浅谈顶管工艺在污水管道设计中的应用

林生祥

（福州市规划设计研究院）

浅谈顶管工艺在污水管道设计中的应用

林生祥

（福州市规划设计研究院）

在社会经济不断发展的背景下，我国城市化水平不断加快，在城市的发展中，污水管道设计建设是一项非常重要的工作，一旦没有将此项工作做好，对于整个城市的发展就会带来非常严重影响，对此，笔者通过本文对顶管工艺在污水管道设计中的应用进行了详细的分析与阐述，进而为有关部门及工作人员提供一定的借鉴作用。

顶管工艺；污水管道；设计应用

顶管技术为一种非开挖管线和管路敷设的技术，起源于美国，在国内外的污水管道设计中得到了广泛的应用，并且发挥着非常重要地位和作用，因此，这就需要有关单位及工作人员在工作中要详细的了解该技术的应用原理，在工作中不断的总结经验，促进我国城市污水系统建设向着科学合理的方向发展。

1　顶管技术在排水管网中应用的优点

顶管技术是一项主要用于市政施工的非开挖或少开挖的掘进式管道敷设技术，能穿越地面建（构）筑物、山地、铁路、公路、河流和桥梁等，对施工环境和自然气候的适用性强，还能节约征地拆迁费用，减少对道路的堵塞和对自然环境的破坏；顶管技术尤其适用于大中型管径，能有效纠正管子在地下延伸的偏差，不影响管道的段差变形，高效、省时、安全。顶管施工无需全线开挖地面和拆迁房屋建筑、减少破坏地面交通设施和自然环境，受气候和环境的影响小。因此能广泛应用于城市地下排水管网、通讯电缆和天燃气石油管道的铺设，具有重要的经济效益、环境效益和社会效益。

2　顶管技术的技术原理

在对地表不进行大面积挖掘的基础上，在施工地下管线时将障碍物越过。应用原理为：对设备进行利用，将预制管道应用到设计管线中，在开始施工时，管线的一端事先建造一个工作坑（井）。在坑内的顶进轴线后方，布置一组行程较长的主站油缸（简称主油缸）。一般左右成对布置，数量根据管径大小而定。将敷设的管道放在主油缸前面的导轨上，管道的最前端安装工具管。主油缸顶进时，以工具管开路，推着前面的管道穿过坑壁上的穿墙管（孔）把管道压入土中。与此同时，进入工具管的泥土被不断挖掘排出管外。当主油缸达到最大行程后缩回，放入顶铁，主油缸继续顶进。如此不断加入顶铁，管道不断向士中延伸。当坑内导轨上的管道几乎全部顶入土中后，缩回主油缸，吊去全部顶铁。将下一节管段吊下坑，安装在管段的后面，接着继续顶进，如此循环施工，直至顶完全程[1]。

将管道敷设到了地下，这样地下水所产生的压力和其它重物的土压力就会出现在管道上，为了将这两种压力予以平衡，就需要采取泥水平衡、土压平衡和气压平衡等方式进行施工。同时，较长距离管道的敷设受主油缸顶力、管道允许顶力及后背允许顶力的制约，在设计过程中就应该规划布置出中继站。

3　顶管工艺设计

3.1工程实例概况

福州市仓山区内河截污工程——龙津河首山路顶管工程，起自仓山镇政府，向南延伸至南二环，中途与迎安路、万安路、龙津河、双湖路等相交，全长约1500m，目前该道路为现状道路，两侧均为公共建筑和居住建筑，以公共建筑为主。根据污水规划，本工程设计污水管管径为d1000。

3.2顶管设计的要点

（1）管材的选用[2]。适用于顶管工艺的管材有钢管、玻璃纤维增强塑料夹砂管、钢筋混土管及球墨铸铁管等。管材的选用应根据管道用途、管材特性及当地具体情况确定。综合福州当地情况，本次污水顶管管材选用钢筋混土管。

（2）管位的选择与布置。本工程所处道路为现状道路，道路上已有纵多现状市政管线，顶管的位置选择应避开地下障碍物及现状管线，与现状管线水平间距、交叉间距应满足规范要求和最小施工空间的要求。在穿越江河水底时，覆盖层最小厚度不宜小于外径的1.5倍，且不宜小于2.5m，还应满足管道抗浮要求。

（3）顶管土层的选择。顶管适用的土层很广，可在淤泥质粘土、粘土、粉土及砂土中顶进。从本项目地质钻探报告来分析，本工程污水管管位大多位于淤泥中（土壤承载力为55kPa），其力学性质满足顶管施工要求。

（4）顶管距离的选择。按顶管距离长短可分为中短距离（长度≤300m）、长距离（300m<长度<1000m）、超长距离（长度≥1000m）3种，一般在300m左右才采用中继环，顶管距离长短主要是受限于管材的允许顶力、顶进机具的顶力及具体管道布置的影响。考虑本工程污水管道还负责接收道路两侧地块内污水的接驳，本次设计顶管距离设计在130～230m之间，属中短距离顶管。

（5）顶管工作井及接收井的设计。井结构形式可采用钢板桩、沉井、地下连续墙，灌注桩或SMW工法。当顶管埋置较浅、地下水位较低、顶进距离较短时，宜选用钢板桩或SMW工法。在顶管埋置较深、顶管顶力较大的软土地区，宜采用沉井或地下连续墙。当场地狭小且周边建筑需要保护时，宜优先选用地下连续墙。在地下水位较低或无地下水的地区，可选用灌注桩。目前福州地区比较成熟的做法是采用沉井。井大小应按顶管机长度、顶管管节长度及施工空间要求确定[3]。

（6）顶管机的选择。不同性能的土质应采用不同类型的顶管机，地下水位以上的顶管可采用敞开类顶管机，地下水位以下的顶管应采用具有平衡功能类型的顶管机。敞开类顶管机有：机械式顶管机、挤压式顶管机及人工挖掘顶管机；平衡娄顶管机有：土压平衡式顶管机、泥水平衡式顶管机及气压平衡式顶管机。顶管机选择应根据管道穿越土层的物理力学特性、有无地下水、是否存在有毒气体、地下障碍物情况和需要保护的构建筑物等因素，经技术经济比较后确定。本工程管道大多位于淤泥中，顶管施工过程中可选用土压平衡式顶管机或泥水平衡式顶管机[4]。

（7）其他方面的设计。顶管工艺设计涉及的内容还有很多，如管材的接口、有否曲线顶管、管道穿墙止水装置、减阻措施等等，在施工图设计中均需一一设计确定。

4　顶管工艺应用出现的问题与应对措施

4.1地面沉降与隆起

在施工任何一种顶管时，一旦没有合理的进行操作，会使土体在机头前方失去平衡进而引起地面沉降或隆起。如顶进速度过快，取土量过多或过少，管道轴线偏差、管道接口不严密等都会造成地层土体损失而使土体内压力失去平衡[5]。

具体的控制措施：对于推进速度和排土之间的关系上进行严格的控制，对机头前的土压力要进行控制，严格控制顶管轴偏差，严格控制管道接口质量，对于顶管机前的被动土压力也要略小。

4.2轴线偏差

管线偏差过大，会使管道发生弯曲，甚至会造成管节损坏，接口发生渗漏，在纠偏的过程中也会出现地面沉降与隆起。引起轴线偏差的原因：①地层正面阻力不均匀，使工具管受力不均匀而形成偏差；②顶管后背发生位移或不平整，使顶力合力线谝移而造成管线轴线偏差；③顶过设备顶力不同步或顶力相差较大，设备安装不精确也会造成管道轴线偏差。在顶管施工时工具管偏离设计轴线后，要及时利用工具管的纠编机构，改变管端的方向，减少偏差[6]。

具体的控制措施：①在顶进的时候，要将顶进方向认真的控制好，不要大起大落的进行纠编。②采用同种规格的千斤顶，使顶力合力线与管道中心线相重合。③加强顶管后背施工质量的控制，确保后背平整，保证顶进设备的安装精度。

4.3沉井下沉过快

顶管施工沉井下沉过快一般发生在软弱土层，土的抗剪强度小、使顶管沉井下沉速度大于挖土速度。还有一种情况是沉井壁土受水浸泡，外壁与土之间的摩擦力减小，会使沉井下沉过快。沉井外壁降低地下水位措施不当，井内土外水头差过大，致使井外土、砂涌入井内也会使沉井下沉过快。

具体的控制措施：沉井位于软弱土层时，应提前在沉井井筒制作前进行地基加固处理；及排除沉井外壁附近的积水，加强井外壁降低地下水措施，尽量将井内、外水差控制在1.5左右；或在沉井外壁四周填粗糙材料或填土夯实，以加大土层摩阻力。

4.4接口渗漏和管节裂缝

接口渗水的情况主要是管道和密封材料质量不合，管线轴线偏差较大、接口错位，及接口或止水装置选型不当等原因造成的。顶管管节会出现不规则的裂缝和纵向、横向的裂缝，是管节质量不合格、顶进过程中顶力超过管节允许顶力、顶力不均匀等原因造成的[7]。

主要的控制措施：防止有过度纠偏存在于其中，在增加了管口的张角之后，就会按照一定的比例降低其所承受的推力；可以将一定厚度的木垫块垫在企口管承受推力端面上，将管口承受推力的接触面积提升上来。在管节应用之前的检查工作要认真做好，进场之前对管节的强度上一定要进行认真细致的检查；如需要可将中继环安装在其中。

5　结束语

综上所述，进入21世纪，随着社会经济的进一步发展，我国的城市管道工程建设进入了全新的发展阶段，尤其是污水管道建设在数量和质量上都有了较大提升。地下管道纵横交错，线路复杂，加之在建设过程中存在较大的道路交通流量和密集的房屋，会对大尺度开挖施工形成一定限制，顶管工艺不需要对基坑进行开发就能完成一定施工任务，因此在污水管道设计中被逐渐广泛应用，尤其是在我国的一些大城市旧城区。因此，在未来的城市污水管道设计建设中，顶管工艺必将发挥着更加重要的地位和作用，相关单位和技术人员在实践过程中需更加重视对顶管工艺施工技术的改进和完善，使其功能得到更加充分的利用。

[1]卢钢，于丹，姚智文.青岛高新区某污水干管设计探讨[J].城市道桥与防洪，2013（10）：11～12.

[2]潘殿琦，钱伟龙，宗德山.长春市自由大路主下水管道顶管设计与施工[J].长春工程学院学报（自然科学版），2011（04）：33～34.

[3]李凤高，薛有良，李宝春.组合排桩技术在顶管工作井工程中的应用[J].科技与企业，2012（10）：01～02.

[4]王忠和.论建筑工程中顶管施工的技术问题与解决措施[J].现代装饰（理论），2012（04）：11～12.

[5]黄竞辉.对某市政污水管道工程顶管施工技术的探讨[J].工程管理，2011（08）：10～11.

[6]马奋涛，汪润青.市政给排水工程中的顶管施工技术[J].科技创新导报，2009（21）：23～24.

[7]霍国友，谢力.顶管技术在市政截污管道施工中的实践经验[J].中国给水排水，2009（06）：03～04.

TU992.23

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1673-0038（2015）13-0001-02

2015-3-10