試談頂管施工技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用

沈印

（安徽水利開發(fā)有限公司，安徽蚌埠 233000）

0 引言

頂管施工技術(shù)是一種非開挖或少開挖的管道埋設(shè)施工方式?；\統(tǒng)來說，在工作坑內(nèi)，使用頂進(jìn)設(shè)備，借助其在特定方向產(chǎn)生的頂力，降低管道與土壤間的摩擦力，從而將管道從目標(biāo)坡度“頂”入土中，最后將土方運(yùn)走。此種技術(shù)由于無需或少量開挖，不會(huì)對工程所在地的道路及其他重要設(shè)施的周邊環(huán)境造成破壞，因此已經(jīng)廣泛應(yīng)用于建筑工程、道路橋梁工程以及水利工程。

1 水利工程中應(yīng)用頂管施工技術(shù)的產(chǎn)生背景及主要原理

在水利工程施工中，地下管道的安置、更換長期以來嚴(yán)重困擾著設(shè)計(jì)人員。頻繁的開挖不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力、造成極大的成本支出，還會(huì)嚴(yán)重影響工程建筑主體下方的土層環(huán)境，一旦出現(xiàn)問題，將會(huì)嚴(yán)重影響工程整體質(zhì)量。面對此類問題，盾構(gòu)施工法應(yīng)運(yùn)而生，以更加先進(jìn)的頂涵作業(yè)，革新了工程主體結(jié)構(gòu)的頂進(jìn)支護(hù)結(jié)構(gòu)方式，并將明挖開槽轉(zhuǎn)變?yōu)榘低诙軜?gòu)支護(hù)，極大地降低了施工過程對交通造成的影響。而頂管施工技術(shù)在盾構(gòu)施工法的基礎(chǔ)之上，得到了進(jìn)一步的改進(jìn)。應(yīng)用于水利工程、橋梁隧道工程、地下管線鋪設(shè)時(shí)，無需開挖面層，即可穿越諸多障礙物。其主要原理為借助主頂油缸和管道間、中繼間的推理，將作業(yè)工具管甚至是掘進(jìn)設(shè)備沿著工作井內(nèi)部直接穿過土層，一直推到接收井所在位置后，執(zhí)行吊起操作。與此操作同時(shí)進(jìn)行的，是將緊隨工具管與掘進(jìn)設(shè)備后方的管道埋設(shè)在工作井和接收井之間，最終通過非開挖的方式達(dá)到成功敷設(shè)地下管道的目的。

2 施工前中期的測量準(zhǔn)備工作

在水利工程中應(yīng)用頂管施工技術(shù)時(shí)，必須重視導(dǎo)向問題。一般來說，頂管的距離越長、口徑越大、導(dǎo)向工作的困難性就會(huì)越高。在施工前期，應(yīng)該工作管道的頂進(jìn)方向，一旦出現(xiàn)偏差，將會(huì)嚴(yán)重影響施工質(zhì)量。具體流程如下：首先，在靠近建筑體后墻的平面位置進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算后，設(shè)置頂管工作坑。如果水利工程規(guī)模較小、施工距離較短，可以采用樣線法，將初始位置、終端位置的線路相連，確認(rèn)頂級管道的“行駛”軸線后，執(zhí)行打樁定向作業(yè)。如果頂進(jìn)距離較長，可以在經(jīng)緯儀等輔助工具的作用下，確定軸線。其次，將敷設(shè)工作坑平面的導(dǎo)軌作為頂進(jìn)管道的基準(zhǔn)。為了保證后續(xù)作業(yè)的精準(zhǔn)程度，進(jìn)行導(dǎo)軌安裝作業(yè)時(shí)必須反復(fù)確認(rèn)，直至滿足“牢固”、“水平”等要求，同時(shí)還應(yīng)注意導(dǎo)軌的中心線與頂管的軸線“完美重合”。最后，以第一根正確頂進(jìn)的管道作為起點(diǎn)，通過吊裝的方式，將之放置于導(dǎo)軌之上。此時(shí)可以啟動(dòng)油泵，正是開始頂進(jìn)作業(yè)。在此過程中，必須時(shí)刻注意中心線與軸線的重合情況，一旦出現(xiàn)偏離必須即刻調(diào)整。

水利工程周邊環(huán)境較為復(fù)雜，地下土層很容易出現(xiàn)各種突發(fā)情況，因此在頂進(jìn)過程中，必須采用良好的檢測方式，使管道按照預(yù)定線路前行。達(dá)到一定的行進(jìn)距離后（以1m作為分隔），進(jìn)行降準(zhǔn)測量，務(wù)必保證行進(jìn)方向不會(huì)出現(xiàn)任何偏離。

總體來看，在水利工程中應(yīng)用頂管施工技術(shù)，很容易出現(xiàn)行進(jìn)放線偏離預(yù)定線路的情況，因此，必須及時(shí)進(jìn)行糾偏作業(yè)。常見的糾偏方式可以分為短距離人工法和長距離機(jī)械法：①施工人員可以將頂管偏離方向的土層清除干凈，此舉能夠使偏離區(qū)段土壤對頂管的作用力失衡，在調(diào)整油缸端的頂點(diǎn)位置后，即可達(dá)到糾偏的目的。②采用機(jī)械方式，在工具管的頂頭以及鋼管的環(huán)圈斷面上設(shè)置獨(dú)立運(yùn)行的液壓系統(tǒng)。此舉能夠使工具管具備活絡(luò)頂頭的功能性，一旦出現(xiàn)偏離現(xiàn)象，受到異常作用力后，壓力表上的讀數(shù)會(huì)出現(xiàn)偏差，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)偏離現(xiàn)象。通過針對性改變油缸壓力的方式，可以對偏離的導(dǎo)管進(jìn)行“導(dǎo)正”，從而完成糾偏[1]。

3 頂管工作坑的設(shè)置方式

頂管工作坑作為頂管施工技術(shù)的核心操作場所，必須維持安全、穩(wěn)固的工作狀態(tài)。如前文所述，水利工程周邊的土層環(huán)境不可控性較大，工作坑的大小、應(yīng)用的支護(hù)設(shè)備等需要經(jīng)過精確計(jì)算。一般來說，工作坑的實(shí)際尺寸與頂管的各項(xiàng)參數(shù)息息相關(guān)。

（1）進(jìn)行平面參數(shù)確認(rèn)時(shí)，應(yīng)該按照下列公式進(jìn)行計(jì)算：

工作坑寬度=頂管外徑（m）+2×套管兩側(cè)操作寬度（1.5m）+2工作坑兩側(cè)支撐板裝厚度（0.25m）

工作坑長度=單一頂管長度（m）+油缸長度（m）+后靠墻厚度（0.5m）+頂管外留的焊接長度（0.5m）+引出土環(huán)長度（m）+頂頭等特殊工具管長度（m）

（2）進(jìn)行斷面位置確認(rèn)時(shí)，應(yīng)該按照以下公式進(jìn)行計(jì)算：

斷面位置務(wù)必與水平方向保持垂直狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上，開發(fā)深度=地坪至頂管頂部的深度距離（m）+平鋪槽鋼的深度距離（0.25m）+混凝土基礎(chǔ)厚度（0.35m）+頂管的截面直徑（外徑，m）

（3）進(jìn)行后靠墻確認(rèn)時(shí)，應(yīng)該充分考慮頂管的深度，否則在巨大的反作用力下，容易對水利工程的地下建筑結(jié)構(gòu)造成沖擊。此外，墻面必須保持 90°的垂直狀態(tài)[2]。

（4）布置操作面。首先，使用混凝土，在工作坑的地步澆灌厚度在30cm以上的土層。其次，在土層上方鋪設(shè)兩層以上的槽鋼，同時(shí)還應(yīng)注意對水平面的矯正。再次，沿著頂進(jìn)軸線設(shè)置一組導(dǎo)軌（一般來說，導(dǎo)軌之間的距離應(yīng)該在頂管外口徑的60%～70%之間）。之后，選用一組或兩組油缸（雙數(shù)），將之放置在升降調(diào)節(jié)架上，并執(zhí)行固定作業(yè)。最后，在頂坑的前端預(yù)留1m左右的工作坑，用來焊接導(dǎo)管。

4 降低頂進(jìn)過程摩擦阻力影響的有效方式

執(zhí)行頂進(jìn)作業(yè)時(shí)，地下土層與頂管外表面必然產(chǎn)生較大的摩擦阻力。隨著頂進(jìn)距離的提升，導(dǎo)管的長度、質(zhì)量均會(huì)增加，故而作業(yè)時(shí)間越長，產(chǎn)生的阻力越大。為了提升頂進(jìn)作業(yè)效率，需要通過合理方式降低摩擦阻力的影響。常見的方法為：①在工具管中接入水管，采用環(huán)噴等方式，是水均勻覆蓋在頂管外表面。當(dāng)水分深入到土層后，土層的堅(jiān)硬程度必然降低，從而起到降低摩擦阻力的作用。此種方式僅適用于短距離作業(yè)，一旦距離加大，效果將會(huì)顯著降低。②執(zhí)行長距離頂進(jìn)作業(yè)時(shí)，可以使用出邊潤滑劑，從頂管的外壁壓入，接觸泥漿之后，能夠極大地降低摩擦阻力。觸變式泥漿潤滑劑的配置方法如下：以質(zhì)量計(jì)，水、石堿、膨潤土的比例應(yīng)該大致滿足4：1：1，此比例無需嚴(yán)格控制，只要大致滿足即可。根據(jù)頂管施工實(shí)際案例的相關(guān)數(shù)據(jù)可知，受水分影響而形成的泥漿，阻力如果達(dá)到30N/m2，添加泥漿潤滑劑之后，摩擦力的下降幅度接近70%。③在頂進(jìn)管道中以串聯(lián)的方式安裝一定數(shù)量的接力環(huán)。此舉的目的在于將長頂管分為多個(gè)接力環(huán)段，在其周圍布置油缸。當(dāng)接力環(huán)上的油缸啟動(dòng)時(shí)，處于后置未知的頂管能夠切到支撐底座的作用，從而使頂管先前推進(jìn)。此種方法的原理在于，將長距離頂管收到的摩擦阻力進(jìn)行“分割”，類似于多人分處線路的不同位置，無需人移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)物品傳導(dǎo)的過程。然而此種方式需要消耗大量的機(jī)械動(dòng)能，成本較高[3]。如圖1所示，為長距離頂管接力環(huán)的安裝示意圖。

圖1 長距離頂管接力環(huán)安裝

5 水利工程中應(yīng)用頂管施工技術(shù)的主要作業(yè)流程

上述四點(diǎn)主要介紹了頂管施工的各項(xiàng)要素，再具體作業(yè)時(shí)，應(yīng)該嚴(yán)格執(zhí)行如下流程：

（1）預(yù)先檢查油泵、油缸、液壓系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等是否處于正常工作狀態(tài)。特別是供電系統(tǒng)，容易受到水利工程周邊濕潤環(huán)境的影響，必須仔細(xì)檢查。

（2）操作頂管時(shí)必須循序漸進(jìn)，不可操之過急。

（3）頂進(jìn)過程中必須時(shí)刻注意油缸活塞桿的行程，按照預(yù)先設(shè)計(jì)方案，行程數(shù)設(shè)定在1m左右。如果油泵壓力表中的相關(guān)數(shù)值出現(xiàn)異常浮動(dòng)，則必須即可暫停作業(yè)，待查明原因后，方可繼續(xù)。

（4）務(wù)必及時(shí)清理土方，保持“頂進(jìn)-清土-頂進(jìn)-清土”循環(huán)進(jìn)行。如果出現(xiàn)“悶頂”狀況，將會(huì)嚴(yán)重影響頂進(jìn)質(zhì)量（若工程規(guī)模較小，頂管外口徑在300cm以下，則可以根據(jù)實(shí)際作業(yè)環(huán)境進(jìn)行悶頂）。

（5）頂管施工應(yīng)該連續(xù)進(jìn)行。一旦施工間隔超過一定期限，土層堅(jiān)硬程度必然提升，導(dǎo)致阻力大幅度增加。

6 結(jié)語

在水利等工程施工中，“非開挖”的設(shè)想雖然早已出現(xiàn)，但得以實(shí)現(xiàn)并受到廣泛應(yīng)用的時(shí)間較短。其主要作用為糾正管道在地下延伸的偏差。很多大中型管徑的開挖施工“動(dòng)靜”極大，稍有不慎即會(huì)對周邊環(huán)境造成破壞，故而具有“不開挖地面、不拆遷、不破壞工程主體建筑物、不影響管道段差變形”的頂管施工技術(shù)能夠從經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性等方面，為諸多工程項(xiàng)目提供更加合理的解決方案。