水利工程建设中顶管施工技术的应用研究

韩显达

(朝阳市水务局，辽宁 朝阳 122000)

0 引言

顶管施工也称为管道非开挖铺设技术，其最大的特点是与在建或已建的河道、道路、房屋、各类管道等设施交叉时，采用立体交叉替代平面交叉，尽可能地减少对居民生活、交通、生产的干扰和影响，同时管道铺设施工受外界的干扰和影响也会有所减少，更好地满足环保施工政策要求[1]。

近年来，随着各类管道、公路、市政、房屋建筑等工程领域的快速发展顶管施工技术应运而生，现已广泛应用于发达地区的水利、道路和市政等建设领域[2-5]。目前，顶管施工的技术条件不断成熟，这主要表现为：(1)城市给排水管网建设要穿越各类错综复杂的结构设施，施工项目多位于人口密集区，采用顶管技术可以保证施工的顺利完成；(2)依据农村新集镇现代化建设要求，应覆盖各类河道、水利、电力、通讯管道以及四通八达的多级公路网建设，顶管这项新工艺、新技术的推进应用不断加快；(3)虽然顶管施工具有很强的专业性，但工艺技术已比较成熟，现有技术条件下各地区基本能够引入实施。

1 顶管施工技术的特点

一般地，相对于管道铺设地面明开挖工艺，顶管作为非开挖的施工技术具有以下明显的优势：

(1)最大限度地降低影响。顶管施工采用立体交叉替代平面交叉，相对于地面明开挖能够最大程度地避免修建临时便道或阻断现有交通道路，避免对周边房屋的加固或拆迁，避免要求现有河道断流断航以及对各类管线的维护和迁移，将顶管施工期所造成的不利影响降到最低，甚至能够完全避免影响[6]。

(2)保护周边环境。管道铺设明开挖施工时，一般要在地面上迁移相关管道、拆迁原有房屋、修建交通便道或对现有河道打设坝头等，该过程会产生泥浆水、扬尘和噪声，给周边带来污染。采用顶管施工方案能够最大程度地避免或减轻周边环境受施工水泥浆、扬尘和噪音的影响，具有显著的环保效益。

(3)节约工程成本。单从施工工艺的角度上，与地面明开挖相比顶管施工的成本较高。综合经济对比发现，管道铺设地面明开挖要进行的河道打坝、管网维护、交通便道建设、生产单位停产、房屋维护和动迁等每项费用都较高，对停产损失要求补偿时所需费用将更多[7]。总体上，采用顶管技术施工的经济效益非常明显，可以有效节约工程投资。

(4)延长管道使用年限。顶管的管节之间很难出现变形断错，施工时对管壁土层的扰动较低，所以顶管施工大于开挖埋管的管道使用年限。

(5)有利于工期控制。地面明开挖施工一般需要打坝、维护管道、设置临时便道、阻断公路、加固及拆迁房屋等，这些工作必然涉及现场矛盾协调及行政审批程序，施工单位和建设单位需要投入大量的人力、财力。顶管施工除工作井外都在地下，作业面较小，出现以上问题的概率将大大减小甚至完全避免。

2 顶管设计的原则

2.1 总体原则

依据现行标准和规范，在充分了解现场地面以下和以上管线及其他建筑设施的情况下进行设计，要有一定的设计精度和深度，一次确定工作井位置及管道轴向走向，以免后期再次调整。若施工过程中对工作井位置和管道轴线进行调整时，将使得矛盾协调的复杂性和难度大大提高，要投入大量的财力、人力和花费很长的时间，且会严重影响工程投资和施工进度。

2.2 管线布置

(1)管道轴线。输水是管道的主要功能，为保证过水流量应尽量减少管道轴线折弯，通过布设顺直的管道来减少水头损失。特殊情况下确需折弯时，为维持过水流量应进行流量核算，条件允许时还可调整管径。

(2)最大程度地避开桩基础的军用设施、景观建筑和建筑物，尽量避开排污、煤气、通讯、自来水和电力管线，确实难以避开的要制定相应的解决方案。

(3)管道上层的覆土厚度要严格按规范确定，尽量降低上部建筑物受顶管施工的影响，并确保现场作业人员的安全，覆土厚度无法满足设计要求时必须明确施工应对措施。

2.3 工程井位置

(1)在整个管线的合理位置上选择工作井的位置，一般控制工作井与接收井之间的距离不超过200 m，从而有利于施工轴线偏差和摩阻力的控制，以防中继间的过多布置以及缺氧事故的发生，在改善工作面作业环境的条件下提高经济效益和施工效率。单向顶进时应在下游一侧布置工作井，并将其按永久工程施工。

(2)工作井位置要考虑良好的交通条件、足够的施工场地，与周围建筑物保持一定的距离以防带来不利影响，尤其是要降低工作井施工带来的沉降影响。一般地，应考虑周围建筑物的结构、地质情况、施工方法和工作井深度，依据相关规范计算确定预留距离的大小。

(3)工作井不宜布置在居民集中生活区和单位工作区内，以免施工噪音对居民休息和单位人员办公造成影响，并引起不必要的矛盾，反过来对工程施工带来影响。

(4)工作井一般设计成矩形结构，要考虑定睛设备的安装、管节的长度和管道的高程确定结构尺寸，如果有折弯则在折弯处设置工作井，为减少工作井尺寸可选择圆形结构。工作井的大小既要便于运输、出土、排水还要满足顶进要求。

3 顶管施工的准备工作

顶管施工时必须考虑实际情况科学合理地确定顶进设备、工程井位置、管道高程和走向等，认真做好顶管施工各项准备工作。

3.1 全面掌握地形地物状况

工程井及轴线走向布置是顶管施工的关键环节，必须全面掌握地形地物状况，以防出现差错。因此，在充分调查了解管道走向的交通情况和地下基础、建筑物结构型式等情况下，采取合适的解决方案[8]。顶进施工前，要对相关建筑物采取加固保护措施，以防施工时发生安全事故。确定工程井位置时既要避开公共交通，最大限度地降低对周边的不利影响，又要符合通道畅通的施工要求。

3.2 仔细查清地下管线

为确保煤气、排水、供水、电力、通讯等已建管线的安全运营，必须查找相关管线布置图纸并召集管线所属单位现场确认，仔细检查各种管线的高程和走向，以便设计管道高程和轴线时避开各共用管线，并且有利于减小施工难度，确实难以避开的可以改道或者采取防护措施。

3.3 做好工程水文地质勘察

通过水文地质勘察详细掌握沿线的水文条件和土质变化情况，从而制定科学的工程设计方案，对经过流砂、淤泥和沼气工段的勘探点要加密，为制定行之有效的应对方案提供数据支持。另外，对经过回填土地段的要提前加固处理，以防出现地面下沉的情况。

3.4 按程序做好行政审批手续

顶管施工时要做好与管线、道路、建筑等相关设施的协调工作，提前做好行政审批相关手续，确保顶管施工的顺利进行和及时开展。

4 顶管施工的技术要点

顶管施工具有较强的专业性，作业工序多而复杂，不可预见因素多且设备操作要求精细严格，施工风险较大[9-10]。笔者结合实践经验，从以下几个环节提出顶管施工技术要点。

4.1 测量工作

测量工作是确保工程质量和顺利完成顶管施工的重要环节，顶进前的设备安装、顶进后的复测、顶进中管线的高程和方向控制都离不开测量，测量工作重点如下：

(1)根据总平面图和给定的坐标合理布设控制网，控制点应布置于便于校核、不易扰动、方便保护和视线清楚的位置，以保证按设计的轴线顶进。

(2)全面落实复核制度，确保测量复核贯穿全过程。工程开工前要检查复核高程水准机电、定位轴线等，施工过程中检查复核工程的垂直度、标高、轴线，做到管节坡度不得有倒落水、管节不错口、管道顶进不便宜，及时纠偏。顶进施工完成后，复验工程的高程垂直度、轴线和几何尺寸等。

4.2 洞口止水处理

为促使顶进施工时管子能顺利进、出接受井洞口及工作井，较管节外径井的预留洞口要更大，顶进时必须利用止水封闭措施有效处理此间隙，否则流砂和地下水会通过间隙进入井内，造成上部坍塌乃至严重的安全事故，危及地下管线和周围建筑物安全，止水封闭处理还有利于压注的润滑泥浆不会因顶进过程中进、出洞口而流失[11-12]。

4.3 注浆控制

(1)管道施工的核心是尽量减小顶进阻力，实践表明注浆是最有效的能够减小阻力的方法，通过注浆管道外壁可以形成减小顶进时摩阻力的泥浆润滑套。工具管的外径一般为2～5 cm，其尺寸要略大于管外径，从而降低管外壁摩阻力。此外，要保持管体与上层之间不直接碾压，将压入的泥浆填充到土层之间的空隙内，从而发挥中间支撑作用。这种方法能够明显提升顶进作业效率，可维持一定的时间并顶进相当长的管路。所以，在顶管顶进时中间介质具有支撑和润滑的双重功能。

(2)合理配制触变泥浆，首先要科学设计配比，按特定的比例将掺和剂、水、膨润土均匀混合配制触变泥浆，水的占比较高，掺和剂的含量虽小但不容忽视，泥浆性能主要取决于掺合料，泥浆组分以膨润土为主。一般地，可选用1个目测指标(触变性)和5个数据指标(pH值、稳定性、失水量、黏度、比重)来评定顶管的使用价值以及泥浆的质量。

(3)顶进作业时必须对注浆压力与注浆量进行严格控制，过小则无法有效减小摩阻力甚至会引起地面凹陷，过大会造成凸起甚至冒出地面。

(4)坚持“随顶随压、先压后顶”的原则，规范注浆操作流程，顶进施工时泥浆泵不得停止作业，特殊条件下必须停止时必须先暂停顶管。顶进结束后要立即置换水泥浆，以防泥浆固结体积缩小，填充管外出现空隙。

(5)长距离顶管的施工时间长，触变泥浆会因泥浆失水而失效，为了能够及时补充新的泥浆必须沿管道进程合理设置补浆孔。

4.4 施工纠偏与安全控制

机头偏离设计轴线时要遵循微动、勤调、勤测的原则及时纠偏，纠偏操作过程中要重点控制以下环节：以工具管已有的轨迹和斜率为基准，经综合分析合理确定纠偏量及校正方案；应在顶进过程中完成纠偏操作，不得在顶进停止时再纠偏。

对工作进施工的深基坑、顶进施工的机械设备和临时用电操作等按常规安全要求控制，不再详细展开。充分考虑顶进施工特点，重点强调以下控制关节：

(1)严格控制管道通风。在工作井及各类管道维护、施工过程中，因地下有害气体侵蚀人体而造成人员伤亡的事件时有发生。若顶管时遇到氨气、沼气等聚集区，对施工人员的生命和健康造成危害，因此对顶管内有施工人员操作的条件下必须定时监测有害气体含量，必要时应安设通风装置。

(2)使用防爆型电器。经易燃气体区域时要使用防爆开关、照明、电器等设备，新增管节吊装后要先通风再通电，保持施工区内的空气新鲜，通风设备出现故障时电器要有自动断电装置。

(3)保持连续施工。顶进过程中，若顶管出现停顿会引起设备损坏、顶力增大等不利后果，甚至会对施工质量和顶进速度造成严重影响，所以必须连续顶进施工。

(4)对地下管线和周边建筑物加强保护，重点控制沉降。开工前，对地表沉降影响范围内的地下管线、地表构筑物和建筑物实施全面调查，在充分掌握对沉降适应能力的情况下制定相适应的保护和监测措施，必须对影响范围内的构筑物和建筑物进行裂缝、沉降监测。在能够体现不均匀沉降特征的位置处布设沉降观测点，日监测频率不少于1～3次。对已有裂缝的构筑物或建筑物量出裂缝的长度、宽度，定时观测变化情况并做好相应的记录。对影响范围内的共用管线要与其主管单位及时联系，施工过程中委托第三方监测或与其主管单位共同监测。顶管施工时沿轴线垂直方向布置多个观测断面，以便及时了解沉降情况。

5 结语

顶管施工技术凭借其显著的经济、环保、社会效益和成熟的施工技术，在水利工程建设中拥有广泛的应用前景和较高的推广价值，这也是水利工程发展的必然趋势。本文全面探讨了顶管施工技术特点，结合设计原则提出要做好相应的准备工作，并进一步探讨了测量工作、洞口止水处理、注浆控制、施工纠偏与安全控制等技术要点，可为顶管施工技术的推广应用提供一定支持。