水利工程建設(shè)中頂管施工技術(shù)的應(yīng)用研究

韓顯達(dá)

(朝陽市水務(wù)局，遼寧 朝陽 122000)

0 引言

頂管施工也稱為管道非開挖鋪設(shè)技術(shù)，其最大的特點(diǎn)是與在建或已建的河道、道路、房屋、各類管道等設(shè)施交叉時，采用立體交叉替代平面交叉，盡可能地減少對居民生活、交通、生產(chǎn)的干擾和影響，同時管道鋪設(shè)施工受外界的干擾和影響也會有所減少，更好地滿足環(huán)保施工政策要求[1]。

近年來，隨著各類管道、公路、市政、房屋建筑等工程領(lǐng)域的快速發(fā)展頂管施工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于發(fā)達(dá)地區(qū)的水利、道路和市政等建設(shè)領(lǐng)域[2-5]。目前，頂管施工的技術(shù)條件不斷成熟，這主要表現(xiàn)為：(1)城市給排水管網(wǎng)建設(shè)要穿越各類錯綜復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)施，施工項(xiàng)目多位于人口密集區(qū)，采用頂管技術(shù)可以保證施工的順利完成；(2)依據(jù)農(nóng)村新集鎮(zhèn)現(xiàn)代化建設(shè)要求，應(yīng)覆蓋各類河道、水利、電力、通訊管道以及四通八達(dá)的多級公路網(wǎng)建設(shè)，頂管這項(xiàng)新工藝、新技術(shù)的推進(jìn)應(yīng)用不斷加快；(3)雖然頂管施工具有很強(qiáng)的專業(yè)性，但工藝技術(shù)已比較成熟，現(xiàn)有技術(shù)條件下各地區(qū)基本能夠引入實(shí)施。

1 頂管施工技術(shù)的特點(diǎn)

一般地，相對于管道鋪設(shè)地面明開挖工藝，頂管作為非開挖的施工技術(shù)具有以下明顯的優(yōu)勢：

(1)最大限度地降低影響。頂管施工采用立體交叉替代平面交叉，相對于地面明開挖能夠最大程度地避免修建臨時便道或阻斷現(xiàn)有交通道路，避免對周邊房屋的加固或拆遷，避免要求現(xiàn)有河道斷流斷航以及對各類管線的維護(hù)和遷移，將頂管施工期所造成的不利影響降到最低，甚至能夠完全避免影響[6]。

(2)保護(hù)周邊環(huán)境。管道鋪設(shè)明開挖施工時，一般要在地面上遷移相關(guān)管道、拆遷原有房屋、修建交通便道或?qū)ΜF(xiàn)有河道打設(shè)壩頭等，該過程會產(chǎn)生泥漿水、揚(yáng)塵和噪聲，給周邊帶來污染。采用頂管施工方案能夠最大程度地避免或減輕周邊環(huán)境受施工水泥漿、揚(yáng)塵和噪音的影響，具有顯著的環(huán)保效益。

(3)節(jié)約工程成本。單從施工工藝的角度上，與地面明開挖相比頂管施工的成本較高。綜合經(jīng)濟(jì)對比發(fā)現(xiàn)，管道鋪設(shè)地面明開挖要進(jìn)行的河道打壩、管網(wǎng)維護(hù)、交通便道建設(shè)、生產(chǎn)單位停產(chǎn)、房屋維護(hù)和動遷等每項(xiàng)費(fèi)用都較高，對停產(chǎn)損失要求補(bǔ)償時所需費(fèi)用將更多[7]。總體上，采用頂管技術(shù)施工的經(jīng)濟(jì)效益非常明顯，可以有效節(jié)約工程投資。

(4)延長管道使用年限。頂管的管節(jié)之間很難出現(xiàn)變形斷錯，施工時對管壁土層的擾動較低，所以頂管施工大于開挖埋管的管道使用年限。

(5)有利于工期控制。地面明開挖施工一般需要打壩、維護(hù)管道、設(shè)置臨時便道、阻斷公路、加固及拆遷房屋等，這些工作必然涉及現(xiàn)場矛盾協(xié)調(diào)及行政審批程序，施工單位和建設(shè)單位需要投入大量的人力、財力。頂管施工除工作井外都在地下，作業(yè)面較小，出現(xiàn)以上問題的概率將大大減小甚至完全避免。

2 頂管設(shè)計的原則

2.1 總體原則

依據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，在充分了解現(xiàn)場地面以下和以上管線及其他建筑設(shè)施的情況下進(jìn)行設(shè)計，要有一定的設(shè)計精度和深度，一次確定工作井位置及管道軸向走向，以免后期再次調(diào)整。若施工過程中對工作井位置和管道軸線進(jìn)行調(diào)整時，將使得矛盾協(xié)調(diào)的復(fù)雜性和難度大大提高，要投入大量的財力、人力和花費(fèi)很長的時間，且會嚴(yán)重影響工程投資和施工進(jìn)度。

2.2 管線布置

(1)管道軸線。輸水是管道的主要功能，為保證過水流量應(yīng)盡量減少管道軸線折彎，通過布設(shè)順直的管道來減少水頭損失。特殊情況下確需折彎時，為維持過水流量應(yīng)進(jìn)行流量核算，條件允許時還可調(diào)整管徑。

(2)最大程度地避開樁基礎(chǔ)的軍用設(shè)施、景觀建筑和建筑物，盡量避開排污、煤氣、通訊、自來水和電力管線，確實(shí)難以避開的要制定相應(yīng)的解決方案。

(3)管道上層的覆土厚度要嚴(yán)格按規(guī)范確定，盡量降低上部建筑物受頂管施工的影響，并確?，F(xiàn)場作業(yè)人員的安全，覆土厚度無法滿足設(shè)計要求時必須明確施工應(yīng)對措施。

2.3 工程井位置

(1)在整個管線的合理位置上選擇工作井的位置，一般控制工作井與接收井之間的距離不超過200 m，從而有利于施工軸線偏差和摩阻力的控制，以防中繼間的過多布置以及缺氧事故的發(fā)生，在改善工作面作業(yè)環(huán)境的條件下提高經(jīng)濟(jì)效益和施工效率。單向頂進(jìn)時應(yīng)在下游一側(cè)布置工作井，并將其按永久工程施工。

(2)工作井位置要考慮良好的交通條件、足夠的施工場地，與周圍建筑物保持一定的距離以防帶來不利影響，尤其是要降低工作井施工帶來的沉降影響。一般地，應(yīng)考慮周圍建筑物的結(jié)構(gòu)、地質(zhì)情況、施工方法和工作井深度，依據(jù)相關(guān)規(guī)范計算確定預(yù)留距離的大小。

(3)工作井不宜布置在居民集中生活區(qū)和單位工作區(qū)內(nèi)，以免施工噪音對居民休息和單位人員辦公造成影響，并引起不必要的矛盾，反過來對工程施工帶來影響。

(4)工作井一般設(shè)計成矩形結(jié)構(gòu)，要考慮定睛設(shè)備的安裝、管節(jié)的長度和管道的高程確定結(jié)構(gòu)尺寸，如果有折彎則在折彎處設(shè)置工作井，為減少工作井尺寸可選擇圓形結(jié)構(gòu)。工作井的大小既要便于運(yùn)輸、出土、排水還要滿足頂進(jìn)要求。

3 頂管施工的準(zhǔn)備工作

頂管施工時必須考慮實(shí)際情況科學(xué)合理地確定頂進(jìn)設(shè)備、工程井位置、管道高程和走向等，認(rèn)真做好頂管施工各項(xiàng)準(zhǔn)備工作。

3.1 全面掌握地形地物狀況

工程井及軸線走向布置是頂管施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，必須全面掌握地形地物狀況，以防出現(xiàn)差錯。因此，在充分調(diào)查了解管道走向的交通情況和地下基礎(chǔ)、建筑物結(jié)構(gòu)型式等情況下，采取合適的解決方案[8]。頂進(jìn)施工前，要對相關(guān)建筑物采取加固保護(hù)措施，以防施工時發(fā)生安全事故。確定工程井位置時既要避開公共交通，最大限度地降低對周邊的不利影響，又要符合通道暢通的施工要求。

3.2 仔細(xì)查清地下管線

為確保煤氣、排水、供水、電力、通訊等已建管線的安全運(yùn)營，必須查找相關(guān)管線布置圖紙并召集管線所屬單位現(xiàn)場確認(rèn)，仔細(xì)檢查各種管線的高程和走向，以便設(shè)計管道高程和軸線時避開各共用管線，并且有利于減小施工難度，確實(shí)難以避開的可以改道或者采取防護(hù)措施。

3.3 做好工程水文地質(zhì)勘察

通過水文地質(zhì)勘察詳細(xì)掌握沿線的水文條件和土質(zhì)變化情況，從而制定科學(xué)的工程設(shè)計方案，對經(jīng)過流砂、淤泥和沼氣工段的勘探點(diǎn)要加密，為制定行之有效的應(yīng)對方案提供數(shù)據(jù)支持。另外，對經(jīng)過回填土地段的要提前加固處理，以防出現(xiàn)地面下沉的情況。

3.4 按程序做好行政審批手續(xù)

頂管施工時要做好與管線、道路、建筑等相關(guān)設(shè)施的協(xié)調(diào)工作，提前做好行政審批相關(guān)手續(xù)，確保頂管施工的順利進(jìn)行和及時開展。

4 頂管施工的技術(shù)要點(diǎn)

頂管施工具有較強(qiáng)的專業(yè)性，作業(yè)工序多而復(fù)雜，不可預(yù)見因素多且設(shè)備操作要求精細(xì)嚴(yán)格，施工風(fēng)險較大[9-10]。筆者結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從以下幾個環(huán)節(jié)提出頂管施工技術(shù)要點(diǎn)。

4.1 測量工作

測量工作是確保工程質(zhì)量和順利完成頂管施工的重要環(huán)節(jié)，頂進(jìn)前的設(shè)備安裝、頂進(jìn)后的復(fù)測、頂進(jìn)中管線的高程和方向控制都離不開測量，測量工作重點(diǎn)如下：

(1)根據(jù)總平面圖和給定的坐標(biāo)合理布設(shè)控制網(wǎng)，控制點(diǎn)應(yīng)布置于便于校核、不易擾動、方便保護(hù)和視線清楚的位置，以保證按設(shè)計的軸線頂進(jìn)。

(2)全面落實(shí)復(fù)核制度，確保測量復(fù)核貫穿全過程。工程開工前要檢查復(fù)核高程水準(zhǔn)機(jī)電、定位軸線等，施工過程中檢查復(fù)核工程的垂直度、標(biāo)高、軸線，做到管節(jié)坡度不得有倒落水、管節(jié)不錯口、管道頂進(jìn)不便宜，及時糾偏。頂進(jìn)施工完成后，復(fù)驗(yàn)工程的高程垂直度、軸線和幾何尺寸等。

4.2 洞口止水處理

為促使頂進(jìn)施工時管子能順利進(jìn)、出接受井洞口及工作井，較管節(jié)外徑井的預(yù)留洞口要更大，頂進(jìn)時必須利用止水封閉措施有效處理此間隙，否則流砂和地下水會通過間隙進(jìn)入井內(nèi)，造成上部坍塌乃至嚴(yán)重的安全事故，危及地下管線和周圍建筑物安全，止水封閉處理還有利于壓注的潤滑泥漿不會因頂進(jìn)過程中進(jìn)、出洞口而流失[11-12]。

4.3 注漿控制

(1)管道施工的核心是盡量減小頂進(jìn)阻力，實(shí)踐表明注漿是最有效的能夠減小阻力的方法，通過注漿管道外壁可以形成減小頂進(jìn)時摩阻力的泥漿潤滑套。工具管的外徑一般為2～5 cm，其尺寸要略大于管外徑，從而降低管外壁摩阻力。此外，要保持管體與上層之間不直接碾壓，將壓入的泥漿填充到土層之間的空隙內(nèi)，從而發(fā)揮中間支撐作用。這種方法能夠明顯提升頂進(jìn)作業(yè)效率，可維持一定的時間并頂進(jìn)相當(dāng)長的管路。所以，在頂管頂進(jìn)時中間介質(zhì)具有支撐和潤滑的雙重功能。

(2)合理配制觸變泥漿，首先要科學(xué)設(shè)計配比，按特定的比例將摻和劑、水、膨潤土均勻混合配制觸變泥漿，水的占比較高，摻和劑的含量雖小但不容忽視，泥漿性能主要取決于摻合料，泥漿組分以膨潤土為主。一般地，可選用1個目測指標(biāo)(觸變性)和5個數(shù)據(jù)指標(biāo)(pH值、穩(wěn)定性、失水量、黏度、比重)來評定頂管的使用價值以及泥漿的質(zhì)量。

(3)頂進(jìn)作業(yè)時必須對注漿壓力與注漿量進(jìn)行嚴(yán)格控制，過小則無法有效減小摩阻力甚至?xí)鸬孛姘枷?，過大會造成凸起甚至冒出地面。

(4)堅持“隨頂隨壓、先壓后頂”的原則，規(guī)范注漿操作流程，頂進(jìn)施工時泥漿泵不得停止作業(yè)，特殊條件下必須停止時必須先暫停頂管。頂進(jìn)結(jié)束后要立即置換水泥漿，以防泥漿固結(jié)體積縮小，填充管外出現(xiàn)空隙。

(5)長距離頂管的施工時間長，觸變泥漿會因泥漿失水而失效，為了能夠及時補(bǔ)充新的泥漿必須沿管道進(jìn)程合理設(shè)置補(bǔ)漿孔。

4.4 施工糾偏與安全控制

機(jī)頭偏離設(shè)計軸線時要遵循微動、勤調(diào)、勤測的原則及時糾偏，糾偏操作過程中要重點(diǎn)控制以下環(huán)節(jié)：以工具管已有的軌跡和斜率為基準(zhǔn)，經(jīng)綜合分析合理確定糾偏量及校正方案；應(yīng)在頂進(jìn)過程中完成糾偏操作，不得在頂進(jìn)停止時再糾偏。

對工作進(jìn)施工的深基坑、頂進(jìn)施工的機(jī)械設(shè)備和臨時用電操作等按常規(guī)安全要求控制，不再詳細(xì)展開。充分考慮頂進(jìn)施工特點(diǎn)，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)以下控制關(guān)節(jié)：

(1)嚴(yán)格控制管道通風(fēng)。在工作井及各類管道維護(hù)、施工過程中，因地下有害氣體侵蝕人體而造成人員傷亡的事件時有發(fā)生。若頂管時遇到氨氣、沼氣等聚集區(qū)，對施工人員的生命和健康造成危害，因此對頂管內(nèi)有施工人員操作的條件下必須定時監(jiān)測有害氣體含量，必要時應(yīng)安設(shè)通風(fēng)裝置。

(2)使用防爆型電器。經(jīng)易燃?xì)怏w區(qū)域時要使用防爆開關(guān)、照明、電器等設(shè)備，新增管節(jié)吊裝后要先通風(fēng)再通電，保持施工區(qū)內(nèi)的空氣新鮮，通風(fēng)設(shè)備出現(xiàn)故障時電器要有自動斷電裝置。

(3)保持連續(xù)施工。頂進(jìn)過程中，若頂管出現(xiàn)停頓會引起設(shè)備損壞、頂力增大等不利后果，甚至?xí)κ┕べ|(zhì)量和頂進(jìn)速度造成嚴(yán)重影響，所以必須連續(xù)頂進(jìn)施工。

(4)對地下管線和周邊建筑物加強(qiáng)保護(hù)，重點(diǎn)控制沉降。開工前，對地表沉降影響范圍內(nèi)的地下管線、地表構(gòu)筑物和建筑物實(shí)施全面調(diào)查，在充分掌握對沉降適應(yīng)能力的情況下制定相適應(yīng)的保護(hù)和監(jiān)測措施，必須對影響范圍內(nèi)的構(gòu)筑物和建筑物進(jìn)行裂縫、沉降監(jiān)測。在能夠體現(xiàn)不均勻沉降特征的位置處布設(shè)沉降觀測點(diǎn)，日監(jiān)測頻率不少于1～3次。對已有裂縫的構(gòu)筑物或建筑物量出裂縫的長度、寬度，定時觀測變化情況并做好相應(yīng)的記錄。對影響范圍內(nèi)的共用管線要與其主管單位及時聯(lián)系，施工過程中委托第三方監(jiān)測或與其主管單位共同監(jiān)測。頂管施工時沿軸線垂直方向布置多個觀測斷面，以便及時了解沉降情況。

5 結(jié)語

頂管施工技術(shù)憑借其顯著的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、社會效益和成熟的施工技術(shù)，在水利工程建設(shè)中擁有廣泛的應(yīng)用前景和較高的推廣價值，這也是水利工程發(fā)展的必然趨勢。本文全面探討了頂管施工技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合設(shè)計原則提出要做好相應(yīng)的準(zhǔn)備工作，并進(jìn)一步探討了測量工作、洞口止水處理、注漿控制、施工糾偏與安全控制等技術(shù)要點(diǎn)，可為頂管施工技術(shù)的推廣應(yīng)用提供一定支持。