市政給排水工程非開(kāi)挖頂管施工技術(shù)分析

王 智

（安徽省公路工程建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230051）

引言

給排水工程是保證城市給水、供水、污水處理的基礎(chǔ)，此類(lèi)項(xiàng)目在施工中，不僅要做到對(duì)工程質(zhì)量全面的、嚴(yán)格的把控，確保工程的各項(xiàng)質(zhì)量達(dá)到國(guó)家規(guī)定的要求，又要保證工程的按時(shí)完工[1]。為解決傳統(tǒng)施工技術(shù)在應(yīng)用中存在的不足，在此期間，有關(guān)單位要對(duì)城市給水工程中出現(xiàn)的各種問(wèn)題和缺陷進(jìn)行了分析，例如：施工中設(shè)備運(yùn)行中存在高損耗問(wèn)題、建設(shè)工程項(xiàng)目的有效使用壽命較短等[2]。因此，有必要重視到市政給排水工程的建設(shè)，嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行，為確保城市排水、污水處理等各項(xiàng)工作的實(shí)施提供保障。

1 市政給排水工程實(shí)例

所選的工程項(xiàng)目為某地區(qū)四標(biāo)段管網(wǎng)工程項(xiàng)目，工程項(xiàng)目施工標(biāo)號(hào)為3K+456-5K+478，通過(guò)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的勘驗(yàn)，明確了該項(xiàng)目的施工段全長(zhǎng)為4 092 m，工程全線共由40 個(gè)沉井構(gòu)成，主要包括15 個(gè)接收井與15 個(gè)工作井[3]。在深入此項(xiàng)工作的研究中發(fā)現(xiàn)，施工段共由4 個(gè)區(qū)段構(gòu)成，對(duì)4 個(gè)施工段進(jìn)行描述，見(jiàn)表1。

表1 市政給排水工程4 個(gè)施工段描述

按分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，該項(xiàng)目有3 個(gè)長(zhǎng)距離頂管施工段。

2 市政給排水工程非開(kāi)挖頂管施工技術(shù)

2.1 設(shè)置頂管施工導(dǎo)向軌跡

采用非開(kāi)挖頂管技術(shù)，對(duì)其進(jìn)行合理的導(dǎo)向軌道設(shè)計(jì)是保證其安全運(yùn)行的前提。與傳統(tǒng)的施工工藝相比，采用非開(kāi)挖頂管施工技術(shù)，對(duì)管線、重力管等的要求更高。在此過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格控制導(dǎo)軌軌道設(shè)計(jì)中可能存在的誤差，以有效地掩蓋施工過(guò)程中的不利因素，減少施工的風(fēng)險(xiǎn)[4]。在對(duì)頂管施工導(dǎo)向軌跡設(shè)置時(shí)，按照?qǐng)D1 所示內(nèi)容進(jìn)行。

圖1 頂管施工導(dǎo)向軌跡設(shè)置

按照設(shè)置的導(dǎo)向軌跡，在實(shí)際施工中，要求頂管水平條件范圍在-12°～+12°以?xún)?nèi)，調(diào)整后的水平精度應(yīng)當(dāng)在-30''～+30'' 范圍內(nèi)，兩軸跟蹤速率在6'/s～8'/s 范圍內(nèi)。采用多個(gè)測(cè)控機(jī)器人在隧道中構(gòu)成一根支線，將工作井的參考點(diǎn)的工程坐標(biāo)傳至頂管機(jī)首棱鏡，最后得到目前頂管頭的立體定位[5]。同為管線工程，頂管與埋管是完全不同的，它是一種非開(kāi)挖的管道鋪設(shè)。在頂管工程中，管身與土體之間的相互作用十分復(fù)雜，既要經(jīng)受巖石的摩擦、土的壓力，又要經(jīng)受管節(jié)頂推、管身前面的土壓力、地表的載荷[6]。根據(jù)最常見(jiàn)的方法，采用一條與管外徑相同的假定管溝作為計(jì)算方法，其數(shù)值偏小。由于頂管施工和礦井掘進(jìn)工程一樣，都是在結(jié)構(gòu)的掩護(hù)下進(jìn)行，但襯板和盾構(gòu)是靜止的，而頂管的管體卻在不停地運(yùn)動(dòng)，而且要承擔(dān)軸向的載荷。

2.2 頂管材料選擇與焊接、防腐處理

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況以及給排水工程的施工要求，確定管材的具體長(zhǎng)度以及直徑。在設(shè)置頂管長(zhǎng)度時(shí)，可按照下述公式計(jì)算得出

式中：L 為非開(kāi)挖頂管的長(zhǎng)度；l 為實(shí)際測(cè)量得到的直線距離；τ 為系數(shù)，通常情況下，τ 的取值在1.3～1.5 范圍內(nèi)，若頂管施工的深度在4 m 以?xún)?nèi)，則根據(jù)施工參與方的要求τ 的取值最低不小于1.1。在確定頂管橫截面的直徑時(shí)，可按照下述公式計(jì)算得出

式中：D 為非開(kāi)挖頂管橫截面直徑；B 為工作坑寬度；b為施工區(qū)域內(nèi)安好管節(jié)后兩側(cè)的工作空間；c 為頂管護(hù)壁厚度。在完成對(duì)頂管長(zhǎng)度和直徑等參數(shù)的設(shè)定后，還需要綜合考慮頂管材料的承受力。在對(duì)頂管材料承受力計(jì)算前，明確頂管上方土體的荷載向相鄰?fù)翆恿α總鬟f的原理，見(jiàn)圖2。

圖2 頂管上方土體荷載向相鄰?fù)翆恿α總鬟f原理

結(jié)合上述傳遞原理，確定頂管的承受力計(jì)算公式為

式中：F 為頂管承受力；F0為初始推力；R 為頂管綜合摩阻系數(shù)；S 為頂管外圍周長(zhǎng)；L 為推進(jìn)長(zhǎng)度。根據(jù)上述公式計(jì)算得出頂管的承受力，在選擇頂管材料時(shí)確保材料的抗壓能力在計(jì)算數(shù)值之上[7]。頂管由有資質(zhì)的生產(chǎn)廠家加工，加工后的鋼管要經(jīng)過(guò)監(jiān)督檢驗(yàn)，然后進(jìn)行防腐處理。為了便于焊接，管末端的100 mm處沒(méi)有進(jìn)行防腐，在頂管施工中，每隔兩個(gè)相鄰的鋼管都要進(jìn)行一次防腐。

2.3 非開(kāi)挖頂管頂進(jìn)施工

頂進(jìn)施工要根據(jù)設(shè)計(jì)的線路，用超提刀不斷向前推進(jìn)，并密切關(guān)注切土刀盤(pán)和千斤頂?shù)倪\(yùn)行狀況，及時(shí)進(jìn)行頂進(jìn)作業(yè)的糾偏，要做到及時(shí)、精確，將垂直和橫向偏差控制在+30～-40 mm，≤±50 mm 的范圍內(nèi)。通過(guò)修正頂板施工中的誤差，使鋼管原位得到了修復(fù)[8]。當(dāng)然，也要小心，不能有太大的修正。如果頂管機(jī)的頭部與設(shè)計(jì)軸線有顯著的偏差，應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，糾正千斤頂，并間接糾正頭部的位置，使誤差減少，便于管線沿設(shè)計(jì)的軸線方向進(jìn)行頂入。如果在施工中遇到方向和高程的同時(shí)發(fā)生偏移，首先要進(jìn)行方向校正，然后再進(jìn)行高程校正。方位誤差校正，按照小角度、分級(jí)方法進(jìn)行，而對(duì)標(biāo)高的誤差修正，則要靠加壓塊或轉(zhuǎn)動(dòng)校正力矩來(lái)完成。頂進(jìn)作業(yè)是非開(kāi)挖頂管施工中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其頂進(jìn)作業(yè)將直接影響到后續(xù)的施工處置，并嚴(yán)格遵守施工規(guī)程。

2.4 洞口止水處理

在頂板施工中，為了保證管子能夠及時(shí)排出，工作井會(huì)根據(jù)管子的外徑，將預(yù)留的洞口擴(kuò)大到100 mm，這樣的話(huà)，頂板的縫隙就會(huì)越來(lái)越大，如果不能及時(shí)堵住，就會(huì)造成漏水，從而影響到頂管的施工。遇到這樣的狀況，在沉井施工時(shí)，必須考慮到洞口的防滲。預(yù)先在洞口留出空隙，用10 mm 厚的鋼板固定住。然后用鋼板將其固定，厚度為16 mm，用鋼板將其快速壓縮。對(duì)已完工的頂管進(jìn)行檢查，如果沒(méi)有地下水滲出，也沒(méi)有淤泥，則拆卸橡膠凸緣，并將壓板收回，完成封口的防水處理。出入孔的處理也是頂管施工中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。在頂管施工過(guò)程中，由于穿壁作業(yè)的影響，會(huì)使掘進(jìn)機(jī)的方向發(fā)生偏移，因此必須加強(qiáng)對(duì)管線的方向控制，同時(shí)也要有效地協(xié)調(diào)頂管施工中的管節(jié)裝配。在隧道穿越過(guò)程中，要加強(qiáng)對(duì)泥漿和水流的控制，防止其進(jìn)入和流出，并對(duì)崩塌現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)防，防止流沙。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，觀測(cè)管線與軸線是否一致，如有偏差，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整頂進(jìn)方向，使頂板方向與軸線一致。

3 實(shí)證分析

施工機(jī)械選型：

在施工機(jī)械挑選中，要對(duì)頂管的供貨商進(jìn)行考察，挑選有資質(zhì)的廠家。同時(shí)，對(duì)所選的產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，以確保施工機(jī)械所有工藝指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。選用耐腐蝕性強(qiáng)的頂管材料，以確保在復(fù)雜工作環(huán)境中的穩(wěn)定工作。另外，還應(yīng)嚴(yán)格控制管徑、節(jié)段、配筋等參數(shù)，保證工程質(zhì)量和工程進(jìn)度。

在選用頂管設(shè)備時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)情況，在施工前進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查，并對(duì)周?chē)h(huán)境進(jìn)行調(diào)查，進(jìn)行多型號(hào)設(shè)備的優(yōu)選。設(shè)計(jì)頂管施工所需設(shè)備，見(jiàn)表2。

表2 非開(kāi)挖頂管施工機(jī)械

在施工過(guò)程中，在頂管施工段進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)中，考慮到該項(xiàng)目最大工作深度可達(dá)26 m，因此，頂管施工變形監(jiān)測(cè)難度較大，必須制定可行的監(jiān)控方案，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況，對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行科學(xué)地分析，以便掌握設(shè)計(jì)方法在施工中應(yīng)用是否具有可行性。監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，見(jiàn)表3。

表3 變形監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)

記錄在非開(kāi)挖頂管施工過(guò)程中軸向地表變形，見(jiàn)圖3。

圖3 在非開(kāi)挖頂管施工過(guò)程中軸向地表變形

根據(jù)統(tǒng)計(jì)的非開(kāi)挖頂管施工過(guò)程中軸向地表變形結(jié)果，對(duì)地表沉降過(guò)程進(jìn)行描述，見(jiàn)圖4。

圖4 非開(kāi)挖頂管施工過(guò)程中地表沉降過(guò)程描述

本工程項(xiàng)目采用了非開(kāi)挖式頂管施工技術(shù)，相比傳統(tǒng)的給排水施工技術(shù)，本文技術(shù)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)顯著，從施工中的土層加固、投入機(jī)械、開(kāi)挖成本、土方運(yùn)輸成本、減阻措施等多個(gè)方面，進(jìn)行本文施工方法在應(yīng)用中經(jīng)濟(jì)效益的綜合分析，其結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比分析

4 結(jié)論

通過(guò)以上研究，得到如下幾個(gè)方面的結(jié)論：

（1） 根據(jù)圖4 在非開(kāi)挖頂管施工過(guò)程中軸向地表變形結(jié)果可以看出，在頂進(jìn)施工5～10 m 范圍內(nèi)，地表變形較為明顯，此時(shí)施工段周?chē)翆邮艿綑C(jī)械施工作業(yè)的擾動(dòng)出現(xiàn)了明顯的沉降。但隨著施工的穩(wěn)定實(shí)施，地表變形發(fā)生了回歸，并在50 m 施工后穩(wěn)定在地表變形接近于0。由此證明了此次設(shè)計(jì)的施工方法在應(yīng)用中具有可行性，可以起到控制地表變形的效果。

（2） 根據(jù)經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比分析結(jié)果，本研究方法的平均成本低于傳統(tǒng)方法的平均成本，即相比傳統(tǒng)方法而言，本研究方法的經(jīng)濟(jì)效益更佳。應(yīng)用此方法進(jìn)行施工，不僅可以降低場(chǎng)地費(fèi)用，還可以減少人工、機(jī)械、土方開(kāi)挖與搬運(yùn)等多方面費(fèi)用的支出，實(shí)現(xiàn)為工程項(xiàng)目施工創(chuàng)造更高的收益，降低或避免工程施工存在超額支出的問(wèn)題。