給排水施工頂管技術(shù)研究

曹常剛

（鞏留縣水利服務(wù)站，新疆 伊犁 835400）

頂管工藝是指一種非開挖掘進(jìn)形式的管道敷設(shè)手段，其主要特點(diǎn)在于不會(huì)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響，且施工區(qū)域相對(duì)較小，可以實(shí)現(xiàn)地下深入作業(yè)，無需對(duì)面層進(jìn)行開挖，能夠穿越公路、地面建筑物、地下管線。通過主頂油缸以及中繼間的推力，使掘進(jìn)設(shè)備穿過土層，推到接收井，并吊起。將其運(yùn)用在給排水施工項(xiàng)目中，可確保施工作業(yè)有序開展，規(guī)避復(fù)雜的地下管線，提高工程安全性。

1 工程案例

本工程為新疆鞏留縣工業(yè)園區(qū)續(xù)建配套項(xiàng)目，屬于污水管網(wǎng)的一部分，主要管徑為D1000、D1200、D2000，全線設(shè)有工作井以及接收井，采用鋼筋砼結(jié)構(gòu)，頂進(jìn)區(qū)間地層以黏性土、粉砂層以及碎石層為主。在經(jīng)過詳細(xì)施工環(huán)境勘察后，施工單位決定選取抗腐蝕性較為突出的頂管材料，并嚴(yán)格依照設(shè)計(jì)要求，控制管節(jié)、配筋等指標(biāo)，注重機(jī)械裝置間的搭配，具體的設(shè)備選型情況為：DK2000 頂管機(jī)、ZB 高壓油泵、軌道電瓶車、800KN 油缸以及SYB 注漿泵。

2 給排水施工的頂管技術(shù)應(yīng)用路徑

2.1 頂管工藝流程

在給排水項(xiàng)目中，頂管施工作業(yè)可參考大量成功案例，實(shí)現(xiàn)施工流程的優(yōu)化與調(diào)節(jié)，注重工藝間的銜接與搭配，做好設(shè)備流量控制，持續(xù)改進(jìn)頂進(jìn)環(huán)節(jié)，明確工作要點(diǎn)，保證工程效益，具體流程為：項(xiàng)目開始→測(cè)量放樣→頂管坑制作，是指頂管起始點(diǎn)、終結(jié)點(diǎn)的臨時(shí)設(shè)施，坑內(nèi)布設(shè)導(dǎo)軌、后背墻以及千斤頂→工作井設(shè)備安裝→頂管機(jī)進(jìn)洞，包括千斤頂推進(jìn)、注漿、測(cè)量→管節(jié)頂進(jìn)，包括接口安裝、頂進(jìn)、安管、糾偏→頂管機(jī)出洞→設(shè)備拆除→管縫處理→驗(yàn)收→制作檢查井→完工。

2.2 土壓平衡控制

在頂管作業(yè)時(shí)，要充分考慮地層特點(diǎn)，結(jié)合工作人員多年的就業(yè)經(jīng)驗(yàn)，做好土壓平衡管理，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)的細(xì)化處理，包括頂進(jìn)壓力、出土機(jī)轉(zhuǎn)速、頂進(jìn)速度、地面變形等。比如：若螺旋輸送設(shè)備的排土量相對(duì)固定，則頂進(jìn)速度越高，土壓力越大，為確保土壓力的有效管理，需要適當(dāng)調(diào)節(jié)設(shè)備頂進(jìn)速度；若推進(jìn)速度恒定，則土壓力大小與設(shè)備排土量則呈現(xiàn)正比關(guān)系，但該特征變化更加平緩，因此在初始推進(jìn)階段，應(yīng)進(jìn)行反復(fù)測(cè)試，直至排土量達(dá)到土壤質(zhì)量的95%以上，才可認(rèn)定為正常現(xiàn)象。也可充分考慮地面沉降大小，當(dāng)?shù)孛娲嬖诼∑?，則適當(dāng)增加土量，若地面產(chǎn)生沉降，則降低土量。對(duì)于本次工程項(xiàng)目來說，頂管機(jī)掘進(jìn)機(jī)理論工作效率在5cm/min，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)，設(shè)備工作效率只能達(dá)到3～4cm/min，究其原因在于主頂泵站性能有待提升。因此，工作人員需要密切關(guān)注設(shè)備采購(gòu)以及性能調(diào)試等環(huán)節(jié)。

此外，技術(shù)人員還要探明地層損失的原因，提出針對(duì)性的解決措施，比如：控制管道產(chǎn)生的土量，當(dāng)挖掘量超出12 個(gè)鏟斗，則應(yīng)適當(dāng)提升前倉(cāng)壓力，保證在0.15Mpa 以上，而電機(jī)電流則要維持在50A 左右，實(shí)現(xiàn)頂管機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。并且在砂層頂進(jìn)階段，同樣要觀察好前箱壓力變化情況，以便第一時(shí)間調(diào)節(jié)挖掘、頂進(jìn)速度；在頂管機(jī)維護(hù)階段，可采用法蘭閥，完成孔隙密封處理，避免土壤、水進(jìn)入管道，造成不必要的損失；在管道建設(shè)時(shí)，需關(guān)閉地面交通，以降低地面動(dòng)態(tài)荷載為首要目標(biāo)；每次頂進(jìn)間隔后，都要通過砂漿完成凝固、灌漿處理，及時(shí)填補(bǔ)間隙，防止后期作業(yè)出現(xiàn)地面沉降；記錄設(shè)備前管壓力以及設(shè)備頂進(jìn)速度，確認(rèn)電機(jī)電流變化狀況，保證刀頭扭矩大小得到全面反映。

2.3 注漿減摩控制

首先要確定泥漿混合比，認(rèn)識(shí)到注漿作業(yè)對(duì)于頂管施工的重要性，科學(xué)的注漿技術(shù)能夠利用置換、擠壓等方式，切實(shí)改善巖土物理力學(xué)性質(zhì)，有效填充裂縫與孔隙，為工程項(xiàng)目建設(shè)提供安全保障。在作業(yè)階段，工作人員要做好施工裝置的管控，嚴(yán)格依照既定混合比例施工，通過大量對(duì)比與試驗(yàn)，確定鈉基膨潤(rùn)土的施工配比，根據(jù)研究顯示，用于觸變泥漿的膨潤(rùn)土與水的質(zhì)量比應(yīng)控制在1：10。至于礫石層的泥漿混合比則應(yīng)維持在膨潤(rùn)土：水=1：8，同時(shí)，泥漿的比重應(yīng)選擇1.06g/cm3。其次要梳理泥漿制作流程，包括添加28kg膨潤(rùn)土、28L 水，之后準(zhǔn)備好攪拌缸，添加相應(yīng)物料，攪拌5 分鐘左右，進(jìn)行濃度測(cè)試，若濃度達(dá)到1.06g/cm3，則證明泥漿質(zhì)量達(dá)標(biāo)。需要靜置水化24h，并在使用前實(shí)施二次攪拌。在泥漿制作階段需要注意，施工人員要做好相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)，具備豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在添加材料時(shí)，控制好物料的施加順序，并搭配繼電器控制攪拌時(shí)長(zhǎng)。保證膨潤(rùn)土在靜置水合的過程中能夠充分吸水，搭配一系列防護(hù)措施，防止膨潤(rùn)土受到干擾。最后要進(jìn)行注漿管理，對(duì)于頂管施工項(xiàng)目來說，注漿系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成以灌漿裝置、混合系統(tǒng)、管道、閥門為主，若想保證施工順利，便要控制好管道的安裝區(qū)域，設(shè)置好管道間的間隔距離。對(duì)于本次項(xiàng)目，應(yīng)充分結(jié)合地層特點(diǎn)，盡可能減少管道成本，避免注漿量過高，在每段布設(shè)三個(gè)灌漿孔，且斷面間應(yīng)維持7m 左右的間隔距離。并要求每個(gè)灌漿時(shí)間需控制在3min 以內(nèi)，注重泥漿的連續(xù)性，采用三活塞式變量灌漿泵，最大程度降低脈沖，達(dá)到連續(xù)供應(yīng)泥漿的目的[1]。

2.4 設(shè)置中繼間

中繼間是指在頂管施工階段，用于分段頂進(jìn)，布置在管段中間區(qū)域的環(huán)形小室，通常采用鋼材制作成封閉空間，并沿管環(huán)安裝千斤頂。該方法的優(yōu)勢(shì)在于，能夠有效減少碩節(jié)長(zhǎng)度，降低后備數(shù)量，若出現(xiàn)涵身相對(duì)較長(zhǎng)，無法一次頂進(jìn)的問題，將其分為兩節(jié)，通過中繼間法，實(shí)現(xiàn)重心軌跡的重合，避免節(jié)與節(jié)之間出現(xiàn)錯(cuò)位。搭配剪力楔，抵抗節(jié)間剪切力。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要注意，結(jié)合上述方法來看，繼電器啟動(dòng)環(huán)節(jié)，設(shè)備間的安全頂力比例更加接近最小儲(chǔ)備比率，因此可以勝任頂進(jìn)任務(wù)。當(dāng)?shù)谝焕^電器進(jìn)行頂進(jìn)作業(yè)時(shí)，難以避免地會(huì)因地質(zhì)條件等外界因素，導(dǎo)致設(shè)計(jì)頂力與備用力之間的差值較大。為確保預(yù)留頂力不超出22%，筆者認(rèn)為可以在不破壞繼電器外形的前提下，且低于管道允許頂部力條件下，安裝多臺(tái)氣缸，用以提升儲(chǔ)備頂部力系數(shù)，保證頂進(jìn)作業(yè)的安全性，最大程度減少中繼間裝置的負(fù)荷。具體的中繼間安裝位置情況表現(xiàn)為：管道內(nèi)徑2000mm，油缸數(shù)量18 個(gè)，額定頂力達(dá)到11000KN，第一中繼間的油缸頂力達(dá)到6600KN，第二中繼間的油缸頂力達(dá)到8800KN[2]。

同時(shí)，在伸縮導(dǎo)軌的布置上，需要在電瓶車結(jié)渣方面實(shí)現(xiàn)繼電器的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，避免在普通導(dǎo)軌應(yīng)用階段出現(xiàn)設(shè)備難以正常運(yùn)行的問題。為此，筆者認(rèn)為應(yīng)持續(xù)研究繼電器軌道，將以往的槽鋼材料逐漸優(yōu)化成槽鋼與輕軌、鋼板有機(jī)結(jié)合的伸縮軌道，以此提高軌道可靠性與適用性，相關(guān)材料的應(yīng)用參數(shù)表現(xiàn)為：槽鋼，可作為底座，發(fā)揮導(dǎo)向、支撐作用，數(shù)量為2 個(gè)，長(zhǎng)度為2.5m；輕軌，具有前后伸縮功能，能夠確保電瓶車穩(wěn)定通過，數(shù)量為2 組，每組13 個(gè)；熱軋鋼板，用于控制協(xié)調(diào)導(dǎo)軌間距，具有一定的牽引效果。至于伸縮導(dǎo)軌的制作方面，要求最大伸縮距離不超過40mm，焊接區(qū)域牢固緊密，打造繼電器間的通道，避免出現(xiàn)電池車的軌道偏離，適當(dāng)增加電池車的通過頻次。

2.5 測(cè)量管理

對(duì)于頂管施工來說，在工程測(cè)量控制管理方面，要將平面控制網(wǎng)的精度、導(dǎo)線控制點(diǎn)的保護(hù)作為研究重點(diǎn)，盡可能減少控制網(wǎng)的限差，計(jì)算高程控制網(wǎng)的設(shè)置數(shù)量。充分考慮施工作業(yè)內(nèi)容，保證施工測(cè)量信息能夠?yàn)楹罄m(xù)施工作業(yè)提供數(shù)據(jù)支持。技術(shù)人員要嚴(yán)格遵循操作章程，依照業(yè)主提供的測(cè)量標(biāo)記信息，進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的測(cè)試與校準(zhǔn)，并將測(cè)量結(jié)果提交至監(jiān)理人員，在審批通過后，才可繼續(xù)作業(yè)。而在測(cè)量環(huán)節(jié)，工作人員需根據(jù)就近原則選取控制點(diǎn)，將其作為基點(diǎn)，搭配多個(gè)導(dǎo)體點(diǎn)，引入工作井。之后通過三角網(wǎng)格，安裝導(dǎo)軌，完成高程軸線測(cè)量[3]。

2.6 基坑監(jiān)測(cè)

根據(jù)實(shí)際調(diào)查顯示，本次頂管作業(yè)的最深工作井達(dá)到25m，因此基坑監(jiān)測(cè)難度較高，為此，應(yīng)制定針對(duì)性的監(jiān)測(cè)方案，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，考慮監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)，獲取施工狀況。

第一，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。在施工環(huán)節(jié)，監(jiān)測(cè)人員需要全面了解施工環(huán)境特點(diǎn)，挖掘潛在的安全隱患，并采取針對(duì)性的應(yīng)對(duì)措施，將建筑物、重要管線作為優(yōu)先監(jiān)測(cè)對(duì)象，為后續(xù)作業(yè)提供數(shù)據(jù)依托，具體的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目表現(xiàn)為：（1）地表沉降，監(jiān)測(cè)儀器以錮鋼尺、水準(zhǔn)儀為主，旨在獲取施工對(duì)周邊土體、管線的影響程度；（2）地下管線，監(jiān)測(cè)設(shè)備為水準(zhǔn)儀與錮鋼尺，監(jiān)測(cè)目的同樣為獲取施工對(duì)周邊環(huán)境的影響程度與范圍；（3）拱頂下沉，監(jiān)測(cè)設(shè)備為水準(zhǔn)儀與錮鋼尺，監(jiān)測(cè)目的在于，明確頂掘作業(yè)時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的變位規(guī)律。在測(cè)量斷面時(shí)需要注意，由于頂進(jìn)時(shí)可能出現(xiàn)地面沉降風(fēng)險(xiǎn)，引發(fā)土體塌陷等安全事故，嚴(yán)重危及人員的生命安全。為此，需盡可能降低底層損失，強(qiáng)化底層承載力，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，每隔7m 布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，保證數(shù)據(jù)信息的廣泛收集。

第二，監(jiān)測(cè)成果。在監(jiān)測(cè)項(xiàng)目結(jié)束后，工作人員需要對(duì)監(jiān)測(cè)成果開展全面分析，以軸向地表變形為例，需要對(duì)頂進(jìn)軸線上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)開展動(dòng)態(tài)校核，獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)參數(shù)后，統(tǒng)計(jì)成地面沉降變形圖，最終發(fā)現(xiàn)：當(dāng)頂管頂進(jìn)距離達(dá)到10m 時(shí)，軸線上顯示的地表變形幅度較小，而在工作面前尚未實(shí)現(xiàn)土體開發(fā)的地表，則存在輕微隆起，而工作面的后方土體則表現(xiàn)出地表沉降問題。在頂管頂進(jìn)達(dá)到20m 時(shí)，與之前頂進(jìn)10m 的情況相比，位于工作面后方的土體沉降幅度持續(xù)增加，至于前方土體隆起同樣不斷加深，此類引發(fā)的現(xiàn)象表現(xiàn)為地表不斷沉降，并會(huì)對(duì)后續(xù)的土體產(chǎn)生不良影響。當(dāng)頂管頂進(jìn)達(dá)到30m 時(shí)，因距離的不斷加深，會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大開挖區(qū)域的地表沉降與隆起，當(dāng)頂掘設(shè)備刀盤提高對(duì)土體擠壓效果時(shí)，勢(shì)必會(huì)對(duì)地層產(chǎn)生擾動(dòng)。而當(dāng)頂管頂進(jìn)達(dá)到40m 時(shí)，土體會(huì)在時(shí)間、力的影響下產(chǎn)生沉降量穩(wěn)定的現(xiàn)象。再?gòu)臋M向地表進(jìn)行分析，在監(jiān)測(cè)橫斷面地表變形時(shí)，需要對(duì)于始發(fā)井相隔5m 的斷面區(qū)域?qū)嵤┭芯?，并分為以下四個(gè)階段，即頂管工作面達(dá)到前、達(dá)到后，頂掘裝置機(jī)頭通過時(shí)與機(jī)尾通過后。在研究后發(fā)現(xiàn)，達(dá)到工作面5m 前，工程狀況相對(duì)復(fù)雜，無法有效獲取相關(guān)信息參數(shù)，難以避免地會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生大幅度變化。在工作面深入的過程中，會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生擾動(dòng)效應(yīng)，引發(fā)應(yīng)力分布改變，在擠壓作用下，出現(xiàn)土體隆起。在工作面達(dá)到5m 后，由于頂進(jìn)作業(yè)對(duì)周邊土體存在影響，在作用力的驅(qū)使下，土體會(huì)出現(xiàn)剪切力，并形成地表沉降，直至頂掘裝置機(jī)尾通過，離開監(jiān)測(cè)斷面，頂掘裝飾對(duì)土體的作用力仍會(huì)持續(xù)，從而加大地面沉降幅度[4]。

2.7 注意事項(xiàng)

第一，要做好風(fēng)險(xiǎn)管理，比如：頂進(jìn)壓力，需要注意測(cè)量糾偏，考慮施工地質(zhì)條件的差異性，搭配適合的泥漿，做好施工裝置質(zhì)量檢查與性能測(cè)試。若頂進(jìn)環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)頂力較大，則應(yīng)第一時(shí)間停止，找出問題形成原因，制定解決計(jì)劃；旋轉(zhuǎn)控制，為避免出現(xiàn)頂管機(jī)旋轉(zhuǎn)，可在機(jī)頭擺放配重，要求配重與頂管機(jī)旋轉(zhuǎn)方向完全向相反，也可通過控制頂管機(jī)頭刀盤，使其與設(shè)備旋轉(zhuǎn)方向相反；崩鐵控制，在頂進(jìn)時(shí)，應(yīng)時(shí)刻觀察壓力表的數(shù)值波動(dòng)，檢查頂鐵安裝效果，判斷是否存在表層脫落，分析是否存在頂鐵外拱。若存在，則要及時(shí)停止操作，降低縱向頂鐵長(zhǎng)度；后備控制，在施工時(shí)，應(yīng)樹立工作人員良好的安全意識(shí)，根據(jù)操作標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行后備安裝，并核對(duì)設(shè)備垂直度，若發(fā)現(xiàn)頂進(jìn)時(shí)，速度突然提升，則要立刻停止作業(yè)，找出問題形成原因，并寄出處理。

第二，要做好風(fēng)險(xiǎn)事故的應(yīng)對(duì)，比如：管道被砂層“抱死”，此時(shí)頂管裝置處于極限狀態(tài)，無法推動(dòng)管道。為此，應(yīng)強(qiáng)化注漿利用中繼間，使管道動(dòng)起來，保證各注漿孔灌注飽滿，且啟動(dòng)壓力達(dá)到38Mpa；刀盤被卡，問題表現(xiàn)為刀盤無法轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)需要通過旋噴清渣法、成槽清渣法，清除刀盤周邊的積砂，去除堅(jiān)硬的小碎石，將泥漿壓力維持在25Mpa。之后清洗刀盤，持續(xù)采取排砂作業(yè)，防止刀盤二次被卡。除此之外，相關(guān)施工人員也要不斷學(xué)習(xí)先進(jìn)的理論知識(shí)，提高專業(yè)技能，準(zhǔn)確了解設(shè)施性能特點(diǎn)，做好裝置定期檢查與維護(hù)[5]。

3 結(jié)論

本文以新疆鞏留縣工業(yè)園區(qū)續(xù)建配套工程項(xiàng)目作為研究對(duì)象，闡述給排水施工中頂管技術(shù)的應(yīng)用路徑，通過科學(xué)的土壓平衡控制，最大程度地降低注漿摩擦，利用基坑動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，消除潛在的安全隱患，更好地控制工程造價(jià)，保證管道的順利敷設(shè)，達(dá)到治理城市水污染的目的，實(shí)現(xiàn)水資源的回收利用。