建筑施工中頂管施工技術(shù)的使用和特性分析

薛勇

（綏化市工程建設(shè)監(jiān)理有限公司慶安分公司，黑龍江 慶安 152400）

非開挖技術(shù)是一種目前具有較高的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效果且被廣泛使用的施工技術(shù)，它是指通過導(dǎo)向、定向鉆進(jìn)等手段，在地表極小部分開挖的情況下（一般指入口和出口小面積開挖），敷設(shè)、更換和修復(fù)各種地下管線的施工新技術(shù)，具有對(duì)地表損壞小等特點(diǎn)。非開挖技術(shù)根據(jù)不同的施工工藝可以分為很多類，頂管施工就是其中的一種。

1 頂管施工概況

頂管施工作為一種非開挖技術(shù)，是在盾構(gòu)施工后大力發(fā)展起來的一種非開挖施工方法。該方法不需要開挖面層就能穿越已有的鐵路、公路、地下管線、地下構(gòu)筑物和文物古跡等，目前已被廣泛應(yīng)用在給動(dòng)力電纜、電力電纜、通信電纜、排水管線和煤氣管線等多種管道的施工當(dāng)中。

頂管施工是將地表開挖很小的部分的情況下工作的，因此該方法受地質(zhì)條件的影響比較大，為了滿足不同地層條件，根據(jù)不同國(guó)家的實(shí)際需要，在該方法發(fā)展的一個(gè)世紀(jì)以來，人們不斷改進(jìn)施工設(shè)備、研究施工方法，并取得了較大的發(fā)展，現(xiàn)在該技術(shù)可以鋪設(shè)直徑從500 mm到3.5m的管徑管道，有的甚至可以更大，而頂進(jìn)距離可以達(dá)到幾公里長(zhǎng)。

2 頂管施工技術(shù)的特點(diǎn)及不足

頂管施工是利用主頂油缸和管道間的中繼環(huán)的推力，把工具管從始發(fā)工作井內(nèi)推入土層并頂?shù)浇邮芫畠?nèi)吊起，同時(shí)把緊隨工具管或掘進(jìn)機(jī)的預(yù)制管節(jié)埋設(shè)在兩個(gè)工作井之間。這是一種非開挖鋪設(shè)地下管道的方法。一個(gè)比較完整的頂管施工主要包含了以下幾大部分：工作坑和接收坑、頂管機(jī)、洞口止水圈、頂鐵、主頂裝置、后座墻、基坑導(dǎo)軌、推進(jìn)用管及接口、輸土裝置、注漿系統(tǒng)、地面起吊設(shè)備、測(cè)量裝置、中繼站、輔助施工、供電和照明以及通風(fēng)和換氣。

頂管施工作為非開挖技術(shù)中的一種主要包含以下特點(diǎn)：(1)不需要很大的面積的開挖土方，對(duì)地面影響和破壞程度較小，因此可穿越鐵路、公路、河流、地面建筑物進(jìn)行地下管道施工；(2)在頂管施工中工序簡(jiǎn)單、設(shè)備少、工期短、速度快、造價(jià)低；(3)特別適用于軟土或富水軟土層；(4)大直徑、超長(zhǎng)頂進(jìn)、糾偏困難，并且可以在很深的地下鋪設(shè)管道；(5)適用于中型管道（1.5～2m）管道施工。

雖然頂管施工存在很多的優(yōu)點(diǎn)，并以此而被廣泛使用，但與此同時(shí)它也存在著一定的不足。使用該施工技術(shù)會(huì)對(duì)周圍土層產(chǎn)生移動(dòng)，即沉降和位移，地面的沉降和移位會(huì)使土體的受力情況等發(fā)生變化，從而導(dǎo)致土體發(fā)生移動(dòng)和變形，當(dāng)這種影響達(dá)到一定程度容易使周邊構(gòu)筑物產(chǎn)生管線等的安全問題。

并且對(duì)于長(zhǎng)距離頂管來說，只是用增大主頂油缸推力的方法來提高推進(jìn)距離是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，可以通過分段法了解決該問題，既將整個(gè)管道分成幾段，在段與段之間設(shè)置一些中繼間，并且可以在管環(huán)外注入一些泥漿，當(dāng)形成泥漿套時(shí)就可以減少摩阻力，從而達(dá)到增加推進(jìn)距離的目的。

3 膨潤(rùn)土泥漿

在頂管施工過程中，可能會(huì)因?yàn)橥翆拥某两怠⒁莆欢鴮?duì)周圍建筑物產(chǎn)生影響，注漿能填補(bǔ)土體內(nèi)部的空隙，降低管壁與土體的摩擦，防止土體坍塌，從而能有效的減少土層移動(dòng)。因此，為了能順利的將長(zhǎng)距離頂管頂進(jìn)的同時(shí)有效的控制沉降，就須要在施工過程中注入泥漿。膨潤(rùn)土觸變泥漿是頂管施工中較為常見的一種泥漿材料，它能充滿在管節(jié)和泥壁環(huán)形空間內(nèi)，在泥壁土體建立不透水阻隔層，穩(wěn)定土體，防止塌落，形成的環(huán)形泥漿套懸浮管節(jié)，并且膨潤(rùn)土觸變泥漿可以起到潤(rùn)滑作用，將頂進(jìn)管道與土體之間的干摩擦變?yōu)闈衲Σ粒瑴p小頂進(jìn)時(shí)的摩擦阻力，同時(shí)在注漿壓力下，減小土體變形，穩(wěn)定隧洞，從而保證頂管推進(jìn)施工安全高效進(jìn)行，并且這種泥漿還比較便宜，是最經(jīng)濟(jì)和有效的一種，因而被廣泛采用。

3.1 膨潤(rùn)土泥漿結(jié)構(gòu)

膨潤(rùn)土泥漿是一種由膨潤(rùn)土、粉末化學(xué)漿糊（CMC）、純堿和水按一定比例配方組成的混合物質(zhì)。膨潤(rùn)土是一種以蒙脫石礦物為主、伴有石英、云母等雜質(zhì)礦物的2:1型膨脹性層狀粘土礦物，其應(yīng)用性能主要取決于蒙脫石礦物的微觀結(jié)構(gòu)特征。蒙脫石是一種結(jié)構(gòu)有缺陷并具有離子交換、膠體分散、粘結(jié)、吸附和催化等性能的礦物，而它的這些應(yīng)用性能主要受其微觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)如層電荷密度、同晶取代等影響。膨潤(rùn)土通常被分為兩類：鈣基膨潤(rùn)土和鈉基膨潤(rùn)土，鈉基膨潤(rùn)土漿液比同體積的鈣基膨潤(rùn)土漿液多15~20倍的極薄的硅酸鹽層，這些小且多的硅酸鹽層使得蒙脫石容易形成小粒子的空隙構(gòu)造，增加了漿液的膨潤(rùn)性，從而使得該泥漿在觸變以后的流動(dòng)性和靜止下來的膠凝性、固化性都比較好。因此，一般情況下都選擇鈉基膨潤(rùn)土作為頂管施工用的膨潤(rùn)土。

3.2 膨潤(rùn)土泥漿特性

膨潤(rùn)土泥漿在具有假塑性流體和塑性流體的流動(dòng)特性的同時(shí)還具有觸變性。觸變性是指膨潤(rùn)土經(jīng)加水?dāng)嚢璩蔀閼腋∫汉螅?dāng)懸浮液靜止時(shí)分散的薄片狀蒙脫石微粒會(huì)絮凝變成凝膠體，當(dāng)含有這種凝膠體的漿液被攪拌、振動(dòng)或泵送時(shí)，大多數(shù)微粒結(jié)構(gòu)將被分散、破壞，從而轉(zhuǎn)變成為具有粘性和流動(dòng)性的膠狀液體，當(dāng)該液體再次處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，又會(huì)重新形成凝膠體，這種膠狀液體和凝膠體之間的結(jié)構(gòu)可以發(fā)生無數(shù)次的交替，這一特性稱為觸變性，膨潤(rùn)土泥漿也因此被稱為觸變泥漿。

3.3 膨潤(rùn)土泥漿注漿減摩作用原理

膨潤(rùn)土泥漿的這一觸變特性，讓其能有助于頂進(jìn)管道在靜止時(shí)，則可成為支撐地層的凝膠體，在地層間運(yùn)動(dòng)時(shí)，以粘性液體減少摩阻力而成為減摩劑，而其具體的減摩作用原理如下所述。

從注漿孔注入泥漿時(shí)，泥漿首先填補(bǔ)管節(jié)與周圍土體之間的空隙，從而抑制地層破壞的加劇。當(dāng)泥漿與土體接觸后，在注漿壓力的作用下，注入的漿液會(huì)將水分向土體顆粒之間的孔隙以及泥漿向土體顆粒之間的孔隙中滲透并擴(kuò)散；當(dāng)泥漿達(dá)到可能滲入的深度后，須經(jīng)過一個(gè)短暫的時(shí)間讓泥漿靜止下來而變成凝膠體，充滿土體的孔隙，形成泥漿與土壤的混合土體；隨著漿液滲透的增多，泥漿與混合土體之間會(huì)形成密集的滲透塊；隨著滲透塊越來越多，在注漿壓力的擠壓作用下，許多的滲透塊之間粘結(jié)，形成一個(gè)能夠阻止泥漿繼續(xù)滲入土層的套狀物，既泥漿套，泥漿套具備不透水、密實(shí)等特點(diǎn)，并能起到一定的支撐、減少摩擦的作用。

合理的注漿可以起到減小土層運(yùn)動(dòng)的作用。從注漿孔注入的泥漿首先會(huì)填補(bǔ)管節(jié)與周圍土體之間的空隙，進(jìn)而形成泥漿套，能夠起到支撐隧洞的作用，使開挖的隧洞保持穩(wěn)定，不讓土體坍塌到管道上，從而可以減小地面沉降。由于土體與管道之間被泥漿隔離，使得管道頂進(jìn)對(duì)土體產(chǎn)生的剪切摩擦力大大減小，可以減小深層土體水平移動(dòng)。在形成泥漿套之后，留在管道與泥漿套的空隙之間的泥漿，在自重作用下會(huì)先流到管道底部，隨后向上漲起，從而使得頂進(jìn)管在整個(gè)圓周上被膨潤(rùn)土懸浮液所包圍，起到保護(hù)作用。

當(dāng)施工開挖對(duì)管道周圍土體產(chǎn)生影響，使得部分土體結(jié)構(gòu)遭到破壞而變成松散的土體時(shí)，注入膨潤(rùn)土泥漿，它就可以滲入土層的孔隙內(nèi)，充滿孔隙，使其成為有效應(yīng)力壓實(shí)土體，并且泥漿的液壓能夠起到支撐、保持穩(wěn)定隧洞的作用。

頂管施工能很好的減少對(duì)地表的損壞，并且能有效的減少對(duì)已建好設(shè)施的影響，而膨潤(rùn)土泥漿因?yàn)槠涮赜械挠|變性可作為減少摩阻力的減摩劑，這就從一定程度上，有效的提高了頂管施工的安全性能，確保頂管施工的實(shí)現(xiàn)，增大了頂管施工的范圍。

[1]李家鑫，于庭偉.頂管施工技術(shù)在市政工程中的應(yīng)用［J］.重慶建筑，2007，07,25.