非開(kāi)挖頂管技術(shù)在市政給水管線施工中的應(yīng)用

曹曉博，劉研文，孫 偉

（北京市自來(lái)水集團(tuán)禹通市政工程有限公司，北京 100011）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加速和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求的增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的市政給水管線施工面臨諸多挑戰(zhàn)，尤其是在城市密集區(qū)域。在這種背景下，非開(kāi)挖頂管技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，為市政給水管線施工提供了一種創(chuàng)新解決方案。該技術(shù)通過(guò)地下頂推的方式安裝管線，避免了大規(guī)模開(kāi)挖帶來(lái)的地面破壞和社會(huì)影響。

1 非開(kāi)挖頂管技術(shù)原理

非開(kāi)挖頂管技術(shù)是一種先進(jìn)的地下管道鋪設(shè)方法，主要用于在不破壞地表的情況下鋪設(shè)或更換地下管線。這種技術(shù)的核心原理是使用特制的頂管機(jī)械在地下形成管道路徑，而不需要像傳統(tǒng)開(kāi)挖那樣挖掘大面積的溝渠。頂管技術(shù)首先在預(yù)定的起始點(diǎn)挖掘一個(gè)較小的工作坑，然后從這個(gè)坑中將頂管機(jī)和管材順序推進(jìn)到地下[1]。頂管機(jī)通常配備有強(qiáng)大的推力和回轉(zhuǎn)力，能夠在地下精確地鉆進(jìn)，同時(shí)頂出土壤或其他物質(zhì)。這種方法可以用于鋪設(shè)各種類型的管道，包括污水管、供水管、或電纜管等。非開(kāi)挖頂管技術(shù)模擬如圖1 所示。

圖1 非開(kāi)挖頂管技術(shù)模擬

2 市政給水管線中的非開(kāi)挖頂管技術(shù)

2.1 工程簡(jiǎn)介

我司亦莊水廠一期配水干線工程位于北京市亦莊開(kāi)發(fā)區(qū)，該工程頂管部分為2 段，呈L 型走向，第一段橫穿成壽寺路進(jìn)出南五環(huán)路的匝道，第二段沿南五環(huán)內(nèi)環(huán)邊溝頂進(jìn)至接收井。

該配水干線工程是北京市水資源配置的關(guān)鍵組成部分，旨在滿足亦莊開(kāi)發(fā)區(qū)及中心城區(qū)的水需求，并確保水資源的可靠供應(yīng)。

工程設(shè)計(jì)特點(diǎn)：考慮到管線沿線地形和土質(zhì)條件，工程設(shè)計(jì)對(duì)覆土厚度進(jìn)行了精確計(jì)算和平均化處理，以確保管線的穩(wěn)定性和安全性。

環(huán)保與可持續(xù)性：在工程設(shè)計(jì)與施工中，特別關(guān)注覆土厚度的最小值，以最大限度地減少對(duì)地下水和自然環(huán)境的影響，體現(xiàn)了工程在環(huán)保和可持續(xù)性方面的關(guān)切。

2.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

非開(kāi)挖頂管技術(shù)在市政給水管線施工中的應(yīng)用顯著地減少了對(duì)環(huán)境的破壞，這是其最大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)之一。傳統(tǒng)的開(kāi)挖方式往往需要在施工區(qū)域進(jìn)行大范圍的挖掘，這不僅破壞地面景觀，還可能影響周?chē)淖匀簧鷳B(tài)和居民生活。例如，在城市中，開(kāi)挖施工可能導(dǎo)致道路封閉、交通擁堵，甚至影響周邊商業(yè)活動(dòng)和居民的日常出行。而非開(kāi)挖頂管技術(shù)通過(guò)在地下進(jìn)行管道安裝，極大地減少了對(duì)地面的干擾。這種技術(shù)只需要在管道起始和終點(diǎn)處進(jìn)行小范圍挖掘，以安裝和接收頂管設(shè)備[2]。

在提高施工效率方面，非開(kāi)挖頂管技術(shù)同樣具有顯著優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)開(kāi)挖工程通常涉及大量的地面挖掘、土壤運(yùn)輸和復(fù)填工作，這些工作耗時(shí)而且復(fù)雜。特別是在城市密集區(qū)域，施工空間限制和交通管制可能進(jìn)一步延長(zhǎng)工程進(jìn)度。非開(kāi)挖頂管技術(shù)通過(guò)地下頂推管道的方式，大幅減少了這些時(shí)間消耗和復(fù)雜的步驟。此外，由于地面挖掘工作減少，相關(guān)的安全隱患和施工中斷風(fēng)險(xiǎn)也相應(yīng)降低。這種技術(shù)的應(yīng)用使得整個(gè)管道鋪設(shè)過(guò)程更加連續(xù)和高效，尤其適用于城市環(huán)境，可以在不干擾地面交通和活動(dòng)的情況下進(jìn)行快速施工。

2.3 施工工藝

2.3.1 頂管施工準(zhǔn)備階段

在市政給水管線施工項(xiàng)目中，非開(kāi)挖頂管技術(shù)的應(yīng)用始于精確的施工準(zhǔn)備。在施工開(kāi)始之前，首先進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)勘探，以評(píng)估頂管路徑下的地質(zhì)條件，這對(duì)于確定頂管機(jī)類型和施工參數(shù)至關(guān)重要。地質(zhì)勘探結(jié)果顯示，頂管路徑下存在一根移動(dòng)光纜和兩根軍用光纜，因此，施工過(guò)程中需特別注意避免對(duì)這些重要設(shè)施的損害。此外，施工團(tuán)隊(duì)還需確保施工范圍內(nèi)正在運(yùn)行中的原取水管的安全。因此，在頂管施工前的準(zhǔn)備階段，施工團(tuán)隊(duì)制定了詳細(xì)的施工計(jì)劃和應(yīng)急預(yù)案，確保在施工過(guò)程中能夠迅速應(yīng)對(duì)各種情況。

2.3.2 頂管施工實(shí)施階段

在非開(kāi)挖頂管技術(shù)的施工實(shí)施階段，首要關(guān)注的是對(duì)頂管機(jī)的精確操控。操作過(guò)程中，頂管機(jī)必須沿著預(yù)定的軌跡準(zhǔn)確推進(jìn)，同時(shí)確保管頂覆土厚度符合規(guī)范規(guī)定的范圍。這一關(guān)鍵控制對(duì)于保護(hù)現(xiàn)有光纜和水管至關(guān)重要，以防止施工對(duì)周?chē)h(huán)境產(chǎn)生不良影響。在推進(jìn)過(guò)程中，頂管機(jī)同時(shí)進(jìn)行土壤切割和移除，以維持管道路徑的穩(wěn)定性。為確保施工的準(zhǔn)確性，高精度的監(jiān)測(cè)設(shè)備被廣泛應(yīng)用。這些監(jiān)測(cè)設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控頂管機(jī)的位置和姿態(tài)，以保證其按照預(yù)定軌跡無(wú)誤推進(jìn)。這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用有效降低了施工誤差，提高了整個(gè)頂管過(guò)程的精密度。同時(shí)，施工團(tuán)隊(duì)也定期檢查現(xiàn)場(chǎng)的安全狀況，強(qiáng)調(diào)安全管理的重要性，確保施工過(guò)程中不發(fā)生意外事件，保障工程的順利進(jìn)行[3]。

2.3.3 頂管施工完成及驗(yàn)收階段

頂管施工完成后，進(jìn)入驗(yàn)收和評(píng)估階段。對(duì)于供水工程，頂管施工完成后，工程團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了詳細(xì)的管道檢查和試壓測(cè)試，以確保管道的完整性和功能性。管道的檢查重點(diǎn)在于確認(rèn)管道是否有損壞，接縫是否緊密，以及管道是否按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)正確鋪設(shè)。試壓測(cè)試則是確保管道的承壓能力滿足工程標(biāo)準(zhǔn)要求。在驗(yàn)收階段，施工團(tuán)隊(duì)還需確保管道周?chē)鷧^(qū)域的地面恢復(fù)到滿意狀態(tài)，特別是公路穿越部分。對(duì)于本工程而言，驗(yàn)收階段也包括了對(duì)周邊光纜和原有水管的再次檢查，確保施工過(guò)程中沒(méi)有對(duì)這些設(shè)施造成任何損害。通過(guò)這一系列嚴(yán)格的檢查和測(cè)試，確保了頂管施工的質(zhì)量，為后續(xù)的管道運(yùn)營(yíng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.4 頂進(jìn)過(guò)程中進(jìn)出洞施工技術(shù)

2.4.1 進(jìn)洞施工技術(shù)

進(jìn)洞施工是頂管工程的初始階段，關(guān)鍵在于準(zhǔn)確地建立起始井（或進(jìn)洞口）并將頂管機(jī)正確定位。在進(jìn)洞施工中，首先需要在預(yù)定的地點(diǎn)開(kāi)挖一個(gè)大小適宜的起始井。這個(gè)井的尺寸通常比頂管機(jī)的直徑大出一定的余量，以便于頂管機(jī)的安裝和操作。例如，在本頂管工程中，起始井的直徑可能需要達(dá)到14000m 或更大，以確保足夠的工作空間。起始井的深度則根據(jù)設(shè)計(jì)的管道埋深和地下水位等因素確定[4]。在頂管機(jī)進(jìn)入起始井后，需要進(jìn)行精確的定位和調(diào)整，確保其按照預(yù)定的方向和角度開(kāi)始推進(jìn)。在這個(gè)過(guò)程中，高精度的測(cè)量?jī)x器和監(jiān)測(cè)設(shè)備被廣泛應(yīng)用，以實(shí)時(shí)監(jiān)控頂管機(jī)的位置和姿態(tài)。此外，為了確保進(jìn)洞施工的順利進(jìn)行，還需考慮地下水位、土質(zhì)等因素，并采取相應(yīng)的措施，如水泵抽水、井壁支護(hù)等。

2.4.2 頂管推進(jìn)技術(shù)

在頂管推進(jìn)技術(shù)的實(shí)施過(guò)程中，關(guān)鍵的頂進(jìn)階段決定了整個(gè)頂管工程的成功與否。頂管機(jī)必須按照預(yù)設(shè)的軌跡有序推進(jìn)，而這涉及一系列關(guān)鍵參數(shù)的精確調(diào)控。推進(jìn)速度、推進(jìn)力和旋轉(zhuǎn)速度等參數(shù)的設(shè)定至關(guān)重要，需要根據(jù)地質(zhì)條件、管道直徑和頂管機(jī)型號(hào)等多方面因素進(jìn)行全面考慮。在本項(xiàng)目工程中，推進(jìn)速度的合理設(shè)定可能在每小時(shí)幾米到十幾米之間變化，具體取決于土質(zhì)的硬度和頂管機(jī)的性能。推進(jìn)力作為另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，必須足夠大以克服土壤的阻力，但又不能過(guò)大，以免造成管道損壞。在推進(jìn)過(guò)程中，密切關(guān)注推進(jìn)力的實(shí)時(shí)變化，調(diào)整力度，確保在克服土壤阻力的同時(shí)保護(hù)管道的完整性。同時(shí)，頂管機(jī)的位置需要不斷進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)整，以確保其沿著預(yù)定軌跡準(zhǔn)確無(wú)誤地前進(jìn)。這項(xiàng)技術(shù)要求高度的精密度和實(shí)時(shí)性，以確保整個(gè)推進(jìn)過(guò)程的可控性。通過(guò)對(duì)推進(jìn)速度、推進(jìn)力、旋轉(zhuǎn)速度等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集，可以獲得大量的工程數(shù)據(jù)。利用數(shù)據(jù)分析技術(shù)，工程團(tuán)隊(duì)能夠深入了解地下土層的特性，精準(zhǔn)掌握頂管機(jī)的工作狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題。數(shù)據(jù)分析還可以為今后類似工程提供經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和優(yōu)化建議，實(shí)現(xiàn)工程技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)。

2.4.3 出洞施工技術(shù)

在出洞施工技術(shù)的實(shí)施階段，頂管機(jī)到達(dá)終點(diǎn)標(biāo)志著整個(gè)頂管工程的進(jìn)入關(guān)鍵的出洞施工階段。首先，施工團(tuán)隊(duì)需要在頂管機(jī)預(yù)定到達(dá)點(diǎn)進(jìn)行接收井的挖掘工作。與起始井相似，接收井的尺寸和深度需要充分考慮，以提供足夠的空間容納頂管機(jī)和相應(yīng)的管段。在頂管機(jī)即將到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，施工團(tuán)隊(duì)必須進(jìn)行精確的監(jiān)控，以確保頂管機(jī)準(zhǔn)確無(wú)誤地進(jìn)入接收井。一旦頂管機(jī)完全到達(dá)接收井，接下來(lái)的工作將主要集中在管道的接縫和檢查方面。這包括確保管道的接縫嚴(yán)密無(wú)泄漏，同時(shí)進(jìn)行管道完整性的檢查，如壓力測(cè)試等。這一步驟至關(guān)重要，因?yàn)楣艿赖馁|(zhì)量和可靠性直接關(guān)系到整個(gè)頂管工程的成功與否。通過(guò)高精度的檢測(cè)設(shè)備和技術(shù)手段，施工團(tuán)隊(duì)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決任何潛在的問(wèn)題，確保管道在后續(xù)運(yùn)行階段的穩(wěn)定性。除了管道的接縫和檢查工作，對(duì)接收井周?chē)寥赖膹?fù)原處理也是出洞施工階段的關(guān)鍵任務(wù)之一。通過(guò)合理的土壤處理，可以確保接收井周?chē)孛娴姆€(wěn)定性和安全性。這包括土壤的填充、緊實(shí)和表層修復(fù)等工作，以使地面恢復(fù)到施工前的狀態(tài)，減少對(duì)周邊環(huán)境的影響。出洞施工的完成標(biāo)志著整個(gè)頂管工程的順利落幕，隨后進(jìn)入管道的運(yùn)行和維護(hù)階段。在這個(gè)階段，科學(xué)的管道管理和定期的維護(hù)將確保管道的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，為城市基礎(chǔ)設(shè)施的可靠性和持續(xù)性提供了強(qiáng)有力的支持。整個(gè)工程的成功實(shí)施不僅依賴于先進(jìn)的技術(shù)手段，更需要施工團(tuán)隊(duì)的精湛技藝和嚴(yán)謹(jǐn)管理。

2.5 注漿減阻

注漿減阻技術(shù)的基本原理是通過(guò)注漿來(lái)改變土壤的物理和化學(xué)性質(zhì)，從而降低土壤對(duì)頂管機(jī)或隧道掘進(jìn)機(jī)的阻力。這種技術(shù)通常使用一種特殊的漿液，如水泥漿、化學(xué)漿或泥漿，這些漿液能夠滲透到土壤中，增加土壤的穩(wěn)定性和流動(dòng)性。例如，注漿的目標(biāo)可能是減少頂管機(jī)推進(jìn)時(shí)的阻力，從而提高施工效率。在實(shí)施注漿減阻時(shí)，需要精確計(jì)算漿液的注入量和壓力。注漿量的計(jì)算通常基于土壤類型、頂管直徑和推進(jìn)長(zhǎng)度等因素。例如，對(duì)于黏土類型的土壤，可能需要更多的漿液來(lái)改善其性質(zhì)。注漿壓力則需要足夠高，以確保漿液能夠均勻分布在土壤中，但又不能過(guò)高以免導(dǎo)致地面沉降或?qū)χ車(chē)Y(jié)構(gòu)造成損害。

2.5.1 注漿減阻施工實(shí)施步驟

（1）漿液配制。在這一步驟中，需要根據(jù)實(shí)際土壤條件和施工需求選擇合適的漿液類型和配比。漿液的粘度、流動(dòng)性和固化時(shí)間等參數(shù)需要被仔細(xì)考慮。合理的漿液設(shè)計(jì)是確保注漿減阻效果的重要前提。

（2）注漿點(diǎn)布置。注漿點(diǎn)的布置是根據(jù)頂管機(jī)或隧道掘進(jìn)機(jī)的推進(jìn)路徑進(jìn)行精確規(guī)劃的關(guān)鍵步驟。通常，這些注漿點(diǎn)會(huì)沿著預(yù)定的路徑均勻分布，以確保漿液能夠有效地覆蓋整個(gè)施工區(qū)域。布置的密度和位置需要根據(jù)土層特性和注漿效果的預(yù)期來(lái)確定。

（3）注漿施工。在注漿施工階段，專業(yè)的注漿設(shè)備被用來(lái)對(duì)每個(gè)注漿點(diǎn)進(jìn)行漿液注入。施工團(tuán)隊(duì)需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求實(shí)時(shí)監(jiān)控漿液的注入量和注漿壓力，確保注漿施工按照計(jì)劃進(jìn)行。操作人員需要對(duì)注漿設(shè)備的性能和操作進(jìn)行熟練掌握，以確保注漿的精準(zhǔn)度和效果。

（4）效果監(jiān)測(cè)。為了評(píng)估注漿減阻效果，施工區(qū)域需要進(jìn)行定期檢測(cè)。這可以通過(guò)使用地下雷達(dá)或進(jìn)行鉆探等方法，檢測(cè)土壤的密實(shí)度和漿液的分布情況。這些檢測(cè)數(shù)據(jù)提供了對(duì)注漿效果的實(shí)時(shí)反饋，有助于及時(shí)調(diào)整施工策略以達(dá)到最佳效果。注漿減阻施工的這些步驟的合理實(shí)施，不僅可以確保施工過(guò)程的順利進(jìn)行，而且能夠有效地改善土壤條件，降低頂管機(jī)或隧道掘進(jìn)機(jī)的推進(jìn)阻力，從而提高整個(gè)工程的施工效率和成功率。

2.5.2 注漿減阻施工效果評(píng)估

注漿減阻施工的效果評(píng)估是確保工程質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。有效的注漿減阻不僅能提高頂管或隧道掘進(jìn)的效率，還能降低施工成本和延長(zhǎng)工程的使用壽命。在評(píng)估注漿效果時(shí)，主要關(guān)注3 個(gè)方面：①注漿后土壤性質(zhì)的改變，如土壤密實(shí)度和流動(dòng)性的提高。②頂管機(jī)或隧道掘進(jìn)機(jī)的推進(jìn)速度和阻力的變化。③施工過(guò)程中的安全性，如是否有地面沉降或?qū)χ車(chē)ㄖ挠绊慬5]。例如，在一個(gè)使用注漿減阻技術(shù)的頂管工程中，通過(guò)比較注漿前后頂管機(jī)的推進(jìn)速度，可直觀地評(píng)估注漿效果。如果頂管機(jī)的推進(jìn)速度顯著提高，且沒(méi)有出現(xiàn)安全問(wèn)題，則表明注漿減阻效果良好。此外，也可以通過(guò)分析施工成本和工程進(jìn)度來(lái)綜合評(píng)估注漿技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，非開(kāi)挖頂管技術(shù)在市政給水管線施工中的應(yīng)用展示了其在現(xiàn)代城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的巨大價(jià)值。這種技術(shù)不僅有效提高了施工效率，減少了環(huán)境破壞，還顯著降低了對(duì)日常城市生活的干擾。通過(guò)引入這一先進(jìn)的施工方法，城市給水系統(tǒng)的建設(shè)和維護(hù)可以在更加環(huán)保、高效的前提下進(jìn)行，有力地支持了城市可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。