頂管法在市政管道工程中的應(yīng)用技術(shù)研究

尹冬 ，苗雷強(qiáng) ，梁朋飛 ，石家豪

（1.石家莊市道橋設(shè)施管護(hù)中心，河北 石家莊 050000；2.河北省建筑科學(xué)研究院有限公司，河北 石家莊 050000；3.河北省建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司，河北 石家莊 050000）

1 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)城市建設(shè)的快速發(fā)展，給水、排水、燃?xì)?、雨水、污水等保障城市正常運(yùn)轉(zhuǎn)的市政管線工程建設(shè)也隨之快速推進(jìn)。市政管道往往敷設(shè)于城市道路下方，傳統(tǒng)的溝槽明挖法不僅造成城市道路“拉鏈路”，而且對(duì)交通安全和居民生活帶來(lái)較大的不利影響。同時(shí)，市政管道在城市建設(shè)中往往還會(huì)遇到穿越鐵路、市政道路、河流、地上建筑物、地下構(gòu)筑物等不允許采用明挖法開(kāi)挖的地段。頂管法作為一種良好的、可避免大挖大填的暗挖施工工法，不僅可以很好地解決上述市政管道建設(shè)技術(shù)難題，而且可以減少對(duì)環(huán)境的污染和道路的堵塞，具有顯著的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

2 頂管法原理和優(yōu)缺點(diǎn)

頂管法是地下管道暗挖施工方法的一種，這種施工方法只需要開(kāi)挖管道兩端工作井，用于施工器械和管段的安裝放置，不需要開(kāi)挖中間段的地面，廣泛用于下穿道路、鐵路、河流以及其他地下或地面設(shè)施。頂管施工時(shí)，通過(guò)一端的工作井中安裝頂管千斤頂和頂進(jìn)軌道，為管段的頂進(jìn)提供充足、穩(wěn)定的動(dòng)力，同時(shí)采用機(jī)械或人工的方式削除管頭正面的土體，并由管段和工作井將土運(yùn)出，管段頂進(jìn)土體后繼續(xù)在后部補(bǔ)充新的管段，直至頂進(jìn)到預(yù)定位置。

頂管法分類(lèi)方式很多，可按施工機(jī)具、口徑大小和工作面土壓平衡方式等進(jìn)行分類(lèi)，具體分類(lèi)如下表1所示。

頂管施工的分類(lèi) 表1

在市政管道建設(shè)過(guò)程中，采用頂管法施工具有以下優(yōu)點(diǎn)：①僅需開(kāi)挖兩端工作井，由于開(kāi)挖面小，對(duì)交通影響較??；②相比明挖法，施工土方量明顯減少，施工更加經(jīng)濟(jì)高效；③施工噪聲小，對(duì)居民生活影響??；④相比較溝槽明挖法施工，其施工的工期明顯縮短；⑤當(dāng)穿越鐵路、河流等不允許開(kāi)挖或沒(méi)有開(kāi)挖條件的狀況下，其優(yōu)勢(shì)顯著；⑥對(duì)于埋設(shè)較大的市政管道敷設(shè)也具有較大優(yōu)勢(shì)。

同時(shí)，市政管道采用頂管法施工也有一些缺點(diǎn)，比如：①當(dāng)市政管道曲率半徑較小，采用頂管法施工非常困難；②由于頂推力作用在管道后部，頂管前端無(wú)牽引，當(dāng)土質(zhì)較軟時(shí)，管道走向容易出現(xiàn)偏差，且調(diào)整困難，同時(shí)容易產(chǎn)生不均勻沉降；③管道頂進(jìn)過(guò)程中遇到較大障礙物時(shí)難以處理。

在城市市政管道建設(shè)過(guò)程中，根據(jù)工程當(dāng)?shù)氐木唧w地質(zhì)條件，結(jié)合工程的實(shí)際要求，針對(duì)性選擇合適的頂管施工技術(shù)十分必要。

3 頂管法施工流程

頂管法在市政管道暗挖施工中應(yīng)用廣泛，頂管法施工的基本工藝流程如圖1所示。

圖1 頂管法施工工藝流程圖

4 頂管法施工關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)以上頂管法施工的工藝流程，總結(jié)頂管法施工的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：施工機(jī)具選擇、工作井施工、導(dǎo)軌施工、頂進(jìn)后備施工、頂進(jìn)設(shè)備與管節(jié)安裝施工、挖土頂進(jìn)與測(cè)量糾偏施工、管道拼接施工等內(nèi)容。

4.1 施工機(jī)具選擇

市政管道工程頂管施工機(jī)具的選擇，應(yīng)在保障工程質(zhì)量安全和文明環(huán)保的基礎(chǔ)上，根據(jù)工程水文地質(zhì)條件和施工環(huán)境選擇，必須遵守“與土質(zhì)相適應(yīng)”“與施工條件相適應(yīng)”“確保施工安全”和“施工經(jīng)濟(jì)性好”的四大原則。頂管法施工機(jī)械設(shè)備主要包括管段和機(jī)械吊裝設(shè)備、高壓油泵和千斤頂?shù)软斶M(jìn)設(shè)備、頂進(jìn)后背、承接管段和設(shè)備的導(dǎo)軌、井口和管內(nèi)出土工具、經(jīng)緯儀和水準(zhǔn)儀等測(cè)量?jī)x器。頂管施工所用儀器設(shè)備的具體功能和數(shù)量應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況確定。

4.2 工作井施工

頂管施工的始發(fā)井和接收井必須進(jìn)行井壁支護(hù)，具體的圍護(hù)形式應(yīng)根據(jù)基坑尺寸并考慮周邊地質(zhì)、地下水、其他地下設(shè)施、周邊建筑等情況綜合分析確定。

頂管工作井的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度要考慮頂管施工時(shí)相關(guān)機(jī)械設(shè)備、管段、人員作業(yè)等空間要求，具體可依據(jù)下式結(jié)合實(shí)際情況確定：

其中，L為工作井滿足頂管施工需要的最小長(zhǎng)度；Y為頂管機(jī)和管段長(zhǎng)度中的較大值；Y為頂管后千斤頂長(zhǎng)度；Y為千斤頂承壓后背的厚度；X為頂入管段需留在外部導(dǎo)軌上的最小長(zhǎng)度；X為頂鐵厚度；X為管段頂進(jìn)回退和管段安裝操作預(yù)留空間。

工作井除應(yīng)滿足安裝頂管機(jī)具設(shè)備、導(dǎo)軌和頂進(jìn)管節(jié)的要求外，還需滿足井外出土和作業(yè)人員操作的要求。一般要求，工作井上口前沿距路邊不小于2m，放置管道后每側(cè)要有1m的工作面；在有地下水影響的情況下，還必須設(shè)置排水坑及其排水設(shè)備。

4.3 導(dǎo)軌施工

頂管法施工導(dǎo)軌固定于始發(fā)井的底面，導(dǎo)軌下墊有枕木，枕木間距根據(jù)實(shí)際情況確定，一般為0.8～1m。頂管法軌道鋼軌一般為兩根，軌道間距根據(jù)管段直徑和軌道高度確定，一般保證管段放置在導(dǎo)軌上后管段下表面高出枕木20mm以上。導(dǎo)軌一般選用鋼材制作，確保具備足夠的強(qiáng)度和剛度，且導(dǎo)軌與底板連接應(yīng)牢固穩(wěn)定。兩根鋼軌安裝應(yīng)平順且處于相同標(biāo)高，準(zhǔn)確安裝到設(shè)計(jì)位置，以確保管段頂進(jìn)預(yù)定的位置和方向。也可在導(dǎo)軌上加設(shè)配套滑板車(chē)，以減小頂進(jìn)時(shí)管段與導(dǎo)軌之間的摩擦。

4.4 頂進(jìn)后背施工

頂進(jìn)后背是設(shè)置在頂管千斤頂后，為千斤頂提供后部支撐和發(fā)力點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，后背剛度強(qiáng)度和穩(wěn)定性直接影響頂管施工的順利進(jìn)行。后背的強(qiáng)度應(yīng)滿足頂管推進(jìn)最大推力要求，且后背墻面要垂直于頂推方向，整個(gè)頂進(jìn)過(guò)程中保證后背不發(fā)生明顯形變。根據(jù)頂管施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行后背結(jié)構(gòu)的選擇和施工，當(dāng)工作井埋深較淺或周?chē)馏w松軟時(shí)應(yīng)人工構(gòu)筑后背結(jié)構(gòu)，當(dāng)覆土較深時(shí)可采用天然土體夯實(shí)的方法構(gòu)筑后背結(jié)構(gòu)，在混凝土工作井內(nèi)，可采用混凝土現(xiàn)澆的方式構(gòu)筑后背結(jié)構(gòu)。

4.5 頂進(jìn)設(shè)備與管節(jié)安裝施工

頂進(jìn)設(shè)備由高壓油泵和千斤頂組成，高壓油泵為千斤頂提供動(dòng)力，千斤頂安裝在后背和頂進(jìn)管段中間，并在千斤頂和管段連接處設(shè)置鋼護(hù)圈和橡膠墊以保護(hù)頂管。管段外部應(yīng)涂潤(rùn)滑劑以減少頂管頂進(jìn)的阻力，通過(guò)千斤頂?shù)耐屏χ鸩綄⒐芏雾斎胪馏w中。

4.6 挖土頂進(jìn)與測(cè)量糾偏施工

設(shè)備安裝后經(jīng)試運(yùn)轉(zhuǎn)無(wú)異常即可掏頂進(jìn)，掏土一般可分為人工掏土、機(jī)械掏土和擠壓式掏土，人工和機(jī)械掏土如圖2所示。

圖2 頂進(jìn)掏土施工

管道頂進(jìn)過(guò)程中應(yīng)隨時(shí)測(cè)量監(jiān)控，每次頂進(jìn)均需要進(jìn)行偏差測(cè)量，發(fā)現(xiàn)偏差及時(shí)糾正。頂管距離較長(zhǎng)或曲線頂管最好采用自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)

5 結(jié)語(yǔ)

頂管法作為一種良好的、安全有效的、經(jīng)濟(jì)適用的暗挖施工技術(shù)，已逐漸成為解決當(dāng)前市政道路“開(kāi)膛破肚”“拉鏈路”等城市化問(wèn)題的有效手段，可用于市政管線穿越鐵路、市政道路、河流、地上建筑物、地下構(gòu)筑物等不允許開(kāi)挖地段，具有顯著的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。作為城市“生命線”的市政管線工程，應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際水文地質(zhì)條件、施工環(huán)境和設(shè)計(jì)要求，選用與之適應(yīng)的頂管施工方式，正確選擇頂管機(jī)具、配套輔助設(shè)施和相應(yīng)的技術(shù)保障措施，對(duì)于市政管道頂管施工十分關(guān)鍵。