淺談頂管工藝在污水管道設計中的應用

林生祥

（福州市規(guī)劃設計研究院）

淺談頂管工藝在污水管道設計中的應用

林生祥

（福州市規(guī)劃設計研究院）

在社會經(jīng)濟不斷發(fā)展的背景下，我國城市化水平不斷加快，在城市的發(fā)展中，污水管道設計建設是一項非常重要的工作，一旦沒有將此項工作做好，對于整個城市的發(fā)展就會帶來非常嚴重影響，對此，筆者通過本文對頂管工藝在污水管道設計中的應用進行了詳細的分析與闡述，進而為有關部門及工作人員提供一定的借鑒作用。

頂管工藝；污水管道；設計應用

頂管技術為一種非開挖管線和管路敷設的技術，起源于美國，在國內外的污水管道設計中得到了廣泛的應用，并且發(fā)揮著非常重要地位和作用，因此，這就需要有關單位及工作人員在工作中要詳細的了解該技術的應用原理，在工作中不斷的總結經(jīng)驗，促進我國城市污水系統(tǒng)建設向著科學合理的方向發(fā)展。

1　頂管技術在排水管網(wǎng)中應用的優(yōu)點

頂管技術是一項主要用于市政施工的非開挖或少開挖的掘進式管道敷設技術，能穿越地面建（構）筑物、山地、鐵路、公路、河流和橋梁等，對施工環(huán)境和自然氣候的適用性強，還能節(jié)約征地拆遷費用，減少對道路的堵塞和對自然環(huán)境的破壞；頂管技術尤其適用于大中型管徑，能有效糾正管子在地下延伸的偏差，不影響管道的段差變形，高效、省時、安全。頂管施工無需全線開挖地面和拆遷房屋建筑、減少破壞地面交通設施和自然環(huán)境，受氣候和環(huán)境的影響小。因此能廣泛應用于城市地下排水管網(wǎng)、通訊電纜和天燃氣石油管道的鋪設，具有重要的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益。

2　頂管技術的技術原理

在對地表不進行大面積挖掘的基礎上，在施工地下管線時將障礙物越過。應用原理為：對設備進行利用，將預制管道應用到設計管線中，在開始施工時，管線的一端事先建造一個工作坑（井）。在坑內的頂進軸線后方，布置一組行程較長的主站油缸（簡稱主油缸）。一般左右成對布置，數(shù)量根據(jù)管徑大小而定。將敷設的管道放在主油缸前面的導軌上，管道的最前端安裝工具管。主油缸頂進時，以工具管開路，推著前面的管道穿過坑壁上的穿墻管（孔）把管道壓入土中。與此同時，進入工具管的泥土被不斷挖掘排出管外。當主油缸達到最大行程后縮回，放入頂鐵，主油缸繼續(xù)頂進。如此不斷加入頂鐵，管道不斷向士中延伸。當坑內導軌上的管道幾乎全部頂入土中后，縮回主油缸，吊去全部頂鐵。將下一節(jié)管段吊下坑，安裝在管段的后面，接著繼續(xù)頂進，如此循環(huán)施工，直至頂完全程[1]。

將管道敷設到了地下，這樣地下水所產生的壓力和其它重物的土壓力就會出現(xiàn)在管道上，為了將這兩種壓力予以平衡，就需要采取泥水平衡、土壓平衡和氣壓平衡等方式進行施工。同時，較長距離管道的敷設受主油缸頂力、管道允許頂力及后背允許頂力的制約，在設計過程中就應該規(guī)劃布置出中繼站。

3　頂管工藝設計

3.1工程實例概況

福州市倉山區(qū)內河截污工程——龍津河首山路頂管工程，起自倉山鎮(zhèn)政府，向南延伸至南二環(huán)，中途與迎安路、萬安路、龍津河、雙湖路等相交，全長約1500m，目前該道路為現(xiàn)狀道路，兩側均為公共建筑和居住建筑，以公共建筑為主。根據(jù)污水規(guī)劃，本工程設計污水管管徑為d1000。

3.2頂管設計的要點

（1）管材的選用[2]。適用于頂管工藝的管材有鋼管、玻璃纖維增強塑料夾砂管、鋼筋混土管及球墨鑄鐵管等。管材的選用應根據(jù)管道用途、管材特性及當?shù)鼐唧w情況確定。綜合福州當?shù)厍闆r，本次污水頂管管材選用鋼筋混土管。

（2）管位的選擇與布置。本工程所處道路為現(xiàn)狀道路，道路上已有縱多現(xiàn)狀市政管線，頂管的位置選擇應避開地下障礙物及現(xiàn)狀管線，與現(xiàn)狀管線水平間距、交叉間距應滿足規(guī)范要求和最小施工空間的要求。在穿越江河水底時，覆蓋層最小厚度不宜小于外徑的1.5倍，且不宜小于2.5m，還應滿足管道抗浮要求。

（3）頂管土層的選擇。頂管適用的土層很廣，可在淤泥質粘土、粘土、粉土及砂土中頂進。從本項目地質鉆探報告來分析，本工程污水管管位大多位于淤泥中（土壤承載力為55kPa），其力學性質滿足頂管施工要求。

（4）頂管距離的選擇。按頂管距離長短可分為中短距離（長度≤300m）、長距離（300m<長度<1000m）、超長距離（長度≥1000m）3種，一般在300m左右才采用中繼環(huán)，頂管距離長短主要是受限于管材的允許頂力、頂進機具的頂力及具體管道布置的影響?？紤]本工程污水管道還負責接收道路兩側地塊內污水的接駁，本次設計頂管距離設計在130～230m之間，屬中短距離頂管。

（5）頂管工作井及接收井的設計。井結構形式可采用鋼板樁、沉井、地下連續(xù)墻，灌注樁或SMW工法。當頂管埋置較淺、地下水位較低、頂進距離較短時，宜選用鋼板樁或SMW工法。在頂管埋置較深、頂管頂力較大的軟土地區(qū)，宜采用沉井或地下連續(xù)墻。當場地狹小且周邊建筑需要保護時，宜優(yōu)先選用地下連續(xù)墻。在地下水位較低或無地下水的地區(qū)，可選用灌注樁。目前福州地區(qū)比較成熟的做法是采用沉井。井大小應按頂管機長度、頂管管節(jié)長度及施工空間要求確定[3]。

（6）頂管機的選擇。不同性能的土質應采用不同類型的頂管機，地下水位以上的頂管可采用敞開類頂管機，地下水位以下的頂管應采用具有平衡功能類型的頂管機。敞開類頂管機有：機械式頂管機、擠壓式頂管機及人工挖掘頂管機；平衡婁頂管機有：土壓平衡式頂管機、泥水平衡式頂管機及氣壓平衡式頂管機。頂管機選擇應根據(jù)管道穿越土層的物理力學特性、有無地下水、是否存在有毒氣體、地下障礙物情況和需要保護的構建筑物等因素，經(jīng)技術經(jīng)濟比較后確定。本工程管道大多位于淤泥中，頂管施工過程中可選用土壓平衡式頂管機或泥水平衡式頂管機[4]。

（7）其他方面的設計。頂管工藝設計涉及的內容還有很多，如管材的接口、有否曲線頂管、管道穿墻止水裝置、減阻措施等等，在施工圖設計中均需一一設計確定。

4　頂管工藝應用出現(xiàn)的問題與應對措施

4.1地面沉降與隆起

在施工任何一種頂管時，一旦沒有合理的進行操作，會使土體在機頭前方失去平衡進而引起地面沉降或隆起。如頂進速度過快，取土量過多或過少，管道軸線偏差、管道接口不嚴密等都會造成地層土體損失而使土體內壓力失去平衡[5]。

具體的控制措施：對于推進速度和排土之間的關系上進行嚴格的控制，對機頭前的土壓力要進行控制，嚴格控制頂管軸偏差，嚴格控制管道接口質量，對于頂管機前的被動土壓力也要略小。

4.2軸線偏差

管線偏差過大，會使管道發(fā)生彎曲，甚至會造成管節(jié)損壞，接口發(fā)生滲漏，在糾偏的過程中也會出現(xiàn)地面沉降與隆起。引起軸線偏差的原因：①地層正面阻力不均勻，使工具管受力不均勻而形成偏差；②頂管后背發(fā)生位移或不平整，使頂力合力線諞移而造成管線軸線偏差；③頂過設備頂力不同步或頂力相差較大，設備安裝不精確也會造成管道軸線偏差。在頂管施工時工具管偏離設計軸線后，要及時利用工具管的糾編機構，改變管端的方向，減少偏差[6]。

具體的控制措施：①在頂進的時候，要將頂進方向認真的控制好，不要大起大落的進行糾編。②采用同種規(guī)格的千斤頂，使頂力合力線與管道中心線相重合。③加強頂管后背施工質量的控制，確保后背平整，保證頂進設備的安裝精度。

4.3沉井下沉過快

頂管施工沉井下沉過快一般發(fā)生在軟弱土層，土的抗剪強度小、使頂管沉井下沉速度大于挖土速度。還有一種情況是沉井壁土受水浸泡，外壁與土之間的摩擦力減小，會使沉井下沉過快。沉井外壁降低地下水位措施不當，井內土外水頭差過大，致使井外土、砂涌入井內也會使沉井下沉過快。

具體的控制措施：沉井位于軟弱土層時，應提前在沉井井筒制作前進行地基加固處理；及排除沉井外壁附近的積水，加強井外壁降低地下水措施，盡量將井內、外水差控制在1.5左右；或在沉井外壁四周填粗糙材料或填土夯實，以加大土層摩阻力。

4.4接口滲漏和管節(jié)裂縫

接口滲水的情況主要是管道和密封材料質量不合，管線軸線偏差較大、接口錯位，及接口或止水裝置選型不當?shù)仍蛟斐傻?。頂管管?jié)會出現(xiàn)不規(guī)則的裂縫和縱向、橫向的裂縫，是管節(jié)質量不合格、頂進過程中頂力超過管節(jié)允許頂力、頂力不均勻等原因造成的[7]。

主要的控制措施：防止有過度糾偏存在于其中，在增加了管口的張角之后，就會按照一定的比例降低其所承受的推力；可以將一定厚度的木墊塊墊在企口管承受推力端面上，將管口承受推力的接觸面積提升上來。在管節(jié)應用之前的檢查工作要認真做好，進場之前對管節(jié)的強度上一定要進行認真細致的檢查；如需要可將中繼環(huán)安裝在其中。

5　結束語

綜上所述，進入21世紀，隨著社會經(jīng)濟的進一步發(fā)展，我國的城市管道工程建設進入了全新的發(fā)展階段，尤其是污水管道建設在數(shù)量和質量上都有了較大提升。地下管道縱橫交錯，線路復雜，加之在建設過程中存在較大的道路交通流量和密集的房屋，會對大尺度開挖施工形成一定限制，頂管工藝不需要對基坑進行開發(fā)就能完成一定施工任務，因此在污水管道設計中被逐漸廣泛應用，尤其是在我國的一些大城市舊城區(qū)。因此，在未來的城市污水管道設計建設中，頂管工藝必將發(fā)揮著更加重要的地位和作用，相關單位和技術人員在實踐過程中需更加重視對頂管工藝施工技術的改進和完善，使其功能得到更加充分的利用。

[1]盧鋼，于丹，姚智文.青島高新區(qū)某污水干管設計探討[J].城市道橋與防洪，2013（10）：11～12.

[2]潘殿琦，錢偉龍，宗德山.長春市自由大路主下水管道頂管設計與施工[J].長春工程學院學報（自然科學版），2011（04）：33～34.

[3]李鳳高，薛有良，李寶春.組合排樁技術在頂管工作井工程中的應用[J].科技與企業(yè)，2012（10）：01～02.

[4]王忠和.論建筑工程中頂管施工的技術問題與解決措施[J].現(xiàn)代裝飾（理論），2012（04）：11～12.

[5]黃競輝.對某市政污水管道工程頂管施工技術的探討[J].工程管理，2011（08）：10～11.

[6]馬奮濤，汪潤青.市政給排水工程中的頂管施工技術[J].科技創(chuàng)新導報，2009（21）：23～24.

[7]霍國友，謝力.頂管技術在市政截污管道施工中的實踐經(jīng)驗[J].中國給水排水，2009（06）：03～04.

TU992.23

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1673-0038（2015）13-0001-02

2015-3-10