非开挖顶管施工技术在市政工程中的应用

高玉起 卢 冰 张 帅

(中建八局第二建设有限公司， 山东 济南 250014)

0 引言

近年来，我国城市化进程飞速加快，市政基础工程的建设也突飞猛进，一派繁荣。在市政基础工程中，城市内部给排水工程作为人们日常生产生活的保障，其施工质量备受人们广泛关注与重视。在市政排水工作中，非开挖顶管技术非常适宜不需开挖、不宜开发等处地下管道的敷设。该技术在工作坑中安装相应的顶管装置，继而将管道安装到土质结构中，能有效避免周边土质对管道产生影响，同时也减少了开挖敷设项目及其带来的不便和环境影响。

1 非开挖技术的优势、工艺和特点

1.1 非开挖技术的优势

在上世纪末期，美国就已经对非开挖顶管技术进行研究，同时，将其应用于建筑行业、城市公共基础建设，目的是为了增强美国建筑行业在国际市场上的竞争力以及技术水平[1]。为了更好的应用该类技术，美国的诸多高校开设相关课程，一方面培养专业技能型人才，一方面开展深入研究。此项技术进入我国较晚，但是由于该项技术的优势较为明显，在当前已被广泛引入实际建设中。

此技术在实施时，能够有效减少与地下其他燃气、排水、电力等公共设施管道的重叠与冲撞，在通信工程、电力工程管道安装等方面的应用获得了专业人员的一致认可。在施工的过程中，对于周边居民的影响较小，不会产生噪声污染，同时减少施工过程阻拦交通运输情况发生，地下作业也能避免出现扬尘现象[2]。

1.2 非开挖技术的工艺

目前，非开挖顶管施工技术在我国应用时间较短，但其应用广泛，不仅经济效益显著，而且对周边环境及居民的影响很小。该技术的工艺可简化为四个环节：（1）在管道的一段将工作井挖掘并固定；（2）在其中安装顶进设备；（3）在管道顶进的过程中，共同推进顶进与挖土工作；（4）使管道逐节顶入到土层之中，直到完成设计的总体长度为止。

1.3 非开挖技术的特点

1.3.1 安全、高效、造价低

随着我国城市改造项目的逐步推进，老城区改造政策的提出与实行，在基础公共设施建设中，如果利用常规的施工手段，不利于城市的交通、通讯等运行，且工程量相对较大，对于施工的成本也相应增加[3]。为了减少开挖带来的影响，非开挖顶管技术有效应用到实际的建设中。此种技术具有高效、安全及造价低等特点，且施工人员的要求相对较低，实施困难程度较小。

1.3.2 对周围环境的影响较小

在城市的建设环境中，在商业较为繁华或者一些居住人群密集的区域，建筑物的分布也较为密集，地下铺设的管道与线路众多[4]。采用常规的施工办法，施工难度也会相应地提升，此种施工手段，能够合理地选择管道线路，及时避开其他管道的冲突，减少各线路之间的干扰，降低对原有公共基础建设的破坏[5]。

1.3.3 不受恶劣气候等因素影响

在绝大部分工程进行施工中，能否顺利进行施工与天气状况息息相关，一旦出现雷雨天气，整个施工现场不能正常施工，造成经济损失，施工周期滞后，施工成本费增加[6]。但是顶管施工技术的实施主要是在地下，施工环境较为闭塞，不会受到环境的影响，更多的是对设备的依赖，而人员、气候的因素影响可以忽略。表1为顶进管道相较于其他施工办法的比较数据，可以看出顶管施工技术的精度是其中最高的，也是与给排水管道最契合的，适用管径可以控制在350mm～4000mm之间，虽然施工时间较长，但是能够解决一些其他技术不能解决的问题（见表1）。

表1 顶管与其他施工办法的比较

2 施工中应注意的问题

2.1 施工条件

虽然非开挖顶管技术在对于与土质层敷设重力流的排水管道和大口径管道是目前最节省成本的方法，但与其他方式相比较也在一定程度上存在局限性，尤其是在土层厚度比较深，土质均匀，并且主要为软塑、流塑粘性土、其迎面阻力过大等情况，尤其是在土质情况较为特殊的环境中，该种施工技术受到环境制约。

2.2 补救措施方面

针对在非开挖顶管技术的局限性，可以通过采用封闭式顶管和高强度承插式管材来解决，但这会增加一部分工程费用。现在在软土地区，封闭式顶管已经获得了大家的认可，得到了广泛的应用，成为非开挖顶管工艺的补充和发展。如在某工程中，采用泥水平衡顶管施工工艺，应用注浆减阻技术，加设中继间等辅助措施，降低了管线顶力，极大地增加了每次顶进的距离，减少了工作井和接收井的数量，达成了成本控制的目标，同时采用了“F”型钢承插口管材，由于接口形式更加合理、适应性强，增加了在砂层中使用的可靠性。

3 工程实例

3.1 工程概况

在对某项目研究的过程中，专业技术人员发现，该项目的地理位置较为复杂，施工区域周边的居民建筑较多，安装管线与建筑的距离只有10m左右，施工现场没有顶管需要的放坡系数，顶管总长度为514m，根据施工中顶管直径840mm，内部直径为700mm，一段关节的长度为24m。在具体施工中，最大受重能力不可超出140t。在进行衬砌接缝施工环节中，防水所应用的材料一般会采用橡胶制品。

3.2 顶管器材的选择与应用

在选择顶管施工器械的过程中，使用了多刀盘土压平衡顶管机。此种顶管机的刀盘一般为4个平均分布在顶管设施的断面上，切面的长度一般为断面的3/5。虽然此种顶管机没有大刀盘土压平衡顶管设备切削搅拌的能力，但能够在土质硬度相对较低的地层作业。在该项目实施过程中，为了防止顶管设备的机头出现失控导致出线走低问题出现，采用多刀盘顶管设备进行管道安装。

3.3 顶进中进出洞施工

出洞顶进在顶管施工中是最基础的作业环节，继挖掘工作坑之后，就开始实施。为了保证出洞顶进工作顺利进行，防止在工作井施工中出现塌方问题[9],在出洞前务必将钢板装订于砖封门之前。在钢板桩达到工作井底板的深度后结束。在管道出洞的同时进行砖封门的拆除，设置钢封门能够减少土体涌入。在顶管机与钢封门到达一定的距离后，此时洞口安装的止水圈开始对出现的水汽进行隔离。为了减少顶管机在拔除中对周边环境产生的影响，减少空隙问题出现，在拔出的同时顶进需要同步进行，不可出现短暂的间隙，影响施工质量。

3.4 长距离顶进作业以及之后的作业

在顶管技术的应用中，除了基础的顶管工作，还有关键部分的顶力控制工作、注浆减阻工作、中继间辅助工作。顶力控制工作在方向调整方面有着控制作用；注浆减阻能够有效减少建设中出现缝隙的问题；在填缝的过程中，混凝土的稳定性决定缝隙填充的质量，其在此环节面对不同的环境都有一定的抵御能力。纠偏是此环节的重点，顶管作业中施工人员须时刻关注受力是否均匀。

3.4.1 长距离顶进施工措施

项目施工中，专业技术人员需要在机头旋转以及前进方向上进行纠偏，以保障机头的行动轨迹在正常的轴线上，可以说核心问题就是对顶力的控制能力，此项工作是顶管施工技术中必不可少的。顶进作业是否顺利与行动轨迹是否出现偏移息息相关。在出现偏移的情况时，只能通过调整力矩的形式使其回到正确的轨道上。在纠偏工作中，施加的力矩使其方向不断变化，相当于附加了一个压力，从而使阻力随之增加。此附加阻力，在相关数据上没有反映，但是需要实际的工作人员根据自身的经验实施。

3.4.2 注浆减阻

压浆手段是缝隙填充中主要应用的技术。在进行管道拼接的过程中，注浆技术的应用对注浆孔相关零件进行固定，浆液不断被挤压涌出，可在混凝土管节外壁以钢套环形成混凝土外壳，进而被挤出，减少摩擦力。

（1）根据图纸情况对压浆混合材料进行调配，保证其稳定性的同时，满足其不同的需要。

（2）科学选定注浆孔。本次施工中，专业技术人员选择采用在混凝土管节雄头处设计孔洞，间隔7.2m，角度120°，顶管机后连续三节都持续注浆。

（3）选择合理的注浆工艺，根据压浆操作的技术规范施工流程，保障施工质量。使顶进过程中形成的建筑间隙能够被泥浆填补成为泥浆套，泵送出口压力需尽可能控制在1-1.25×105Pa。

（4）压浆孔的位置固定在管节一测后，施工人员在管节拼接的过程中，注浆孔被前一节的钢环完全遮挡，压出的浆液首先会在钢环套与混凝土之间形成浆套，这样浆套也就比较容易形成，降低摩擦力的效果也逐渐被凸显出来、

3.4.3 中继间

在施工中，施工人员可以根据施工环境进行判断，确定是否需要中继间辅助的工作。在此环节的施工中，其重点是对实际操作与顶力进行研究。在该项目施工中，其第一个中继间放在了施工总体长度的1/2处位置，由于其的减阻效果较好，能够高效地对走线进行控制。在应用中，第一中继间的设置简化了顶进流程，在最大程度上提升了顶进的效率。

3.4.4 深基坑支护措施

在施工中，施工人员需要对实际的基坑高度做到心中有数，经测量后发现该基坑工作井的深度为7.2m，且实际的施工环境不佳，位置处于两座居民楼之间，距离较短，工作难度大。工作坑一旦开挖，建筑周边的土壤将会受到影响，居民楼可能下沉，稳定性可能降低，为保证该区域内建筑及基坑的安全，促使高质量完成管道敷设工作，项目中主要应用了两种支护技术，分别为钢板桩技术与深层搅拌桩技术。

4 工程要点

在本次市政排水施工中，钻孔技术的选择为定向钻孔，排水管道的深度选择为4.5m处。为保障工程的正常进行，所有环节的工种都需要在该岗位上认真负责。在安装的环节中，施工人员要对实际施工图中的位置进行测量，包括管道的中心位置，继而进行导向孔作业。利用相关设备进行轨迹探测施工。导向仪在此环节中有着重要的作用，最后实施扩孔与回拖。在达到指定位置时，将钻头扩大，完成扩孔。孔中的管子始终保持悬浮状态，孔洞中适当增加水流量和泵压。施工人员需时刻观察现场出土的状态，保障拉力正常。

5 结束语

非开挖顶管施工技术已被广泛应用于市政工程建设中，顶管作业的低成本、工期的有效控制，都是很明显的优势，在实际建设上获得了较大的效益。在实践过程中，在实施环节利用注浆技术对产生的阻力进行调节，利用轴线对方向进行控制，快速顶进技术的实施减少塌方的可能性。在作业中，专业施工人员可以对建筑与实际施工管道的方位进行确定。若距离不在可控制范围内，采用支护技术进行防护，减少对建筑周边环境以及地下其他的管道线路的影响。