對頂管施工法的簡要探討

趙振偉

【摘 要】頂管施工就是非開挖施工方法，是一種不開挖或者少開挖的管道埋設(shè)施工技術(shù)。非開挖工程技術(shù)徹底解決了管道埋設(shè)施工中對城市建筑物的破壞和道路交通的堵塞等難題，在穩(wěn)定土層和環(huán)境保護(hù)方面凸顯其優(yōu)勢。這對交通繁忙、人口密集、地面建筑物眾多、地下管線復(fù)雜的城市是非常重要的，它將為城市創(chuàng)造一個(gè)潔凈、舒適和美好的環(huán)境。

【關(guān)鍵詞】頂管施工；泥漿技術(shù)

一、采用頂管施工法鋪設(shè)管道具有如下得天獨(dú)厚的優(yōu)勢

1、頂管施工是頂管鋪管技術(shù)的一種，其在國外已廣泛使用，在國內(nèi)也已逐漸普及。于不開挖地面，所以能穿越公路、鐵路、河流，其至能在建筑物底下穿過，是一種能安全有效地進(jìn)行環(huán)境保護(hù)的施工方法，堪稱為環(huán)境保護(hù)施工時(shí)的環(huán)境保護(hù)。

2、頂管施工不開挖地面，故而被鋪設(shè)管道的上部土層未經(jīng)擾動(dòng)，管道的管節(jié)端不易產(chǎn)生段差變形，其管壽命亦大于開挖法埋管。

3、采用房下頂管施工法能節(jié)約一大筆征地拆遷費(fèi)用，減少動(dòng)遷用房，縮短管線長度，有很大的經(jīng)濟(jì)效益。

4、頂管工藝不僅僅用于管線鋪設(shè)，它還具有靈活的排管施工方式。更為重要的是頂管施工作為一種工藝，它不僅僅鋪設(shè)管線，它在管棚施工方面也具有優(yōu)勢。

5、頂管施工范圍的擴(kuò)大，頂管機(jī)械的性能越來越適應(yīng)各種土質(zhì)。頂管特別適用中小型管徑管道的非開挖鋪設(shè)。

若使刃腳比它相應(yīng)于管子外徑應(yīng)有的尺寸稍大一點(diǎn)，就有可能降低管外壁摩阻力。這樣能使上層不直接壓在管體上。只要土層足夠堅(jiān)硬，這種方法就會(huì)取到預(yù)期的效果。而如果向管子和土層之間形成的空隙內(nèi)壓人支承介質(zhì)，這種方法的效力更可以大大提高，并能維持一定的時(shí)間，從而足以頂進(jìn)一段相當(dāng)長的管路，再則，支承介質(zhì)在起支承作用的同時(shí)，也可以作為潤滑劑起到減少摩阻力的作用。

二、對支承一潤滑介質(zhì)的要求

對支承一潤滑介質(zhì)的要求，可以根據(jù)摩擦定律推算出來。從摩擦定律得出的結(jié)論。

按照摩擦定律來考慮，對于頂管施工可以得出完全明確的結(jié)論如下：

1、為了保持較小的推頂力，干摩擦須以盡可能小的摩擦系數(shù)μ為前提。管子表面的光滑，能使摩擦系數(shù)降低。管子表面的機(jī)械加工和涂抹減摩劑，同樣都能起到減小μ值的作用。

2、在干摩擦的情況下，管子表面在推頂過程中會(huì)被周圍上層磨毛，因而使摩擦系數(shù)增大。所以在項(xiàng)管距離較大時(shí)，一般多采取液體摩擦的方式。

3、液體摩擦須以管子和土層之間存在潤滑介質(zhì)為前提，也就是說，須將潤滑介質(zhì)壓人其間。

4、管子和土層之間充滿潤滑介質(zhì)的空隙，在整個(gè)推頂過程中必須保持不變。要作到這一點(diǎn)，潤滑介質(zhì)必須能夠阻止土層落到管壁上，亦即潤滑介質(zhì)必須承受著各種具體條件下起作用的上壓力來托住土層。因此，在潤滑介質(zhì)中必須經(jīng)常保持相當(dāng)于土應(yīng)力的液壓。這樣，潤滑介質(zhì)同時(shí)也起著支承介質(zhì)的作用。交承壓力的反作用力則由頂進(jìn)管來承受。

三、作為支撐-潤滑介質(zhì)的膨潤土

蒙脫土是一種層狀結(jié)構(gòu)的結(jié)晶氫化硅酸鋁。硅酸鹽多層體是一種三層結(jié)構(gòu)，其中包括一層SiO4四面體、一層氫氧化鋁八面體和一層SiO4四面體。蒙脫土晶體即由許多這樣的硅酸鹽疊層組成。蒙脫土晶體遇水膨脹，與此同時(shí)水分子便滲入各個(gè)疊層之間。于是兩個(gè)蒙脫土疊層之間的距離就加大了一倍。晶體內(nèi)部膨脹現(xiàn)象的原因，則在于疊層內(nèi)部電荷分布的不均勻。

我們可以設(shè)想，在靜止下來的膨潤上懸浮液中，薄片狀的蒙脫上微粒形成一種紙牌房子式的結(jié)構(gòu)，其中這些微粒以它們的角隅和棱緣彼此接觸或互相支撐。一旦靜止?fàn)顟B(tài)被擾亂，例如由于攪拌、振動(dòng)或泵送等等，于是大多數(shù)的“紙牌房子”坍塌下來，因而在靜止?fàn)顟B(tài)下凝結(jié)起來的懸浮液就會(huì)變成溶膠。當(dāng)這種溶膠再次靜止下來，薄片狀的蒙脫上微粒又會(huì)彼此搭在一起形成紙牌房子式的結(jié)構(gòu)，于是溶膠重新凝固。懸浮液每當(dāng)靜止便結(jié)成凝膠，一旦運(yùn)動(dòng)起來又變成溶膠，這種從靜止?fàn)顟B(tài)到運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及從運(yùn)動(dòng)狀態(tài)又回到靜止?fàn)顟B(tài)的結(jié)構(gòu)交替，可以永無止境地重復(fù)下去，這樣的特性便叫作觸變性。

作為頂管施工中的支撐-潤滑介質(zhì)，膨潤土的重要特點(diǎn)即在于它的膨脹性能。這一點(diǎn)須取決于薄片狀蒙脫俄土微粒的大小和數(shù)量。

在膨潤土含量相同情況下，鈉膨潤土懸浮液中所含極薄的硅酸鹽疊層片的數(shù)量，約為鈣膨潤上懸浮液中所含數(shù)量的15到20倍。由于這種極薄的硅酸鹽疊層片的數(shù)量大得多，便有利于蒙脫土微粒形成紙牌房子式的結(jié)構(gòu)，因而亦有利于提高懸浮液的膨脹性能，這樣既可改善懸浮液在溶膠狀態(tài)下的流動(dòng)性，也能改善懸浮液在凝膠狀態(tài)下的固結(jié)性。所以鈉膨潤土比鈣膨潤土更適用于頂管施工。

因此得出的結(jié)論是，膨潤土含量增加一倍，可使膨潤上懸浮液的支承作用提高到7至10倍。但是這也意味著，若膨潤土含量減少1/2，支承作用就可能降低到1/10。所以，確定懸浮液中的膨潤上含量，便有著如此重大的意義。

四、膨潤土懸浮液在疏松土層中的應(yīng)用

在無粘性的疏松土層中以及在粘性很小的土壤中，例如在砂礫土中，若不采取其它輔助措施，土層由于本身極不穩(wěn)定，以致在刃腳推進(jìn)之后立刻就會(huì)坍落在管壁上。所以對這類土壤來說，膨潤土懸浮液的支承作用尤其具有重要意義。為了起到這種支承作用，先決條件是要盡可能準(zhǔn)確地掌握膨潤土懸浮液在砂礫上中的特性。膨潤上懸浮液將滲入土層的孔隙內(nèi)，充滿孔隙，并繼續(xù)在其中流動(dòng)。流速取決于孔隙的橫斷面與懸浮液的流變特性，同時(shí)也取決于壓漿壓力。因此為了在同樣的壓漿壓力下達(dá)到相同的滲入深度，在孔隙橫斷面很小的細(xì)粒土層中便需要低流限的懸浮液，面孔隙橫斷面較大的粒粒土層則需要高流限的懸浮液。在克服流動(dòng)阻力的過程中，壓漿壓力隨著滲人深度的增加而成比例地衰減，所以相應(yīng)每一種壓漿壓力，都有一個(gè)完全確定的滲人深度。

盡管就某種場合來說，隨著管子的推進(jìn)同時(shí)在管子整個(gè)圓周上和管路全部長度上均勻地壓漿證明是相宜的，而在另一些場合下，正確的方法則又可能是分段壓漿。例如現(xiàn)已得知，在管子下半部，膨潤土在頂進(jìn)過程中比靜止?fàn)顟B(tài)下更容易流出，而上半部的壓漿則是在管路靜止的情況下更容易進(jìn)行。因此最好是將管子下半部的注漿孔和上半部的注漿孔分別組合起來。這種半側(cè)壓出的原因在于，靜止?fàn)顟B(tài)的管道以其全部很大的重量沉落于底部。這樣便在管道的頂部形成了小空隙，或者至少是形成了一個(gè)壓力較低的區(qū)域。因而在這種狀態(tài)下，膨潤土在管頂處比在管底部更容易流出。反之，在頂壓力和浮力同時(shí)作用下，管道有向上拱起的傾向。這時(shí)管道離地升起，于是管底下方便形成了一個(gè)低壓區(qū)，致使膨潤土更加容易滲入其中并均勻地散開。

五、頂進(jìn)管在膨潤土懸浮液中受到的浮力

只要頂進(jìn)管在整個(gè)圓周上被膨潤土懸浮液所包圍，浮力定律便對它有效，即使懸浮液層的厚度很小也同樣如此。在鋼筋混凝土管情況下，浮力均為管子自重的1.4倍。在石棉水泥管情況下，浮力甚至高達(dá)管子自重的2.9倍。

這樣，只要通過正確地壓人膨潤土懸浮液，從而在土層中圍繞頂進(jìn)管形成一個(gè)支承環(huán)帶，并保持懸浮液壓力等于土壓力，于是管子就會(huì)在膨潤土懸浮液中漂浮起來。為此必需的前提在于懸浮液應(yīng)是液體狀態(tài)的，亦即呈現(xiàn)為表觀流限相應(yīng)較低的溶膠狀態(tài)。在懸浮液的膨潤土含量低到接近運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的穩(wěn)定極限時(shí)，這個(gè)條件便能得到滿足。浮力可使管外壁摩阻力減小，因?yàn)楣艿撞坑捎谧灾禺a(chǎn)生的法向力減少了。這一效果首先會(huì)對大直徑管子的長距離推頂產(chǎn)生有利的影響。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張振宇.盾構(gòu)法施工技術(shù)在我國的應(yīng)用與發(fā)展[J].武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，（04）：26-28，36.