市政給排水施工中長距離頂管施工技術(shù)的應(yīng)用與分析

鄭泊軒

深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣東 深圳 518048

長距離頂管施工是目前給排水工程施工中比較普遍的一種先進(jìn)的施工技術(shù)，這種施工技術(shù)手段在工程實(shí)踐中具有很強(qiáng)的優(yōu)越性，不僅可以提高施工效率，還能產(chǎn)生較高的經(jīng)濟(jì)與社會效益。隨著城市基建工程范圍不斷擴(kuò)大，頂進(jìn)距離不斷延長，面臨著更加復(fù)雜的地質(zhì)條件，施工的難度越來越大，必須要做好工藝技術(shù)手段的精細(xì)化管理，進(jìn)一步提升施工專業(yè)水平，從而確保工程施工質(zhì)量。

1 影響長距離頂管施工技術(shù)應(yīng)用的主要因素

1.1 地質(zhì)調(diào)查與勘探

地質(zhì)勘探?jīng)Q定了頂管施工可行性，在地質(zhì)條件良好的前提下可以采用長距離頂管施工。對于頂管區(qū)域地質(zhì)條件的初勘、詳勘，需結(jié)合場地的復(fù)雜情況、周邊地形地勢開展。探明頂管區(qū)沿線的地形、地貌、地質(zhì)、地下水位以及地下管線等勘探資料。只有在地質(zhì)條件符合要求時，方可采用長距離頂管施工。但是，地質(zhì)勘探無法覆蓋到每一個角落，頂管區(qū)域是有可能存在未探測到的孤巖或其他零星分布的物體的，從過往的工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)來看，長距離頂管的路線遇到這些孤立物體是一個極小概率的事件，但這也是長距離頂管施工的一個風(fēng)險所在。

1.2 管體材質(zhì)與選型

目前主要的頂管管材主要包括鋼筋混凝土管、鋼管、玻璃鋼管、鑄鐵管以及陶土管，在市政給排水工程施工中比較常使用的管道管材類型以前兩種為主。在長距離頂管施工中，管體材料的選擇適合與否直接影響著工程整體的施工質(zhì)量，一定要結(jié)合工程實(shí)際情況選擇適合的管材，這樣才能保障施工質(zhì)量。頂進(jìn)管材優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 頂進(jìn)管材優(yōu)缺點(diǎn)

1.3 頂管推力

市政給排水管道施工中頂管的推力對施工效果有重要影響，可以針對不同工況設(shè)定不同的頂管設(shè)備推力值。在實(shí)際施工中使用不同管材管道的推力值大小也具有很大差異，常規(guī)條件下，混凝土管道的抗壓為50MPa左右，玻璃纖維管的抗壓強(qiáng)度在90-200MPa，鋼管的抗壓強(qiáng)度在320MPa上下?；诖丝纱_定鋼管的抗壓強(qiáng)度最高，在施工過程中能夠承受更大的頂管強(qiáng)度，同時因?yàn)槠浔旧碣|(zhì)量較輕，頂進(jìn)阻力較小，因此在頂進(jìn)過程中需要的推力也會相應(yīng)減少，這也是這種管材常應(yīng)用于長距離管道施工的主要原因之一[1]。

1.4 管道的偏移

在給排水管道頂管施工過程中，一般都會產(chǎn)生難以避免的偏差，在頂管施工過程中對管道的偏移進(jìn)行及時的糾偏，把頂管的偏差控制在一個允許值范圍內(nèi)，是保證頂管質(zhì)量的關(guān)鍵。長距離頂管施工中管道偏移有很多種可能，地勘不詳、施工放線不精確、推力設(shè)定過高過低等都有可能導(dǎo)致管道偏移。偏移現(xiàn)象的發(fā)生會加大頂管施工難度，同時還為給排水管道工程施工埋下了安全隱患，對后續(xù)的施工以及維護(hù)等均具有不良影響。

1.5 工作井作業(yè)

長距離頂管施工技術(shù)在工程應(yīng)用中一般需要一個工作井及一個接收井，由于頂推管道往往埋深較深，通常把工作井和接受井坑設(shè)計(jì)為圓井或矩形井的形式。在工程實(shí)際應(yīng)用中，往往長距離頂管并非一條直線，在這種情況下就需要在轉(zhuǎn)角點(diǎn)合理設(shè)置中繼井，中繼井既可以作為工作井，也可以作為接收井。合理設(shè)計(jì)頂管工作井的位置，確定最優(yōu)的頂管路線，能很大程度降低施工難度，保證施工質(zhì)量。另外，在長距離頂管工作井施工的過程中，如果工作井是大開挖施工，工作井基坑周圍需要根據(jù)地質(zhì)情況、井深設(shè)置強(qiáng)度足夠的支護(hù)措施，如果是用沉井法施工，沉井的井身應(yīng)具備足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在地下水位較高的地區(qū)，頂管工作井施工設(shè)置降排水措施以及井體的防水措施也是必要的。此外工作井的設(shè)計(jì)也需要結(jié)合頂管的管材和機(jī)具統(tǒng)籌考慮，工作井必須保證足夠的作業(yè)空間，例如采用混凝土頂管，由于市面上的混凝土頂管大多為2.5米/節(jié)，工作井可以設(shè)計(jì)得小一些，如果采用鑄鐵頂管，市面上的鑄鐵頂管多為6米/節(jié)，則工作井就要設(shè)計(jì)得更大，工作井的設(shè)計(jì)不僅關(guān)乎頂管工藝的具體實(shí)施，也關(guān)乎項(xiàng)目的整體投資，需要審慎設(shè)計(jì)。

2 長距離頂管施工技術(shù)在市政給排水施工中的應(yīng)用研究

市政給排水管道長距離頂管技術(shù)在施工前期，施工班組在預(yù)先構(gòu)筑的頂管工作井或工作坑中操作掘進(jìn)設(shè)備，頂管設(shè)備一邊掘進(jìn)一邊出土，掘進(jìn)產(chǎn)生的泥漿和土通過管道輸送至地面的處理設(shè)施，經(jīng)過處理后再由車輛運(yùn)走。長距離頂管施工的管道長度定位一般以200m為界，超過200m的管道工程施工即可認(rèn)定為長距離管道施工，相較于傳統(tǒng)的管道開挖施工工藝，在施工過程中對原有道路不會造成破壞，僅需開挖建設(shè)頂管所需的工作井、接收井，占用的施工場地面積較小，對交通通行帶來的影響較小，同時對地面活動也不會形成干擾，降低了施工過程中的噪音影響，具有多方面優(yōu)勢，與當(dāng)前提倡的綠色施工理念相符合，有很高的推廣價值[2]。

2.1 頂進(jìn)施工土壓平衡控制

在機(jī)械頂管過程中頂進(jìn)控制土壓力原始值為0.1-0.15MPa，初始頂進(jìn)距離為20-30m。為保證工程按照施工計(jì)劃順利推進(jìn)，需要在施工之前做好頂力計(jì)算，根據(jù)結(jié)果選用適當(dāng)?shù)捻斶M(jìn)設(shè)備以提高施工效率，減少頂進(jìn)偏差。頂力計(jì)算公式為：

其中P為管道的總頂力；f為頂進(jìn)時管道表面與周圍土層之間的摩擦系數(shù)；ω為管道單位長度的自重；L為管道計(jì)算的頂進(jìn)長度；PF為頂進(jìn)時首節(jié)管道的迎面阻力；θ為弧形基礎(chǔ)支角；Dav為首節(jié)管道切土的刃角的平均直徑；t為用于切土的刃角厚度；F型管為承口鋼管厚度；R為擠壓阻力。

土壓平衡的控制與管理基于計(jì)算的頂力值需采用不同的管控措施，管理中需要考慮的關(guān)系只有兩種，一種是土壓的控制與頂進(jìn)速度的關(guān)系，如果螺旋輸送機(jī)排出的土壤量是恒定的，那么頂進(jìn)速度與土壓成正比。另一種為土壓力的控制與螺旋機(jī)排出的土量關(guān)系，在推進(jìn)速度為恒定的條件下，初始頂進(jìn)時，要重復(fù)測試，當(dāng)排出的土壤量達(dá)到土壤質(zhì)量的95%以上，被認(rèn)為是正常的[3]。

2.2 頂管工程注漿減摩控制

頂管工程注漿作業(yè)關(guān)系著工程整體施工質(zhì)量，只有控制好注漿作業(yè)質(zhì)量，才能為頂管施工的后續(xù)工作順利展開提供保障，結(jié)合以往的給排水工程施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)一般實(shí)際的施工配比為膨潤土：土=1:10（質(zhì)量比）；礫石層中觸變泥漿的混合比為膨潤土：水=1:8（質(zhì)量比）；觸變泥漿比重為1.05-1.06g/㎝3。

在實(shí)際施工中，施工人員需要對觸變泥漿制作過程進(jìn)行全面掌握，首先，需要按照施工技術(shù)的操作流程向混合罐中加入適量材料，并按照一定順序加入膨潤土，前期工作完后才可以加水。其次，在攪拌的過程中要控制好時間，以保障混合材料攪拌均勻，為滿足施工要求的漿料需求，當(dāng)前攪拌作業(yè)時間一般用繼電器控制，達(dá)到時間后立即停止攪拌。最后，在攪拌完成后，需要根據(jù)漿液混合情況進(jìn)行靜置，為膨脹劑吸水提供足夠時間。

在注漿操作管理中，首先需要確定注漿的安裝位置和間距，每段管道至少設(shè)置三個注漿孔，兩個斷面之間間隔在7m左右。其次，要控制好注漿時間和壓力，每個孔道的灌漿時間都需要控制在3分鐘以內(nèi)，同時還要保證灌漿壓力的均衡性與泥漿的連續(xù)性，在具體操作中可通過三活塞式灌漿泵減少脈沖。最后，在注漿之前還要完成泥漿正循環(huán)清孔處理，原理圖見圖1。

圖1 正循環(huán)二次清孔原理示意圖

2.3 頂管工程測量控制管理

為確保測量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性，在頂管頂進(jìn)過程中要做好測量，需要使用的測量系統(tǒng)為激光經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀以及全站儀等。在頂進(jìn)前端管道推力軸方向安裝激光經(jīng)緯儀，由于頂進(jìn)機(jī)不斷向前推進(jìn)，激光束在頂頭和管接頭移動時可以穩(wěn)定地跟蹤和測量目標(biāo)?；诖丝梢约m正頂管存在的誤差，如果超過設(shè)定的允許值，可立刻進(jìn)行糾正，借助激光束的強(qiáng)聚焦力，在測量中能夠?qū)⑷齻€導(dǎo)體點(diǎn)引入每個工作井，以此來進(jìn)行導(dǎo)軌安裝、頂管機(jī)頂進(jìn)、高程走線測量工作。通過頂管工程測量控制管理，能夠更加全面地掌握管道推進(jìn)過程中的具體情況，基本上能夠避免出現(xiàn)安全問題，可優(yōu)化長距離頂管施工方式，提高管道附近土體穩(wěn)定性，使長距離頂管施工技術(shù)保持在良好的工作狀態(tài)，保證工程質(zhì)量滿足使用要求[4]。

2.4 接口處理技術(shù)

長距離管道頂進(jìn)施工技術(shù)中的管道長度在200m以上，結(jié)合工程具體施工要求需要選擇不同的接口辦法，以便于對管道進(jìn)行加固，接口處理在施工管理中是一項(xiàng)非常重要的工作，在安裝之前需要清除管道表面的雜物、塵土，以防止劃破接口位置的橡膠密封圈。在砼墊層上彈出管道中心線，對接之前用潤滑劑對承接口進(jìn)行涂刷，同時保證插口端與承口端保持平行，圓周間隙大致相等，然后將橡膠圈嵌入凹槽中，注水檢查連接是否緊密，是否存在漏水和滲水現(xiàn)象。

2.5 水平螺旋鉆進(jìn)技術(shù)

為了使市政給排水施工作業(yè)能夠達(dá)到預(yù)期施工效果，在設(shè)計(jì)施工展開過程中，施工人員一定要加大對水平螺旋鉆進(jìn)技術(shù)的關(guān)注程度，這種特殊的施工技術(shù)在實(shí)際操作的過程中可以減弱地表波動程度，減少對土層的破壞程度，同時還能夠避免管道發(fā)生位移，使施工過程具有質(zhì)量保證?；谒铰菪@進(jìn)技術(shù)展開市政給排水工程施工，施工人員應(yīng)充分考慮管道口徑大小，因?yàn)樵摷夹g(shù)手段主要是由小口徑的給排水管道注入，另外在管道安裝完成后，還需采用中線法進(jìn)行方位校正，以便于保持管道在設(shè)計(jì)施工的布設(shè)位置，這樣才能更好地發(fā)揮其功能效用[5]。

2.6 頂管深基坑的監(jiān)測

為保證頂管施工技術(shù)施工質(zhì)量，在施工的全過程中監(jiān)測人員都需要對實(shí)際工程進(jìn)行動態(tài)跟進(jìn)，通過最大范圍內(nèi)地掌握實(shí)際施工情況，進(jìn)而保證后續(xù)工程竣工結(jié)算時有數(shù)據(jù)作為依托，頂進(jìn)施工監(jiān)測項(xiàng)目匯總表見表2。

表2 頂進(jìn)施工監(jiān)測項(xiàng)目匯總表

結(jié)合工程施工的總體情況布設(shè)多個監(jiān)測點(diǎn)，以避免發(fā)生土地坍塌事故，保障工程施工安全的同時，減少對周邊環(huán)境造成的不良危害，監(jiān)測成果如下展開了詳細(xì)的分析。

軸向地表變形。長距離頂管頂進(jìn)深度達(dá)到10m時，從軸向上來看，地下土層尚未出現(xiàn)變形的情況，在工作面位置開挖土體，位于頂進(jìn)距離10m處，此時土層有輕微隆起，繼續(xù)向前頂進(jìn)，工作面后方的土體由隆起會變?yōu)槌两?。?dāng)長距離頂管頂進(jìn)到20m位置時，工作面前方土體沉降繼續(xù)擴(kuò)大，頂進(jìn)到30m、40m時，工作面和前方的土體依舊繼續(xù)沉降，沉降程度逐步遞增，受到頂進(jìn)推力影響，會對地層造成一定程度的擾動，等到推進(jìn)距離達(dá)到一定高值后，土層沉降量也基本達(dá)到穩(wěn)定。

橫向地表變形。長距離頂管工作面達(dá)到5m之前，施工人員并不能預(yù)知后續(xù)繼續(xù)頂進(jìn)所面臨的施工境況，難以全面地把握整體數(shù)據(jù)，隨著頂進(jìn)深度持續(xù)加深，較為明顯的反應(yīng)為前方土地存在一定擾動。等到工作面達(dá)到5m之后，據(jù)布設(shè)的監(jiān)測點(diǎn)反饋土層開始沉降，頂掘機(jī)在正常頂進(jìn)中會產(chǎn)生大橫截面，最終在重力作用下，地表發(fā)生沉降。頂掘機(jī)頭頂進(jìn)時若是產(chǎn)生了比較大的作用力，還會導(dǎo)致周邊土體產(chǎn)生剪切力，此時同樣會發(fā)生地表沉降，頂掘機(jī)尾通過時，沉降現(xiàn)象繼續(xù)，直到頂進(jìn)距離達(dá)到一定高值后，地表不再繼續(xù)沉降。

3 結(jié)論

綜上所述，通過對頂管施工技術(shù)在市政給排水工程中的應(yīng)用情況分析，發(fā)現(xiàn)使用長距離頂管施工工法在工程建設(shè)中具有很大優(yōu)勢，能夠有效提升施工效率，由于施工的范圍比較小，且不必進(jìn)行土方開挖，因此不會影響到市區(qū)居民正常生活，同時還能夠降低施工成本與對周圍環(huán)境的破壞。目前，這種施工工藝在城市給排水工程施工中發(fā)揮著重要作用，隨著城市化建設(shè)持續(xù)推進(jìn)，為確保長距離頂管施工狀況的良好性，相關(guān)的施工技術(shù)人員還要繼續(xù)對該技術(shù)進(jìn)行深化研究。