市政排水工程顶管施工技术的应用与展望

(上海市青浦区排水管理所，上海 201700)

市政排水工程顶管施工技术的应用与展望

沈向荣

(上海市青浦区排水管理所，上海 201700)

本文着重介绍了城市小管径雨污管网(DN<600mm)螺旋顶管施工技术，该技术可应用于城市交通路面改造或新建排水管网施工，有利于降低施工对环境、交通及周边建筑基础的不良影响。

排水管网；顶管；施工技术

1 小管径顶管施工技术发展历程

20世纪70年代末，排水工程的非开挖施工技术就已经开始作为新兴产业，在发达国家不断兴起逐渐形成规模[4]。1986年，国际性的排水施工行业协会——国际非开挖技术协会正式成立，目的是不断推进该项技术的提升和发展，增强同行之间的技术交流，最终得以扩大其实际使用范围。

非开挖施工技术主要是指通过最少的开挖量或者在不开挖的条件下铺设各种排水地下管线的施工新技术，被联合国环保署认定是利于环境的、新的施工技术[5-6]。这项技术实际上是对传统的城市排水地下管道的开挖、铺设、更换及修复工程的一场彻底的革命。其技术特征和优势非常明显，对周边环境和区域的城镇交通的危害和影响最小，因其效率高和成本低等绝对优势，逐渐获得欧美等发达国家的大力提倡和重视，取得了很好的社会和经济效益。如1994年美国在财政年度批准的七年期“先进的搁进和钻探技术国家计划”，就把这项技术列入建筑业以及城市基础设施发展规划中，以加强美国在此领域中的市场竞争优势和技术领先[7]。

在国外，虽然非开挖施工技术已有近百年历史，但是20世纪80年代才开始大规模的应用，先从几个发达国家推向世界各国。由于欧洲城市建设历史悠久，城市地下管网的损坏和腐蚀严重，其非开挖管道修复和更换技术应用最早、最广[8]。在日本和德国，最先研发小口径的顶管施工(微型隧道)技术来满足污水管网施工的需求。在通信电缆和油气管道施工的推动下，美国水平定向(导向)钻进技术取得了迅速的发展[9]。粗略统计，目前发达国家的非开挖设备材料供应商和制造商多达400多家，共有百余种非开挖施工方法[10]。在国内由于近年电缆施工和城市管网施工增多，水平定向(导向)钻和大口径顶管快速兴起，并已发展得较为完善。国内由于近几年城市水环境治理工程逐渐被重视并大面积上马，城市雨污管道小口径非开挖顶管技术急需推广，但在国内该技术尚不成熟[11]。

目前，国内工程项目铺设直径φ300～600mm管道通常的施工方法：有PVC等塑料管路通过水平定向钻铺设；钢性或半钢性(如水泥管、钢管、玻璃钢管等)管路通过开挖施工来实现。小管径非开挖技术的一体化系统研发是对原有非开挖设备技术的进一步集成、提高和完善，使非开挖地下管道铺设施工更加快捷，施工周期更短，成本更低，该系统市场前景非常乐观[12]。

2 螺旋顶管施工技术介绍

螺旋顶管机具有发动机动力强劲、节能环保、性能可靠、操作简单等优点，施工过程中容易保持水平直线度，施工效率高。该技术基坑设备重量轻、推力大、体积小，对操作者的技能要求不高，降低了施工成本、提高了工作效率。可以按照不同地层配备机头，施工性能最优化。普通机头适合粉砂、流沙、黏土、硬土地质的施工；带切削功能机头适合全风化岩地质的施工，适应性广泛。

2.1 螺旋顶管机组成

螺旋顶管机作为非开挖一体化设备，主要由主机、主顶装置、机头、导向钻头及钻杆、螺旋排泥管、导向系统等组成。

主机：负责给主顶装置和机头提供动力，同时具有起吊及注浆功能；采用大功率发动机驱动，为掘进机头、主顶装置(导向系统和主顶油缸)提供顶进动力，无需拉扯市政动力电及配备单独泵站即可满足施工的所有动力要求。该部套核心部分主要包含几点：PLC逻辑控制系统(通过合理的逻辑编程实现设备更智能及一体化控制)、液压驱动系统(对设备包含的起重部分、顶进装置提供动力)、履带底盘行走部分(各部分支撑基础部件并配合橡胶履带可以方便施工现场移动及城市施工场地转移)。

主顶装置：用于实现各工艺管及铺设管道顶进和钻杆旋转，实现精准定位及排土功能。

机头：在顶管扩孔过程中切削土壤；该部分通过马达驱动减速机带动前方螺旋叶片来实现顶进过程的排土，保证后方管材的持续顶进。

导向钻头及钻杆：用于前期导向孔开孔作业。其中包含先导管φ82.5mm工作长度750mm、钢制顶进管φ114mm工作长度750mm、BM400-S先导82.5mm的附加设备(包含驱动接头、先导头)；双壁先导的附加设备，包含双壁先导头φ130mm、推拉环、双钢制顶进管工作长度710mm、双钢制顶进管工作长度780mm、带套管夹的推进板、双壁先导的工具设备；用于连接水和膨润土至延长的钢制顶进管φ114mm。

螺旋排泥管：运送顶管扩孔过程中切割下来的泥土。该部分在排土方式上有两种选择，一种是向工作井排土，另一种是向接收井排土，其中前导向系统适用于坚硬土质。两种方式各有优缺点，需要根据施工地质报告中土质条件及水文条件选取。

导向系统：用于导向作业时确定顶进轨迹。该测量单元包括莱卡经纬仪、远程控制的摄像机(用于聚焦和视觉切换的专用缩放)、天顶眼和望远镜、10寸显示器、12V视频输入/输出、水平滑轨板、高度调整架、带充电装置的LED标靶、经纬仪分体安装架、监视器墙壁架、运输存储箱、监视器延长线。

2.2 螺旋顶管机导向技术

由于不少国内类似设备采用的是无线导向仪，在实际应用过程中，该导向系统无法做到精确定位，只能用于水平定向钻这类不要求高精度定位的设备。因此，考虑采用莱卡经纬仪导向系统，其特点是精度高，主要用在精密工程测量的领域。其设备较为省电，超大屏幕可以用四节AA碱性电池让仪器持续工作80多个小时，全中文设计数据读取更加方便，操作容易上手，内建的标准时钟可以随着数据同步输出时间样式，增加复测以保证精准度，降低数据记录量。设计断电数据保存，操作安全。该导向系统在直线非开挖管道顶进导向上起的作用远优于无线导向仪。现场操控人员经过训练后，可以实现高精度导向作业。可以有效避免无线导向仪反复导向却仍然有大幅度偏差而需要反复顶进的问题。一套好的导向系统，在城市施工过程中，既有效减少施工时间，又减轻非开挖施工对交通的影响。

2.3 螺旋顶管机的控制系统技术

顶管设备的核心部分是控制系统，它是评价设备好坏的重要指标，设备间自动化程度的差别在这里得以体现。中国设备操作和控制的自动化程度不高，计算机控制没有得到运用，而是直接运用传统继电器控制，需要很多的人力辅助。控制台只是由一些按钮和旋钮组成，结果显示不够精准。没有运用计算机操控，各个时间段的参数不能自动保存，只能人工记录。

非开挖一体化设备充分运用目前先进的计算机控制方法和传感检测方法，是机电一体化产品。非开挖一体化设备的操控系统大部分在控制室中，是计算机控制系统。其主计算机运用工业控制的计算机，操作系统运用的是WINDOWS系统，输入、输出单元运用PLC模块。系统运行过程运用组态软件在显示器上显示，整个流程和各项重要参数都一目了然。顶管设备在机器各主体部件处都安装传感检测装置，把各地方的信号，如流量、温度、阀门开度、转速、压力等，通过PLC传送到电脑主机上，在显示器上以数字或者图形的形式显现出来，能清楚了解到各个参数的具体数值和开关状况。操作人员经过操控控制台上的每个按钮和旋钮，将控制信号写入主机，再通过PLC控制每个继电器的通断和阀门的开度大小等，驱动各执行部件，并经过实况反馈过来的信息，实现精准控制。运用计算机操控，能够自动记录采样每时刻的各参数值，并储存到计算机上，方便查找证据。

2.4 螺旋顶管技术对基坑的要求

基坑导轨是用两根平行箱体钢结构焊接到轨枕上制成的，主要有两个作用：一是推进管在工作坑中有一个稳固的导向，并且推进管可以沿该导向进入土中；二是让弧形、环形顶铁工作时能有一个稳定的托架。

后座墙是使主顶油缸推力的反力传达到工作坑后面土体中的墙体。因为主顶油缸比较细，相当于后座墙混凝土结构的几个点，若把主顶油缸直接安放在座墙上，后座墙非常容易遭到损坏。为杜绝这种现象发生，在主顶油缸和后座墙之间置入一块200～300mm厚的钢结构件，称为后靠背。通过它将油缸的反力较均匀地传递到后座墙上。这样后座墙不容易遭到损坏。

3 结论与展望

螺旋顶管施工系统主要由主机、机头、主顶装置、导向钻头及钻杆、螺旋排泥管、导向系统、控制系统等几部分构成。该技术应用在市政小管径雨污管网具有施工周期短、施工精度高、操作智能化、施工成本低等诸多优势。

非开挖施工技术的运用降低了其对环境、交通及周边建筑基础的不良影响和损坏。自政府提出生态文明建设以来，城市对施工作业要求愈来愈严，传统的开挖施工已经很难适应生态文明城市的发展理念，特别是近几年出现的小管径螺旋顶管施工技术，将大量运用于未来的市政排水工程中。

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Applicationandprospectoftechnologyformunicipaldrainagepipejackingprojectconstruction

SHEN Xiangrong

(ShanghaiQingpuDistrictDrainageManagementInstitute,Shanghai201700,China)

In the paper, spiral pipe jacking construction technology of urban small pipe diameter sewage pipe network (DN<600mm) is mainly introduced. This new construction technique can be applied to the urban traffic road surface modification or new drainage pipe network construction, which is beneficial for reducing the negative urban environment, traffic and surrounding building foundation.

drainage network; pipe jacking; construction technology

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.011.012

TV554

B

1005-4774(2017)011-0051-04