试谈顶管施工技术在水利工程中的应用

路平 孙桂芳

1.青州市仁河水库运行维护中心 山东青州 262500

2.青州市水利建筑总公司 山东青州 262500

顶管施工技术是一种始于19 世纪末的表土层地下工程的非开挖施工技术，具有很多其他开挖技术所不具备的优点，能穿越地面建筑物、道路、河流以及位于地表以下的各种管线等，对地面的扰动小。顶管施工一般包括工作井、推进系统、注浆系统、定位纠偏系统以及辅助系统等，采用液压千斤顶或具有顶进、牵引功能的设备，以顶管工作井作为承压壁，将管子按设计高程、方位、坡度逐根顶入土层直至到达目的地。

1 施工前中期的测量准备工作

在水利工程中应用顶管施工技术时，必须重视导向问题。一般来说，顶管的距离越长、口径越大、导向工作的困难性就会越高。在施工前期，应该工作管道的顶进方向，一旦出现偏差，将会严重影响施工质量。具体流程如下：首先，在靠近建筑体后墙的平面位置进行详细计算后，设置顶管工作坑。如果水利工程规模较小、施工距离较短，可以采用样线法，将初始位置、终端位置的线路相连，确认顶级管道的“行驶”轴线后，执行打桩定向作业。如果顶进距离较长，可以在经纬仪等辅助工具的作用下，确定轴线。其次，将敷设工作坑平面的导轨作为顶进管道的基准。为了保证后续作业的精准程度，进行导轨安装作业时必须反复确认，直至满足“牢固”、“水平”等要求，同时还应注意导轨的中心线与顶管的轴线“完美重合”。最后，以第一根正确顶进的管道作为起点，通过吊装的方式，将之放置于导轨之上。此时可以启动油泵，正是开始顶进作业[1]。在此过程中，必须时刻注意中心线与轴线的重合情况，一旦出现偏离必须即刻调整。水利工程周边环境较为复杂，地下土层很容易出现各种突发情况，因此在顶进过程中，必须采用良好的检测方式，使管道按照预定线路前行。达到一定的行进距离后（以1m 作为分隔），进行降准测量，务必保证行进方向不会出现任何偏离。

2 顶管工作坑的设置方式

顶管工作坑作为顶管施工技术的核心操作场所，必须维持安全、稳固的工作状态。如前文所述，水利工程周边的土层环境不可控性较大，工作坑的大小、应用的支护设备等需要经过精确计算。一般来说，工作坑的实际尺寸与顶管的各项参数息息相关。

（1）进行平面参数确认时，应该按照下列公式进行计算：工作坑宽度=顶管外径（m）+2×套管两侧操作宽度（1．5m）+2工作坑两侧支撑板装厚度（0．25m）工作坑长度=单一顶管长度（m）+油缸长度（m）+后靠墙厚度（0．5m）+顶管外留的焊接长度（0．5m）+引出土环长度（m）+顶头等特殊工具管长度（m）

（2）进行断面位置确认时，应该按照以下公式进行计算：断面位置务必与水平方向保持垂直状态，在此基础上，开发深度=地坪至顶管顶部的深度距离（m）+平铺槽钢的深度距离（0．25m）+混凝土基础厚度（0．35m）+顶管的截面直径（外径，m）

（3）进行后靠墙确认时，应该充分考虑顶管的深度，否则在巨大的反作用力下，容易对水利工程的地下建筑结构造成冲击。此外，墙面必须保持90°的垂直状态。

（4）布置操作面。首先，使用混凝土，在工作坑的地步浇灌厚度在30cm 以上的土层。其次，在土层上方铺设两层以上的槽钢，同时还应注意对水平面的矫正。再次，沿着顶进轴线设置一组导轨（一般来说，导轨之间的距离应该在顶管外口径的60%～70%之间）。之后，选用一组或两组油缸（双数），将之放置在升降调节架上，并执行固定作业。最后，在顶坑的前端预留1m 左右的工作坑，用来焊接导管。

3 降低顶进过程摩擦阻力影响的有效方式

执行顶进作业时，地下土层与顶管外表面必然产生较大的摩擦阻力。随着顶进距离的提升，导管的长度、质量均会增加，故而作业时间越长，产生的阻力越大。为了提升顶进作业效率，需要通过合理方式降低摩擦阻力的影响。常见的方法为：①在工具管中接入水管，采用环喷等方式，是水均匀覆盖在顶管外表面。当水分深入到土层后，土层的坚硬程度必然降低，从而起到降低摩擦阻力的作用。此种方式仅适用于短距离作业，一旦距离加大，效果将会显著降低。②执行长距离顶进作业时，可以使用出边润滑剂，从顶管的外壁压入，接触泥浆之后，能够极大地降低摩擦阻力。触变式泥浆润滑剂的配置方法如下：以质量计，水、石碱、膨润土的比例应该大致满足4：1：1，此比例无需严格控制，只要大致满足即可。根据顶管施工实际案例的相关数据可知，受水分影响而形成的泥浆，阻力如果达到30N/m2，添加泥浆润滑剂之后，摩擦力的下降幅度接近70%。③在顶进管道中以串联的方式安装一定数量的接力环。此举的目的在于将长顶管分为多个接力环段，在其周围布置油缸。当接力环上的油缸启动时，处于后置未知的顶管能够切到支撑底座的作用，从而使顶管先前推进[2]。

4 水利工程中应用顶管施工技术的主要作业流程

上述四点主要介绍了顶管施工的各项要素，再具体作业时，应该严格执行如下流程：（1）预先检查油泵、油缸、液压系统、供电系统等是否处于正常工作状态。特别是供电系统，容易受到水利工程周边湿润环境的影响，必须仔细检查。（2）操作顶管时必须循序渐进，不可操之过急。（3）顶进过程中必须时刻注意油缸活塞杆的行程，按照预先设计方案，行程数设定在1m 左右。如果油泵压力表中的相关数值出现异常浮动，则必须即可暂停作业，待查明原因后，方可继续。（4）务必及时清理土方，保持“顶进-清土-顶进-清土”循环进行。如果出现“闷顶”状况，将会严重影响顶进质量（若工程规模较小，顶管外口径在300cm 以下，则可以根据实际作业环境进行闷顶）。（5）顶管施工应该连续进行。一旦施工间隔超过一定期限，土层坚硬程度必然提升，导致阻力大幅度增加[3]。

5 结语

在水利等工程施工中，“非开挖”的设想虽然早已出现，但得以实现并受到广泛应用的时间较短。其主要作用为纠正管道在地下延伸的偏差。很多大中型管径的开挖施工“动静”极大，稍有不慎即会对周边环境造成破坏，故而具有“不开挖地面、不拆迁、不破坏工程主体建筑物、不影响管道段差变形”的顶管施工技术能够从经济性、环保性等方面，为诸多工程项目提供更加合理的解决方案。