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顶管在市政排水工程中的应用

发表时间：2020/7/14 来源：《基层建设》2020年第6期作者：李晓东

[导读] 摘要：随着城市高度现代化和人民生活水平不断提高，城市和乡村对基础设施建设的总体要求越来越高。

        中铁一局集团天津建设工程有限公司 300350
        摘要：随着城市高度现代化和人民生活水平不断提高，城市和乡村对基础设施建设的总体要求越来越高。地下管网是城市基础设施的重要组成部分，日夜肩负着传递信息、输送能源、水资源配给、处理等重要任务，是城市赖以生存和发展的物质基础，是城市不可缺少的生命线。城市地下管网的发展规模、管线铺设，维修和更换水平；对城市交通环境、自然环境、生活环境的影响等级，已成为衡量一个城市基础设施完善程度和城市管理水平的重要标志。近些年来，降雨量大的城市频繁发生内涝，市政管道设施的建设、改造日渐繁荣。但传统的明挖槽敷设管道的施工技术对地面交通影响较大，使本来就拥挤的城市交通如雪上加霜，同时给市民工作、生活带来诸多不便，特别在人口稠密的大中型城市和交通拥挤的地区以及无开挖条件的老旧城区，这个矛盾就更加突出。而顶管施工技术，极大的解决了这个矛盾。顶管施工技术发展至今已经100多年历史，我国也有40多年的发展历史，在近20年顶管技术无论在施工理论，还是在施工工艺方面都有了突飞猛进的发展，在其中有些方面我国还暂居世界领先水平。
        关键词：市政工程；顶管技术；技术分析
        市政工程中的顶管技术是一种通过两端设立工作井，工作井间进行暗挖敷设各种管道的特种施工方法，在近些年得到广泛应用。它的优点是施工占用地少、对周边环境及气象条件影响小、可跨越多种类障碍物，这些优点使它成为管道施工的主力军，特别是在老城区管道敷设、改造中发挥着举足轻重的作用，是市政工程管道施工的重要施工手段。顶管施工的缺点也很明显，对前期调查及地质条件要求较高，在顶进过程中遇到障碍物处理困难，且造价较高。但随着科学技术的进步，施工设备的不断革新，这些困难都会被解决。就顶管技术在市政工程中的应用结合顶管施工的优缺点，对顶管施工技术进行一些分析。
        一、顶管在市政工程应用中的技术分析
        （一）施工环境因素技术分析：
        1、顶管前期调查涵盖地质、地上地下管线、构筑物及其与顶管线位的相互关系，这是顶管施工中至关重要的一项工作。历年来顶管施工发生的很多事故教训都是由于前期调查不够造成的。顶管施工前必须结合现场踏勘与相关管线、构筑物产权单位取得联系，得到现状管线、构筑物详细图纸，并通过刨验、探测等一系列手段找到现状管线具体位置，与图纸核对是否相符，并了解其与顶管的线位之间相互关系。并要走访附近居民了解地下老旧构筑物是否存在，了解范围必须扩大到顶管施工线位两侧安全距离以内。特别要注意以蓄存、输配水、油等液体为主要功能的管道、构筑物是否存在，其使用年限、现状使用情况等。这些设施如果发生渗漏，会给顶管工程造成极大安全隐患。
        2、地质情况是顶管施工调查的另一重要项目，在施工前，一定要核对图纸所给地质条件，其中包括土层结构，顶管沿线50年内土地使用性质，是否之前存在过地下构筑物或有深基础的建筑物，这是顶管施工能否顺利实施及顶管方式选择的重要条件。
        （二）前期设计技术分析：
        1、设备选型：顶管机械设备选型分为通用机械设备选型和顶管机头设备选型。顶管机头是顶管设备选型的重点，我国地大物博，地质情况复杂多变，必须根据地质情况结合各方因素选择适用的顶管机头。合适的顶管机头可以使施工更加快捷、安全，反之会造成极大的安全隐患及损失。管径、管材、顶进长度等是机型选择的重大要素，这就要求在机型选择时要综合考虑，在众多顶管施工的机型中选择适合本地区、本工程的机型设备。通用设备包括导轨、千斤顶、顶铁、后背，液压油站、监控设备等，其选择要与顶管机头配套并满足管道自重，管径，压力分散、顶进长度等管道顶进的技术需求。
        2、围护结构：顶管基坑的围护结构形式的选择要综合考虑众多因素，主要根据地质情况、周边环境、地下水位情况、顶进长度、施工机型等。围护结构既要满足防水封闭、检查井的结构形式及施工方式、顶管施工时千斤顶后推力等一系列技术要求；又要经济环保，施工快速，减少施工对周边自然环境、交通环境、生活环境的影响。
        3、顶管覆土厚度：顶管覆土厚度会对顶管精度、偏差调整产生影响。覆土厚度太浅会造成顶管机头上方土压力过低，机头在顶进过程中发生顶管机头上扬现象。顶管机头内部偏差调节值较小，顶管覆土厚度过小，顶管机头发生上扬后，没有足够的土压，仅靠自身调节无法回到设计线位，发生质量事故。如偏差较大时，管道易撅口发生透水、塌陷等安全事故。
        4、后背设计：后背和围护结构在顶管中共同承担着分散顶进时千斤顶后推力的重要作用，当顶进长度越长，对后背的强度和刚度要求越高，施工前必须根据土质情况，顶进长度等参数进行认真检算，保证施工中不变形位移。为保证达到技术要求，后背要和管道中心线，千斤顶、导轨垂直，并设置挡块固定，后背及围护结构后土体受力要均匀，否则要对围护结构厚土体加固处理。
        （三）顶管施工技术分析：
        1、进出洞口：顶管施工在进出洞口处要做好闭水措施，如洞口土体加固、加装止水垫，水泥搅拌桩围护结构机头进出洞口靠机头刀盘转动自然磨削，减小千斤顶压力，使机头与防护结构之间紧密摩擦，避免地下水或触变泥浆从顶管机头与防护结构的间隙流出，发生透水事故。顶管机头进入土体后的前三节管道要与机头稳固联接，避免顶管机头进入土体后由于自重发生扎头现象。在顶管机头进入土体一定深度，安装第一节管道时，要及时快速或用稳固装置临时固定，避免千斤顶回缩后，由于土体压力，顶管机头出现后退，造成顶管机头前方土体发生下沉坍塌现象。

                    洞口防护样图
        2、顶进及纠偏：顶管机头进入土体8-10米后，要及时向管道外壁压注触变泥浆，在管道外壁形成润滑浆套，配合管道外壁涂刷石蜡等形式，减小管道与土体的摩阻力。注浆压力、注浆量要根据土质、覆土厚度等具体情况测定，同一断面上设置3-4个注浆孔，环向均匀布置，注浆时要遵循“先压后顶，随顶随压”的程序，注浆压力要通过试验确定。顶进过程中要及时根据出土量和顶进长度计算的出土量核对，严禁超挖，以保证开挖面土体稳定，避免由于实际出土量大于计算出土量造成前方土体下沉、下陷、塌方或实际出土量小于计算出土量造成前方土体起拱。管道发生误差时及时进行纠偏，每次最大纠偏角度为0.5°或管口两侧间隙不大于10mm，如过大会发生管道接口透水事故。纠偏通过掘进机液压纠偏系统进行，要遵循“勤校、微调”的原则，误差若超过质量标准停止顶进，在制定处理措施前严禁继续顶进，机头发生偏转要及时进行纠正。接近接收井时应放慢速度，反复测量找准机头的入洞位置，在准确位置入洞，严禁凿大洞口破坏坑壁支护，防止漏水。
        （四）顶管完成后的技术分析：
        1、顶进结束后，及时对进出洞口处进行避水处理，避免地下水和触变泥浆通过管道与围护结构间隙流出，造成管道上方土体下沉。管道内注浆孔及管道接头及时封堵，并做好避水、防腐措施。顶管结束后，为保证管道上方不出现下沉，要及时向管道与土体之间注入水泥浆置换顶进时的润滑泥浆。工作坑内管道、检查井施工完毕，及时回填。
        二、顶管在市政工程应用中常见问题及处理建议
        1、顶进前，要做好顶管沿线管道及构筑物的防护措施，距离过近的管道，构筑物必须稳妥加固，有水管道根据实际情况封堵或引水。对顶管沿线管道及构筑物布设足够的沉降观测点，每天检测不少于三次，并与原始数据及时比对，出现问题增加观测次数，如超出预警值立即停止顶进，组织专家进行研究论证，在制定出切实可行的处理方案前严禁继续顶进。
        2、障碍物处理：顶进过程中，发现顶进压力过大，顶进压力突然变大或超过管道实验破坏压力时，参照管线图及前期调查，分析原因，如遇障碍物要确认其类型，制定有针对性的处理措施。如遇小型障碍物顶管机头及机头刀盘无损伤（机头刀盘遇到障碍物或机头刀盘损伤可通过机头前方刀盘电机电流确定），可通过开天窗挖出顶管机头前方障碍物回填后继续顶进；如顶管机头前方为可清除大型障碍物，顶管机头或机头刀盘发生损坏且前方具备开挖条件可做好围护措施后开挖清楚障碍物，吊出机头维修后回填继续顶进。
        3、机头故障处理：在顶进过程中如顶管机头发生故障在顶进距离较短时，一般不超过3-4节管时，可以通过倒顶拉出机头，到顶一定要缓慢匀速保证机头前方孔洞内注满高密度泥浆具有足够压力支持住上方土体，洞口采用冷冻或加打搅拌桩、封堵等方式封死，避免孔洞发生下沉坍塌，机头拉出后如能短时间内维修完毕应及时维修后开顶，如不能及时维修好应更换同类型机头后及时顶进，一般搁置不得超过三天，与周边建筑物距离较近时不建议使用此方法。顶进距离过长时通过开天窗的形式吊出机头进行维修，维修完成后继续顶进或更换同类型机头。
        4、在顶进过程中应当适当加大顶进压力、减少出土量，以保证开挖面土体平衡，同时加大注浆量，能很好的减少地面的下沉凹陷。特别是现状道路下施工时，能很好地保证现状道路结构，避免路面下沉及其两侧构筑物造成影响。
        5、后背位移：顶进过程中如发生后背位移应立即停止顶进，拆除设备，加固后背土体及围护结构，重新施工后背并分析后背位移的具体原因，以避免继续顶进时发生类似问题。在停止施工等待方案期间，要不定时向管道外侧压注润滑泥浆或间隔30-60分钟或用千斤顶给管道加压，活动管道，避免土压抱死管道，特别是已顶进较长距离时。
        现在的顶管施工适用各种管型、管径，技术成熟，特别是城市施工，能将对外界交通、环境保护等影响降低到最小。使顶管施工技术成为城市管道施工的重要手段，所占比重日渐提高。
        三、结论
        我国顶管技术的技术发展水平及施工能力在近年内得到长足进步，从早期的单一，高难发展到现在普遍使用。顶管施工机械从纯靠进口到国产化，管径从D300至D4000，管道形式从单一圆形到方形，异性；加上微型拉管，已经涵盖了所有管径，满足市政施工的各种需求。地铁施工技术的发展，使顶管施工工艺、方法得到补充，现在的顶管施工艺也已经适用我国大多数城市，并能跨河，跨铁路等多种障碍物，对城市市政管道的改造创造了方便、节约、环保的施工方法。地铁施工技术的发展，对顶管洞口处理的重要难题提供了多种方法选择，使顶管技术得到极大补充，使我国顶管技术得到飞速发展。我国近年来城市化脚步加快，城市人口日益增加，城市排污、防汛、供水、供电等民生设施的负担日益加重，原有管道已经远不能满足要求。但老城区地下情况复杂，建筑物密集，人口集中，用明开槽施工工艺施工难度大，安全系数低，这就使顶管施工日益繁荣起来，顶管施工将成为未来的城市管网施工主要施工方式。
        参考文献：
        [1]《顶管和微型隧道技术》，人民交通出版社出版，马保松、D.Stein、蒋国盛编著
        [2]《顶管施工技术及验收规范（试行）》，人民交通出版社出版中国地质大学编著
        [3]《大型地下顶管施工技术原理及应用》，中国建筑工业出版社出版，韩选江编著
        [4]《给水排水工程顶管技术规程（CECS246：2008）》，中国计划出版社出版，中国工程建设标准化协会编著
        [5]《顶管技术060906》，中国建工出版社出版，高乃熙编著
        [6]《现代顶管施工技术及工程实例》，中国建筑工业出版社出版，葛金科、沈水龙、许烨霜编著
        [7]《给水排水工程顶管技术规程CECS246：2008》，中国计划出版社出版，上海市政工程设计研究总院主编
        [8]《顶管施工技术及验收规范》，人民交通出版社出版，中国非开挖技术协会主编
        [9]《顶管施工技术》，人民交通出版社出版，余彬泉陈传灿编著