市政给排水施工中的长距离顶管施工技术探究

范江涛 山西汇建工程项目管理有限公司

1 前言

市政给排水工程是城市基础设施建设工程的一部分，其关乎城市建设发展及人们的生活质量，对工程有着较高水平的要求。以往给排水施工为开挖施工，施工周期长，需占用大量城市资源。随着顶管施工技术的发展运用，实现了暗挖法施工，节约土地资源的同时也不会对城市交通产生影响。因此本文就长距离顶管施工技术运用展开论述具有重要意义。

2 工程概况

案例工程位于山西省某市，市内某新建道路全长为1255m，道路等级为城市次干道，道路红线24m。依据某市城市道路规划以及道路周边地形，计划将该道路东侧的污水管接入道路西侧的污水管中。原污水管道管径为DN1000，管道材料为Ⅲ级混凝土管，经各参建方共同研讨，为避免对城市运行产生影响，决定在W9−W15段实施顶管施工工艺，顶管施工部分工程参数见表1。

表1 顶管施工参数

此次顶管施工过程中共计设置3座钢筋混凝土结构的工作井，其直径为3.70m，井壁厚度为55cm~65cm，混凝土强度C30；共计设置4座钢筋混凝土结构接收井，其直径为2.00m，井壁厚度为35cm~45cm，混凝土等级C30。

顶管施工采取泥水平衡顶管掘进机器施工，综合分析新建道路的地质勘查报告，顶管施工区域地下水及地层结构不会对钢筋混凝土等施工材料产生较大的腐蚀性。

3 长距离顶管施工技术在市政给排水施工中的应用

3.1 施工前准备工作

3.1.1 施工技术准备

施工前组织施工人员熟悉图纸，使其明确工程施工规范和施工质量要求。对所有参建施工人员开展全面的技术交底和安全交底。

3.1.2 施工现场准备

施工现场准备工作包括以下几点：①以施工平面图为依据设置测量点及测量控制网。②分析案例工程现场情况，没有能够作为出入施工现场的道路，为便于材料，设备与运输，将红线范围内道路作为施工便道，对道路表面清理后，分层填筑碎石土进行碾压，以满足道路运输要求。③明确施工现场水利电力供给方案，现场用水与当地供水部门沟通使用规格为Φ100mm的管道引入施工现场。同时在现场架设120kW变压器，根据施工线路对供电线路进行架空布设，在各施工段完善电力接口[1]。为避免出现突发停电，在施工现场备用两台10kW发电机。④现场临时设施准备。受到施工现场面积小等限制，无法临时建设项目部和员工宿舍，因此在施工现场附近租赁房屋解决临时设施问题。

3.2 顶管工作井施工

3.2.1 土方开挖

在土方开挖之前，现场测量人员依据施工图纸测放桩位，确保校验无误后，开始土方开挖工作。先使用机械设备进行挖掘，挖至一定深度后安排施工人员开展人工开挖。对于软土层使用铁锹等设备进行挖土，遇较硬岩石层后则使用压空机等工具挖掘，由中间向周边进行挖土。开挖过程中，对挖方尺寸及土质情况实施动态监测，若发现和地质勘查情况不符，则及时反馈[2]。依据桩心十字吊线，检查孔径及孔中心位置。为保证桩的垂直度，施工时每灌注三节井壁，则须对桩的垂直度和中心位置进行一次校验。

3.2.2 支设井壁模板

此次施工中模板材料为特定的钢模板，根据井壁内径对模板进行分块拼装。支设前，在模板内壁均匀涂抹脱模剂，利用U型卡扣做好固定，沿着模板底部使用短钢筋做好加固。为便于拆模，在拼装时预留一道接缝夹入一根规格为Φ48mm的钢管。同时在每节井壁预留规格为Φ100mm的泄水孔，设置坡度为5%，便于排水。

3.2.3 浇筑井壁混凝土

本次施工井壁混凝土强度为C30，每节护壁上部厚度与下部厚度分别为65cm和55cm，使用吊桶运送混凝土并将圆形防护板作为布料台。浇筑时为避免模板出现侧移，做到对称浇筑，分层振捣密实。为消除两层混凝土间的接缝，振捣棒插入下层混凝土至少5cm，且振捣工序遵循快插慢拔原则，科学做到不漏振、不过振。第一节井壁模板拆除后，在其上方作出中心线及标高[3]。

3.2.4 模板拆除

井壁混凝土终凝8h后，对其强度进行检验，确保强度在1MPa以上，实施模板拆除工序。拆模时，先拆掉钢管再对模板进行撬动。完成拆模工序后，修整变形的模板，并对其表面彻底清理。

3.2.5 排水施工

为避免地表雨水对基坑形成冲刷，提高塌方安全隐患。开挖基坑前在其四周设置排水明沟和集水井，经沉淀处理后将地表水引向排水管道。为避免积水对井底侵蚀浸泡，在井底位置设置积水坑，及时将积水抽除。

3.2.6 工作井井底施工

根据设计标准完成井壁施工后，彻底清理井底松散的土质，分别向工作井和接收井浇筑强度为C30的混凝土，浇筑高度分别为1.3m和0.9m，完成坑底封底施工。

3.3 后背墙施工及顶力计算

在顶管施工工作坑内，后背墙结构承受且传递着全部顶力，因此对其刚度、强度及稳定性有着较高的要求，图1为后背墙示意图，其内部配置Φ14mm@120mm双向钢筋，混凝土强度等级为C30，待混凝土强度在75%以上后方可顶进施工。

本次施工依据CECS 246:2008《给水排水工程顶管技术规程》和施工图纸平面图，选择顶距和埋深最大的W12−W14段，对顶力的理论值进行计算，公式如下[4]：

式中：F0——总顶进阻力（kN）；

D1——管道外径（m）；

L——管道设计顶进长度（m）；

fk——采用触变泥浆管外壁平均摩阻力（kN/m2），取值8kN/m2；

NF——顶管迎面阻力（kN）。

其中顶管迎面阻力NF由下列公式进行计算：

式中：Dg——机头外径（1.22m）；

γs——土的重度，19.8kN/m³；

Hs——地面至掘进机中心的厚度，以W13井处为例8.28m。

此次施工设计文件中要求，考虑到后背墙能够承受的被动土压力最大值及管道的承受能力，施工过程中DN1000的管径顶进力应在2800kN以下。经上述计算，总顶进阻力为1669kN，1669kN×1.6＜2800kN。因此，此次施工的后背墙所提供的支撑力满足施工要求。

3.4 设备安装及调试

3.4.1 起重设备

现场设备安装过程中，所有构件、设备均使用汽车吊进行安装。井内的调运工作也由汽车调完成，例如：顶进设备的安装和拆卸、顶管材料的吊放、顶铁材料垂直运输等。

3.4.2 后背安装

在安装后背前，确保后背壁平整且垂直于管道顶进方向。利用强度为C30混凝土和厚度为2cm的钢板作为顶管的后背。案例工程后背墙的长度，厚度和宽度分别为2.4m，0.6m和3.4m。在后背墙前方放置规格为2m×2m的钢板和立铁，立铁前方横向叠放规格为15cm×40cm的横铁。

3.4.3 导轨安装

在工作井底板混凝土位置设置枕木，其宽度，厚度和埋深分别为22cm，16cm和13cm，对于埋入混凝土面的枕木进行包油毡处理。工作井浇筑工作完成后，对导轨进行安装。此次施工中所用导轨为12#，使用铁路道钉对导轨两侧进行固定施工。两导轨中距由下列公式计算[5]：

式中：A0——两导轨的中距；

A——两导轨上的净距；

a——导轨的上部宽度，采用起重机钢轨QU100，a取值100mm；

D——管外径，D1000管外径为1200mm；

h——导轨高度，采用起重机钢轨QU100，h取值150mm；

e——管外底距枕木的距离，取35mm。

3.4.4 千斤顶、油泵安装

此次施工顶进设备为油压千斤顶，参数为400t，L为700mm。依据顶力计算结果，安装两台千斤顶并和管道中心线对称布置。在千斤顶附近设置油泵，确保油管顺直，减少转角。是千斤顶和油泵相匹配，同时设置备用油泵，做到一用一备。完成油泵安装后，对其进行试运转，设备运转无误后方可进行顶进施工。在顶进施工初期，缓慢进行，接触部位严密贴合后，调整至正常的顶进速度进行顶进。施工过程中，一旦出现油压异常增高，随即及时停止顶进，查找原因并处理后继续顶进施工。

3.5 顶进施工

利用起重设备吊装管节后将第一节管作为工具管放置在导轨上，测量管中心及管底高程，确保二者一致后开展本次顶进施工工作。经现场检查，各管节拼装完毕后，先进行试顶进，所有机械设备均能够正常运转，随后进行正常顶进工作。在此次顶进过程中完全借助于千斤顶提供推力。在顶进过程中，土体被机头的刀盘切削后，切掉的土体进入泥土仓中，通过刀盘的搅拌与进浆管输送的清泥浆混合为浓泥浆，再经过排泥管道将泥浆排出。随着管道逐步顶进，直至到达接收井，完成案例工程管道顶进施工。

3.6 泥浆减阻

泥浆减阻在顶进施工中具有重要意义，使用泥浆发挥润滑保护的作用，减少管道和地层之间的阻力。本次施工中顶管施工长度为326m，为实现顶进过程的稳定注浆，每隔一段距离增设压8浆泵，加大注浆压力。注浆时严格把控注浆压力、注浆量以及泥浆黏度，实现管道外壁均匀注入泥浆。施工过程中遵循顶进和注浆同步的原则，随顶进随注浆，先注浆后顶进。在施工过程中，由于不可避免因素需暂停注浆，采取先停止顶进再停止注浆，保证了注浆工序的连续性。

3.7 顶进纠偏

为保证顶进施工精准，施工过程中严密监测管道轴线，以保证其和设计轴线间无误差。结合既往工作经验，导致顶管施工管线偏移的原因可总结为以下几点。（1）地下土层结构不均匀，致使顶进过程中阻力不稳定，顶进管路受力不均匀。（2）顶进工具原因，顶进工具存在压力差，施工时无法做到同步顶进，导致管线偏移[6]。因此，在本项目施工时安排专人定期检测顶进的轴线，确保顶进工序无偏差，在各个顶进阶段分别测量并复测一次轴线偏差。

3.8 顶管出洞

顶管出洞是长距离顶管施工的重要环节，分析案例工程污水管道顶进工作，施工人员将事先准备好的钢板桩在砖封门前铺好，降低塌方安全事故风险，以保证顶管施工安全性。同时在出洞前，施工人员拆除砖封门，推进顶管机向着钢封门前进，在二者间距离为100mm时，拆除事先安装的钢板桩，由一侧向另一侧有序出洞，充分发挥出洞口止水环的作用，完成顶管出洞施工。

3.9 管道检验

案例工程顶进施工结束后，对管道进行压力试验。经试验检测，污水管道顶进施工无渗漏点，满足施工标准要求，随即进行回填，恢复道路。

4 结束语

综上所述，本文结合山西省某污水管道施工工程，基于项目实际论述长距离顶管施工技术的应用路径，长距离顶管施工工艺具有较为成熟的经济性和技术性，在城市给排水工程建设中有着较好的应用前景。