3.1 注漿止水(穿墻前)

注漿止水方法主要應(yīng)用在頂管工作井穿墻洞口前方，注入的漿液與自然土結(jié)合，經(jīng)過固結(jié)后構(gòu)成完整且穩(wěn)定的整體，既能夠使工具頭順利穿墻，又可發(fā)揮出擋土、止水的作用。漿液的配合比為石灰∶水泥∶黏土=2∶1∶3，做充分的拌和，得到均勻性較好的漿液后，及時用于注漿止水施工。

2.3.2 穿墻

穿墻的施工技術(shù)要點，如下。

1)穿墻管內(nèi)填入低強(qiáng)度水泥黏土拌和土，通過此類材料的應(yīng)用，起到臨時阻水擋土的效果;2)穿墻孔外側(cè)土體可能由于施工擾動而失穩(wěn)，為保證該部分土體有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，以注漿的方法處理穿墻管外側(cè)土體，在此前提下方可安排工作井工具管穿墻;3)穿墻前注重對現(xiàn)場施工條件的分析，判斷是否存在不利于施工的因素，若有則采取處理措施，加強(qiáng)源頭防控后，竭力營造安全、穩(wěn)定的施工環(huán)境;4)悶板開啟后，隨即頂推工具管，設(shè)置止水法蘭加壓板，中間設(shè)置拉伸率較大、耐磨性較好的天然橡膠止水板環(huán)，隨著管道的有序頂進(jìn)，逐步使橡膠板形成逆向止水裝置。加強(qiáng)工序協(xié)調(diào)，盡可能縮短穿墻管外側(cè)土體的暴露時間，否則將由于外部因素的影響而出現(xiàn)流變現(xiàn)象。

2.3.3 頂管出洞

頂管出洞是頂管施工全流程中的重點環(huán)節(jié)，需要加強(qiáng)施工控制。例如，及時檢測管線的姿態(tài)，判斷是否偏離設(shè)計要求，若有偏離現(xiàn)象則用工具管調(diào)零，實現(xiàn)對管線的精細(xì)化調(diào)整；于工具管的井壁處設(shè)置支撐裝置；結(jié)合管線頂進(jìn)情況，為工具管預(yù)先設(shè)定一個初始角，以此來彌補(bǔ)管線出洞時的下跌量，使管線出洞的位置達(dá)到設(shè)計要求。

2.3.4 注漿減阻

頂管期間，管道周邊的空隙以壓注觸變泥漿的方法予以填充，建立泥漿保護(hù)套，用于支撐地層，維持地面的穩(wěn)定性，并通過觸變泥漿的注入減小頂進(jìn)阻力，以便管道的順暢頂進(jìn)。注漿減阻的方法在長距離頂管施工中具有適用性，先對頂管機(jī)頭尾部壓漿，再同步頂進(jìn)，而后根據(jù)實際頂進(jìn)情況在中續(xù)間和混凝土管道的適宜部位跟蹤補(bǔ)漿，在補(bǔ)充適量的漿液后，彌補(bǔ)頂進(jìn)期間的泥漿損失。

3 頂管施工的關(guān)鍵技術(shù)控制

3.1 頂管測量及糾偏

頂進(jìn)偏差的成因錯綜復(fù)雜，例如：主頂油缸的后背墻表面缺乏平整性；導(dǎo)軌未準(zhǔn)確安裝到位，存在較大的偏差，不利于精準(zhǔn)頂進(jìn)；主動油缸頂力的分布缺乏均勻性；迎面土阻力缺乏均勻性；管外摩擦力的分布缺乏均勻性。部分頂管工程的糾偏具有被動性，通常是管段頭部偏離軸線后才安排糾偏，而此時的管道已經(jīng)存在偏差，有效糾偏并非易事。因此，需化被動為主動，在頂進(jìn)時便采取防控措施，例如加強(qiáng)對頂進(jìn)系統(tǒng)的檢查，保證頂力的均衡性，以便將管道沿著特定的路線頂進(jìn)。條件允許時，在計算機(jī)的輔助下糾偏，向計算機(jī)內(nèi)輸入原始數(shù)據(jù)，計算機(jī)綜合判斷管道偏差軌跡、工具管端部位置及外力分布狀態(tài)，自動分析并顯示如何糾偏，技術(shù)人員根據(jù)顯示的信息妥善糾正偏差。

若頂管施工中已經(jīng)存在軸線偏差，則根據(jù)實際偏差量采取適宜的糾偏方法，軸線偏差在10～30mm時，采用挖土糾偏法；超過30mm時，采用頂木糾偏法。除前述兩種方法外，千斤頂糾偏也是常見的糾偏方法，其思路是在超挖的一側(cè)管端壁上配置小千斤頂，由該設(shè)備提供適量的頂力，用于糾正管端部的方向。在整個頂管施工中，按照“勤頂、勤測、勤糾”的方式進(jìn)行偏差控制，要求全程偏差均在20mm以內(nèi)。

3.2 地表變形以及地面沉降的控制

頂管施工有一定的擾動性，易導(dǎo)致地表變形，具體又分為地面沉降和土的縱橫向移動兩類。經(jīng)驗表明，工具管前方的土體有移動的跡象，易影響到地表現(xiàn)有建筑物，例如出現(xiàn)建筑物局部破壞的情況。頂管的作業(yè)形態(tài)復(fù)雜，既有開挖又有頂進(jìn)，同時隨著深度的改變，對應(yīng)的土體軸線位移量也不盡相同，在多重作用下，工具管周邊土體的運動具有三維特性。地層發(fā)生移動的誘發(fā)因素也錯綜復(fù)雜，在各類因素中，以地面沉降最為關(guān)鍵，易由于施工控制不當(dāng)而導(dǎo)致地層損失。

地層損失包含如下兩類。

一是正常地層損失，屬于頂管期間難以避免的地層損失，包含開挖面的地層損失、工具管與管道外徑差異而產(chǎn)生的地層損失等，針對此類問題，需從技術(shù)措施的優(yōu)化著手，盡可能減小地層損失量，但無論如何優(yōu)化頂管技術(shù)，均難以完全消除正常地層損失。

二是不正常地層損失，例如管節(jié)止水圈的嚴(yán)密性不足而導(dǎo)致頂管周邊土體流失，洞口止水裝置失效而導(dǎo)致周邊局部土體失穩(wěn)，此類地層損失在合理應(yīng)用施工技術(shù)后可避免。在頂進(jìn)施工中，為保證地面建(構(gòu))筑物的穩(wěn)定性，需要加強(qiáng)對地面沉降量的監(jiān)測與控制。頂管工程中，可根據(jù)規(guī)范和現(xiàn)場施工條件設(shè)定最大沉降量允許值，經(jīng)計算后對比分析地面沉降量和實際沉降量，根據(jù)實際偏差采取控制措施，具體可考慮如下幾項方法：取適量黏土、熟石灰、水泥，并摻入適量的水，拌和均勻后制作磚坯，將該材料填入穿墻管；以壓密注漿的方法處理工作井的內(nèi)、外側(cè)，保證嚴(yán)密性；若頂進(jìn)距離較長，可采用外套或止水柵欄，確保在施工期間可靈活更換止水盤根。

4 頂管施工質(zhì)量控制措施

全面的現(xiàn)場勘察、施工工藝的合理優(yōu)化、頂進(jìn)參數(shù)的有效控制、頂進(jìn)偏差的監(jiān)測與糾正等均是重要的頂管施工質(zhì)量控制措施，下文對關(guān)鍵的頂管施工質(zhì)量控制措施展開分析。

4.1 施工工藝的合理選擇與優(yōu)化

在施工工藝的選擇中，需要充分兼顧到設(shè)備進(jìn)場至頂進(jìn)完成全流程中的各環(huán)節(jié)，具體涉及到頂進(jìn)機(jī)械的配套、頂進(jìn)路線的規(guī)劃、進(jìn)出洞方式等。頂管直徑屬于重要的參考對象，可根據(jù)頂管直徑選擇網(wǎng)格加密式、頂部前伸式或是其它形式的工具管。塌方是頂管期間的常見問題，與暫停頂管后未采取防坍塌措施、開挖量超標(biāo)等原因有關(guān)，此時地面的穩(wěn)定性不足，可能發(fā)生沉降。因此，為從源頭上避免頂管期間的各類問題，需在前期設(shè)計階段便確定合適的施工工藝，并遵循因地制宜的原則，根據(jù)現(xiàn)場施工條件合理優(yōu)化頂管工藝，提高可行性。

4.2 頂推動力控制

合理設(shè)計頂推的反力墻，使頂推后座有足夠的穩(wěn)定性；制備泥漿，以壓力注漿的方式注入管體與巖石間，從而起到減小管體偏移量、維持頂進(jìn)系統(tǒng)穩(wěn)定性等效果。頂進(jìn)過程中，及時檢查管道接頭的密封情況，保證該部分的嚴(yán)密性，以免由于密封性不足而發(fā)生滲漏。針對管道密封問題，首先需選擇合適類型的管道，要求管材的材質(zhì)較佳；正式頂進(jìn)時，嚴(yán)格控制頂進(jìn)的速度，不宜過快，否則易導(dǎo)致地面隆起；頂進(jìn)后，隨即安排注漿，此方法既能夠填充管體與巖土間的空隙，又可以發(fā)揮出注漿減阻的作用，有利于頂管作業(yè)的有效進(jìn)行。

4.3 頂管穿越密集建(構(gòu))筑物的施工控制

頂管埋深應(yīng)合理，以便在開挖時產(chǎn)生拱效應(yīng)，用于維持開挖面上方土體的穩(wěn)定性，確保在地面荷載作用下地面不出現(xiàn)坍塌。部分管線臨近地表建筑物或既有的地下管線時，可能由于頂管而導(dǎo)致此類建筑物和構(gòu)筑物受到影響，為保證建筑物和構(gòu)筑物的穩(wěn)定性，需針對管線下方的土體做加固處理。土體加固可采用壓密注漿的方法，制備優(yōu)質(zhì)的漿液，將其注入土中，在漿液的固結(jié)作用下，改善土體的力學(xué)性質(zhì)，提升土體的穩(wěn)定性，保證頂管安全。

4.4 頂管偏差的預(yù)防與糾正措施

綜合考慮機(jī)頭折角、機(jī)尾地面沉降等現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)綜合分析后，判斷頂管是否存在偏差，若有則安排糾偏。實際糾偏過程中，若糾偏動作后無折角變動，需隨即停頂，連同機(jī)械工、電工深入現(xiàn)場進(jìn)行檢查，判斷電路和液壓管路的運行狀態(tài)，識別故障并妥善處理，使設(shè)備恢復(fù)正常，確保軸線達(dá)到設(shè)計要求。糾偏應(yīng)具有及時性，盡可能在源頭上糾偏；觀察傾斜儀讀數(shù)的糾后趨勢，將實際情況告知地面和地下壓漿作業(yè)人員，必要時可適當(dāng)加大壓漿量；頂進(jìn)偏差用千斤頂糾偏，管道左側(cè)千斤頂采用左伸右縮的方法，反之亦然；遇到高程和方向均存在偏差的情況時，先確定偏差量較大的一項，予以調(diào)整，再調(diào)整另一項；較大偏差的糾正采取的是“少量多次”的方法，直至實際偏差被控制在許可范圍內(nèi)為止；頂進(jìn)偏差超出許可范圍時，隨即暫停頂進(jìn)，探明實際情況，采取針對性的處理措施。

5 結(jié)語

綜上所述，頂管施工技術(shù)具有擾動性小、效率高等特點，是一項極具應(yīng)用價值的管道施工技術(shù)，在市政給排水及其它的管網(wǎng)工程中取得廣泛的應(yīng)用。但頂管施工技術(shù)應(yīng)用期間涉及到的要點較多，工程人員需予以高度的重視，例如管道的選擇、進(jìn)出洞的安全防護(hù)、偏差的調(diào)整等各項工作均要有效落實到位，在安全的前提下高效完成頂管作業(yè)。