市政給排水工程長距離頂管施工技術(shù)

汪凱舉

宣城經(jīng)開區(qū)科技創(chuàng)業(yè)服務(wù)中心，安徽宣城，242000

0 引言

長距離頂管技術(shù)憑借減少挖土量、節(jié)約施工用地、具備穿越河流施工條件等顯著優(yōu)勢，在現(xiàn)代市政給排水工程中得到廣泛應(yīng)用，逐漸取代了傳統(tǒng)的開挖埋管技術(shù)。然而，面對復(fù)雜地質(zhì)條件，在頂管期間常出現(xiàn)刀盤被卡、管道偏位等施工問題，施工質(zhì)量存在不確定性。在這一工程背景下，對長距離頂管施工技術(shù)的深入研究，是滿足工程施工需要的關(guān)鍵，也是長距離頂管技術(shù)發(fā)展的必由之路。

1 長距離頂管施工技術(shù)概述

1.1 概念

長距離頂管本質(zhì)上屬于一類非開挖管道鋪設(shè)技術(shù)，在不破壞現(xiàn)場地面上方構(gòu)筑物和地表淺層土壤原狀結(jié)構(gòu)的前提下，在現(xiàn)場指定位置修建工作井，在井內(nèi)安裝頂管機、液壓千斤頂?shù)葯C具設(shè)備，將市政給排水管道經(jīng)工作井頂入地下，再采取頂進方式，在地下穿行鋪設(shè)給排水管道，直至完成管道鋪設(shè)作業(yè)[1]。

1.2 技術(shù)特點

根據(jù)實際施工情況來看，長距離頂管技術(shù)有著無需開挖地面、噪聲振動小的工藝特點，這也是技術(shù)應(yīng)用價值的主要體現(xiàn)。其中，無需開挖地面特點在于，施工人員無需在市政給排水管道沿線挖設(shè)溝渠、鋪設(shè)管道與回填管溝，僅需在指定位置修建工作井、在地下頂入管道穿行即可，最大程度減小施工活動對地面沿線道路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施造成的影響，同時，僅需在工作井等區(qū)域修建工程現(xiàn)場，這有利于控制工程綜合建造成本。噪聲振動小特點在于，雖然在給排水管道頂進期間會產(chǎn)生一定的噪音和振動，但得益于地層阻隔，噪音、振動的實際傳播范圍有限，不會對上方地面基礎(chǔ)設(shè)施正常使用、周邊地下管線與鄰近建筑物居民日常生活造成明顯影響。

1.3 施工制約因素

在給排水管道長距離頂管期間，施工質(zhì)量主要受到管體材料、管體位移兩方面因素的影響。首先，在管體材料方面，相比于明挖敷管技術(shù)，長距離頂管技術(shù)對管體材料性能有著嚴(yán)格要求，如果使用不恰當(dāng)?shù)墓懿姆N類，容易在管道頂進期間出現(xiàn)管道破裂、扭曲變形等質(zhì)量通病。例如，在使用陶土管作為管材時，由于陶土管剛度較大，受到頂推作用力時，大管徑陶土管易出現(xiàn)管道碎裂情況。而在使用玻璃鋼管時，管道頂進工藝過程較為復(fù)雜，且玻璃鋼管不具備曲線頂進的施工條件。其次，在管體位移方面，給排水管道在頂進期間受到推動力差、穿過不同類型土層以及頂管合力偏差等多方面因素影響，會產(chǎn)生一定的偏差量，與設(shè)計軸線相偏離，嚴(yán)重時還將由此引發(fā)管道彎曲、變形破裂和接口滲漏等一系列問題出現(xiàn)。因此，必須在長距離頂管期間采取頂進糾偏措施，跟蹤觀測管道實際軸線、設(shè)計軸線二者偏差量，始終將軸線偏差控制在允許范圍內(nèi)。

2 市政給排水工程中的長距離頂管施工流程及技術(shù)要點

2.1 工作井施工

在工作井施工環(huán)節(jié)，將工作井拆分為刃腳、上部井壁兩部分，一般情況下，采取分次混凝土現(xiàn)澆工藝，提前搭設(shè)模板并現(xiàn)澆工作井刃腳部位，待強度達到70%設(shè)計強度后，再澆筑上部井壁部位混凝土，連續(xù)性完成工作井現(xiàn)澆作業(yè)，禁止留設(shè)施工縫。隨后，開展沉井作業(yè)，結(jié)合工程現(xiàn)場情況，合理選擇帶水下沉、不排水挖土下沉或是鉆吸排土下沉等技術(shù)，始終保持工作井在下沉期間的垂直狀態(tài)。最后，在沉井過程中，清理現(xiàn)場垃圾雜物，打設(shè)輕型井點，鋪設(shè)素混凝土墊層或是砂墊層，先后開展一次沉井作業(yè)與二次沉井作業(yè)，在沉井間隔期間進行井點降水處理，在下沉完畢后進行封底處理和澆筑底板。

2.2 穿墻

在穿墻環(huán)節(jié)，提前沿市政給排水管道頂進方向現(xiàn)澆混凝土墻來施作前止水墻，在墻體上指定位置預(yù)留孔洞，在孔內(nèi)安裝橡膠止水圈或是法蘭加壓板等其他洞門止水裝置。隨后，清理穿墻管內(nèi)雜物渣土，填入低筋粘土或水泥粘土，對穿墻孔洞外側(cè)土體開展注漿加固作業(yè)，避免洞口外側(cè)分布的粘土、軟土等土體在拔除封門時出現(xiàn)流塑、塌方問題。最后，開啟穿墻門板，向井外推出工具管，即可完成穿墻出洞作業(yè)[2]。

2.3 管道頂進

在管道頂進環(huán)節(jié)，根據(jù)工程現(xiàn)場情況來制定頂進施工方案，在方案中明確給排水管道頂進方法、中繼段劃分、管道糾偏措施、頂管段單元長度等技術(shù)內(nèi)容，將頂進設(shè)備、掘進機安裝就位，詳盡檢查后座鋼板、注漿泵、基坑導(dǎo)軌、止水裝置等設(shè)備情況。確定無誤后，施工人員把給排水管道放置在基坑導(dǎo)軌上，在管道前側(cè)挖設(shè)適當(dāng)深度的坑道，測量管道軸線和底部標(biāo)高是否達標(biāo)，以及做好掘進機出泥準(zhǔn)備工作。隨后，保持后背固定不動狀態(tài)，啟動油泵以及液壓千斤頂，持續(xù)向前推動管子，在完成單個行程后，切換至液壓千斤頂回油狀態(tài)，結(jié)束首節(jié)管子頂進操作。最后，施工人員重復(fù)上述步驟，完成剩余管子的頂進作業(yè)，要求保持給排水管道頂進過程的連續(xù)性，爭取一次完成全部管道頂進任務(wù)。

2.4 注漿減阻

考慮到市政給排水管道在頂管期間產(chǎn)生一定阻力，對頂管效果造成影響，還有可能出現(xiàn)管道受損、地層沉降等連鎖問題。因此，為改善長距離頂管效果，提高頂進效率，需要在頂進過程中同步開展注漿減阻作業(yè)，將此項工序拆分為泥漿配合比設(shè)計、泥漿制備、注漿管理三道步驟。

首先，在泥漿配合比設(shè)計步驟，根據(jù)工程情況和現(xiàn)場地質(zhì)條件，預(yù)測在管道頂起期間的阻力形成情況，在其基礎(chǔ)上制定觸變泥漿配合比方案，明確膨潤土與拌合水的質(zhì)量比，確保所制備泥漿的比重被控制在1.05g/cm3～1.06g/cm3范圍內(nèi)。例如，在市政給排水管道頂進埋管期間穿越礫石層時，需要將膨潤土和拌合水質(zhì)量比設(shè)定為1:8。

其次，在泥漿制備步驟，施工人員將攪拌缸準(zhǔn)備就位，對拌合水與膨潤土進行計量稱重，用量誤差控制在1%以內(nèi)，將物料倒入攪拌缸內(nèi)持續(xù)攪拌5min，檢測泥漿濃度是否達標(biāo)。在濃度檢測通過后，將泥漿靜置1d進行充足的水化反應(yīng)，即可將觸變泥漿投入使用，必要情況下，在注漿前對泥漿進行二次攪拌。

最后，在注漿管理步驟，在現(xiàn)場布設(shè)若干數(shù)量注漿孔，布置存漿箱和中繼加壓泵等設(shè)備，經(jīng)由注漿管，在頂管機頭部以及尾部注入泥漿，使得泥漿在管道周圍固結(jié)形成保護套。同時，持續(xù)觀測注漿減阻情況，實時調(diào)節(jié)灌漿壓力、灌漿量、注漿時間等工藝參數(shù)，一般情況下，將各處注漿孔的持續(xù)注漿時間控制在3min以內(nèi)即可。

2.5 管線糾偏

在管線糾偏環(huán)節(jié)，由施工人員持續(xù)觀測頂進管道軸線偏差情況、管道高程以及頂管機實時位置，如果偏差量臨近最大值，則采取糾偏措施，緩慢將管道復(fù)位回零，嚴(yán)格控制管道復(fù)位速度與校正角度，禁止猛糾硬調(diào)，避免因單次校正角度過大而改變管道頂進方向，或是出現(xiàn)管道接頭損壞等質(zhì)量問題。同時，可采取挖突發(fā)、千斤頂法或是頂木法來實現(xiàn)糾偏控制目的。挖土法是在管道兩側(cè)進行不同程度的挖掘，在重力作用下使管道復(fù)位歸零。千斤頂法是在管道側(cè)壁安裝千斤頂設(shè)備，啟動千斤頂來復(fù)位管道，重點控制單次校正量，分多次復(fù)位管道。頂木法是在管道內(nèi)壁一側(cè)放置方木，將方木另一端朝向前方地層，憑借方木分力來復(fù)位管道。此外，在部分市政給排水工程中，應(yīng)用到新型的智能控制技術(shù)，在頂管機上安裝傳感器與PLC控制器等裝置，由傳感器采集管道軸線、管道高程等參數(shù)的監(jiān)測值，PLC控制器自動對比監(jiān)測值和額定值，根據(jù)二者偏離情況來下達控制指令，調(diào)整千斤頂進行糾偏控制[3]。

3 市政給排水工程中長距離頂管施工技術(shù)的應(yīng)用策略

3.1 土壓平衡控制

在長距離頂管期間，受到土體性質(zhì)等因素影響，理論與實際層面的控制土壓力存在出入，導(dǎo)致實際出土量、地面變形量因此發(fā)生改變，不利于頂管工藝過程控制。因此，需要采取土壓平衡控制措施，根據(jù)工程情況來判斷土壓控制與頂進速度、土壓控制與排出土量間的關(guān)系，通過調(diào)節(jié)管道頂進速度與土壤排放量來維持穩(wěn)定、理想的頂進控制土壓力。一般情況下，頂進速度與土壓力保持正比關(guān)系，在管道頂進期間的實際土壓力低于預(yù)期值時，可采取調(diào)高頂管機推進速度的方式來上調(diào)土壓力。

3.2 管節(jié)止轉(zhuǎn)控制

根據(jù)實際施工情況來看，在給排水管道頂進過程中，受到刀盤以及螺旋機作用力的共同影響，偶爾出現(xiàn)機頭旋轉(zhuǎn)問題，在轉(zhuǎn)角超過一定程度時改變管道頂進狀態(tài)，進而引發(fā)管道偏位、管道破裂等質(zhì)量問題出現(xiàn)。針對于此，施工人員需要提前在機頭前方水平部位的兩側(cè)區(qū)域中加裝翼板、焊壓鐵支架，在支架上放置適當(dāng)重量的壓鐵。如此，在管道頂進期間，機頭前方兩側(cè)翼板將起到維持機頭平衡狀況、控制偏角角度的作用，而在出現(xiàn)機頭旋轉(zhuǎn)問題時，通過調(diào)整機頭兩側(cè)壓鐵重量，在重力作用下糾偏機頭偏轉(zhuǎn)角度，在機頭恢復(fù)正常狀態(tài)后，再將兩側(cè)壓鐵重量調(diào)整一致。

3.3 沉降監(jiān)測

在市政給排水管道頂進過程中，會產(chǎn)生一定的地表沉降量，有可能出現(xiàn)地表沉降、土體塌陷等施工問題，并對頂管效果造成明顯影響。因此，為把控頂管工藝過程，需要同步開展沉降監(jiān)測工作，設(shè)立地表沉降、拱頂下沉、凈空收斂等監(jiān)測項目，在工程現(xiàn)場以始發(fā)井為起始點，沿途布設(shè)若干監(jiān)測點，使用錨鋼尺和精密水準(zhǔn)儀等設(shè)備工具，持續(xù)對地表沉降量進行觀測，對比監(jiān)測值與額定值，以此來判斷地表沉降對土體結(jié)構(gòu)、鋪設(shè)管道、基坑支護結(jié)構(gòu)造成的具體影響。以地表沉降項目為例，監(jiān)測內(nèi)容包括軸向變形、橫向變形兩部分，軸向變形是采集管道頂進至10m、20m、30m等各個節(jié)點時地面變形量，觀察土體是否保持穩(wěn)定狀態(tài)，橫向變形是采集頂管到達工作面前后時的地表沉降量，判斷工作面深入對前方土體結(jié)構(gòu)造成的擾動程度[4]。

3.4 頂管機適用分析與改造

在市政給排水長距離頂管施工中，常用頂管機設(shè)備包括手掘式、氣壓平衡式、泥水式、土壓式等類型，不同類型頂管機的適用土質(zhì)、操作難度與施工危險性存在明顯差異，必須根據(jù)工程現(xiàn)場情況和頂管施工要求加以選擇。例如，當(dāng)存在土體塌陷隆起風(fēng)險、具備維持土層水土壓力平衡狀態(tài)條件的前提下，可選擇使用土壓式頂管機，操縱刀盤切削前往土體并加以攪拌，重點控制排土量以及取土量。在工程現(xiàn)場主要分布淤泥質(zhì)粘土層時，為預(yù)防土體壓縮變形問題出現(xiàn)，應(yīng)配置泥水式頂管機，經(jīng)由壓力泵與工作艙向土體中滲入泥水，起到形成泥膜、提高土體緊密度、維持水土壓力平衡狀態(tài)的作用。

此外，考慮到市政給排水工程現(xiàn)場環(huán)境較為復(fù)雜，在頂管期間穿越多類型土層，需要提前開展頂管機適用性分析工作，必要情況下對所配置頂管機進行改造處理。例如，在某給排水工程中，最初擬定使用土壓式頂管機，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘察報告發(fā)現(xiàn)，局部頂進段穿過碎石層，管道軸線周邊分布粒徑在100mm～300mm不等的鵝卵石，如果直接開展頂管作業(yè)，將嚴(yán)重磨損切割機。最終，選擇對頂管機刀盤裝置進行改造處理，在刀頭外圈部位使用優(yōu)質(zhì)合金鋼材質(zhì)的耐磨刀具，采取焊接方式取代原有螺栓方式來連接刀頭指尖、耐磨工具。

3.5 解決頂管問題

在長距離頂管期間，受到地質(zhì)條件等因素影響，偶爾出現(xiàn)管道抱死、刀盤被卡等施工問題，阻礙頂管施工作業(yè)的正常開展，存在質(zhì)量隱患，施工企業(yè)必須深入了解此類典型施工問題的產(chǎn)生原因，采取正確處理措施。

管道抱死問題表現(xiàn)在頂力持續(xù)增加情況下管道固定不動，并在總推力維持較高水準(zhǔn)時出現(xiàn)液壓油管爆裂以及后背墻開裂現(xiàn)象，問題出現(xiàn)成因包括管道外壁面打蠟不均勻、管道兩側(cè)注漿壓力偏差、注漿孔閥門啟閉順序與時間錯誤，導(dǎo)致管道被砂層抱死。針對這一問題，需要采取分級注漿、多次頂管的處理方法，將推動力控制在安全范圍內(nèi)，向全部注漿孔內(nèi)注入飽滿泥漿，形成漿套拉減小摩阻力，啟動頂管機向前頂進一小段距離，重復(fù)開展注漿、頂進作業(yè)，直至管道徹底脫困。

刀盤被卡問題表現(xiàn)為刀盤運轉(zhuǎn)期間被卡住，且經(jīng)過施工人員重復(fù)調(diào)試后仍無法正常轉(zhuǎn)動，其產(chǎn)生原因在于頂管機運行初期抬頭次數(shù)過多，致使土倉下部區(qū)域堆積過量素墻混凝土塊，因混凝土塊未及時排出而卡住刀盤。針對于此，施工人員可采取成槽清渣、旋噴清渣或是定點橫噴清渣方法。其中，成槽清渣是在被卡刀盤前方操縱鉆機挖設(shè)略深于頂管機底部的槽坑，清理槽坑內(nèi)部，將堆積渣土和混凝土塊推入槽坑。旋噴清渣是向被卡刀盤前方高壓噴射高稠度泥漿，在沖刷力下帶動堆積渣土與混凝土塊向外排出，直至清除堵塞物、刀盤恢復(fù)正常轉(zhuǎn)動狀態(tài)。定點橫噴清渣是在倉底部位并排設(shè)置多條直噴泥漿管，在一端連接潛水泵，經(jīng)過噴漿管向被卡刀盤噴射高壓水流，直至刀盤恢復(fù)轉(zhuǎn)動[5]。

4 結(jié)語

綜上所述，長距離頂管技術(shù)在現(xiàn)代市政給排水工程中發(fā)揮著愈加重要的作用，施工水準(zhǔn)與工程建設(shè)質(zhì)量因此得到明顯提升。施工企業(yè)理應(yīng)提高對長距離頂管技術(shù)的重視程度，嚴(yán)格把控工藝過程，掌握全部的技術(shù)操作要點，落實土壓平衡控制、管節(jié)止轉(zhuǎn)控制、沉降監(jiān)測、頂管機改造、解決頂管問題五項策略來解決施工難題，確保市政給排水長距離頂管施工活動具備科學(xué)性。