顶管技术在市政给排水工程施工中的运用

业伟

昆明市政工程设计研究院（集团）有限公司 云南 昆明 650228

地下给排水系统的设置可为城市污水处理系统、自来水供水系统提供有效渠道，其是城市基础设施中不可或缺的一部分。近年来，随着城市化进程的不断加快，越来越多的人涌入城市，污水处理、路面排水等问题日益凸出，不仅会影响到城市居民生活用水和日常出行，而且会产生一定的环境污染，不利于城市可持续发展。因此，亟需采取相应的措施来改善和解决市政给排水问题。

1 顶管技术及其在市政给排水工程施工中运用的必要性分析

1.1 顶管技术

顶管技术为非开挖管道敷设技术，该技术应用的主要优势在于无需开挖地面就可以完成地下管线、管道铺设等作业，尤其对于需深度开挖的工程，该技术的合理应用，不仅能够实现施工时间、成本的节约，而且可以减少工程建设期间产生的噪音、粉尘等污染，即对城市交通、环境及居民生活产生的负面影响较小。但该技术应用对施工机械设备、施工人员素质等要求较高，意味着该技术施工难度较大，需严格对各施工要点进行把控，才能达到预期的施工效果。

1.2 必要性分析

随着城市化进程的不断加快，城市规模的快速扩大，城市地下管道、管线老化等基础设施问题日益凸出，尤其是城市中心老城区位置，此类相关问题更加严重，迫切需要改造其市政给排水系统。而顶管施工技术在市政给排水工程中运用，可充分发挥其无需开挖这一施工特点，即无需开挖地面就可以完成地下管道铺设工作，施工面由以往的面转变为点，即施工范围缩小，挖工程量减少，施工周期缩短，实现工程整体成本的节约，从而在确保工程施工进度、安全性的同时，凸显出工程环境、经济效益。

1.2.2 对周围建筑物、居民生活产生的负面影响小

城市给排水工程管道通常铺设于公路、地下构筑物中，会对已铺设的管线、管道设施产生一定干扰。而顶管施工技术的应用，可将管道以曲线方式铺设于公路、地下构筑物中，从而减少对已铺管道管线设施的干扰，即不会干扰和破坏居住区所铺设的水、电及通讯管线，对周围建筑物、沿线交通等产生的影响小，同时，施工现场产生的噪音、粉尘等污染也会减少，不会对对城市环境和居民生活带来的较大影响[1]。

1.2.3 环境适应能力强

与传统给排水工程管道管线敷设技术相比较，顶管技术是在工作井中进行施工，其能降低外部天气等因素对施工进度、工艺技术产生的影响，确保市政给排水工程施工效率和质量，即该技术的运用，能够保证在合同规定内按时竣工。

2 工程案例

2.1 工程概况

本文以某市政给排水工程为例，其位于城市主干道，车流量较大，顶管长度、管道管径及平均埋深分别为110m、8cm、6-7m，管道主要穿越的土质包括中细砂层、粉土、杂填土。本工程项目施工包括钢筋工程、模板工程及混凝土浇筑等内容，主要采取顶管技术，使用管径为8cm的混凝土管作为污水管，并且该工程项目施工位于河道附近，受流砂、地下水影响，开挖施工容易导致基坑、工作井塌陷，因而，顶管施工期间采取相应的保护措施。

2.2 顶管技术施工原理及工艺流程

顶管技术施工原理为：借助顶进力将工具管从工作土层顶入接收坑内，将掘进的管道埋设于2个工作坑之间。本工程顶管施工技术工艺流程如图1所示。

PP管：PP管材具有耐高温、管道连接方便(热熔接、电熔接、管件连接)可靠、可回收使用等特点。按照不同的PP聚合工艺条件可将其分为均聚聚丙烯 (PP-H)、嵌段共聚聚丙烯（PP-B）以及无规共聚聚丙烯(PPR)。PP-H管材因其低温下的脆性限制了其使用，而PP-B管材和PP-R管材较为常用，尤其是PP-R管的应用更为广泛。PP-R管的生产工艺简便易控制，管道布设对地形的适应性强。

图1 顶管技术施工工艺流程图

2.3 工程特点分析

本工程顶管技术施工中顶管需从引水箱涵底穿过，管子距离涵底分别为3.1m、3.3m，对地面隆起、沉降要求较高，并且该工程施工具有顶进距离段、作业面深等特点，需将地面沉降、隆起受力控制在规定范围，确保施工过程中不影响周围环境，且能够提高顶管施工水平。

3 市政给排水工程施工中顶管技术的具体应用

3.1 施工准备

3.1.1 材料、设备准备

本文以某市政排污管道为例，考虑到污水本身具有一定的腐蚀性，所以本工程施工中，根据管道用途选用管径8cm，且具有耐腐蚀、高强度的混凝土管，从而避免因管道腐蚀而出现渗漏现象，确保市政给排水系统稳定、安全运行。同时，结合本工程工程量、施工要求，选用相关施工机械设备。由于本工程顶管施工一次顶进的距离较长，为了确保施工安全性，提供施工质量，选用日LEMOL型TCZ600顶管掘进机，充分发挥其破碎功能将砾石破碎，且只需一人通过地面遥控就可以操作完成，并加大机械设备进场验收力度，以试运行的方式来检测其工作状态。

3.1.2 地形勘测

管顶施工技术作为地下施工技术，在施工前，需先了解本工程土质状况、水文、地下管线埋设等情况，且做好记录，一旦发现不良土体，需进行改良，满足工程建设要求。同时，要对施工图纸进行检查，开展测量放线工作，以工作井为中心对施工场地进行平整、压实，铺设碎石。

3.2 工作井、后背墙施工

工作坑作为材料、机械设备集中场所，也是顶管施工所搭建的临时设施，由于本工程工作井井底设计标高、顶管内底设计高程落差较大，为了确保顶管施工作业顺利实施，先结合工作井、接受井设计图进行混凝土浇筑，将15×15cm的方木作为轨枕埋设于混凝土内。同时，后背墙起到支撑的作用，本工程施工中，可将后背墙高度、厚度分别控制在2.8m、30cm，使工作井内墙得以加宽，同时可在后背墙上铺上钢板，确保其受力更加均匀，墙壁面与管道顶进方向要处于垂直状态，并要由专业人员对其检测，将其垂直度偏差控制在0.1%之内。顶管工作坑施工允许偏差，如表1所示。

表1 顶管工作坑施工允许偏差

3.3 导轨设置、安装

本工程采取管顶施工技术，为了确保管道系统正常、安全运行，需合理设计导向轨迹，按照设计的导向轨迹，要求顶管水平条件在±12℃之内，充分发挥导轨的引导作业，确保管节按照设计的中心线顶进到位，本工程施工中，使用槽钢、双排工字钢作为导轨材料，以焊接的方式进行组装，此外，导轨安装作为顶管施工重要工作内容，其安装是否正确，会直接关系到顶进质量，所以，要求两导轨与管道设计高程等高、平行，与管道坡度保持一致，要将轴线位置的偏差控制在3mm之内，并对导轨进行加固，从而防止在施工期间发生位移。

3.4 安装千斤顶、顶铁

本工程施工中，选用3台200t的千斤顶，先将其放置于稳固的支架上，与管道中心的垂线保持对称，并选用型号为ZB50的高压油泵，各台千斤顶的进油管以并联方式进行连接，确保其活塞出力、行程保持一致。同时，在千斤顶与管道端部间设置顶铁，旨在均匀地将千斤顶合力分布于管端，便于灵活地对千斤顶与管端间距进行调节。在安装环节，要先对导轨接触面、顶铁进行清理，待顶铁安装后，对其安装情况进行全面检测，确保管道中心线与顶铁轴线保持垂直。

3.5 管道施工

3.5.1 穿墙施工

当施工顶铁、千斤顶等安装完成后，就可以开展机头穿墙施工，施工时，应对穿墙速度进行合理控制，尽量减少土体暴露时间，穿墙前，要将适量的混凝土注入土体内，以增强土层稳定性，并且为了提高穿墙施工质量，可使用工具管进行止水。

3.5.2 顶进施工

本市政给排水工程采取手掘式顶进技术进行顶进施工。施工前，先调整地下水位，调至管道底部0.5m水位，并采取防水处理措施，防止地下水进入顶管内影响顶管整体施工质量。当工具管接触土层后，以自上到下的顺序进行分层开挖，将挖掘的坑道、管前超挖量分别控制在30-50cm、0.15cm内[2]。

3.5.3 出洞顶进施工

出洞位置的顶进作业为整个顶管施工中的核心工序。顶管机出洞前，要预先在封闭门施工前埋设一排钢板桩，将其埋入工作井底部钢板下方，从而保证顶管机顺利进出洞内，防止出现土体坍塌问题。顶管设备出洞时，要先拆除封闭门，当其距离封闭门0.5-1cm时，要充分发挥避水圈的作用，依次进行钢板桩的拆除，并及时开展顶管作业，防止钢板桩拆除作业破坏土体。此外，顶管机出洞施工初期，其承受的土体压力较大，容易出现坍塌问题，为了解决这一问题，施工人员需按照正确方向继续推动顶管机，或者通过在洞口增设手拉葫芦装置，且加固末端管节，避免出洞施工过程出现位移现象。

3.5.4 洞口止水

顶板施工中，为了确保管道顺利从工作井中出洞，通常会根据管子外径扩大预留洞口，一般会将洞口扩大1cm，而在这种情况下，顶板间隙会增大，会出现漏水现象，将影响顶管施工质量。为了解决这一问题，沉井施工时，需对洞口预留的缝隙进行封堵处理。洞口止水处理包括：工作井设置时，在预留洞口位置埋设厚度为0.1cm的钢制法兰，对其螺栓进行焊接，同时安装厚度为0.16cm的橡胶法兰，并使用厚度为0.1cm的钢压板对法兰进行稳固处理，从而防止泥浆、地下水等进入工作井内。

3.6 注浆减阻

注浆施工的目的是消除管线周围的孔隙，使管线使用寿命延长。注浆施工作为顶管施工中的重要环节，其施工质量会直接影响整个排水管道施工质量，所以，要严格按照设计标准来选择注浆材料，确保泥浆粘性、稳定性符合施工要求，本工程施工中选用优质的膨润土，根据膨润土：水=1:8的比例配制泥浆[3]，并将泥浆搅拌均匀，防止出现离析现象，泥浆压入前，进行二次搅拌；然后在管节一端设置3个注浆孔，且将注浆孔间距控制在7.2m，安装注浆管后，按照注浆流程进行作业，对地表、地下水变化情况进行实时观测，以此为依据灵活地调整压浆量、注浆压力，当顶进曲线段时，可通过增加注浆量的方式，使泥浆套更加完整，并将单向阀设置于泥浆出口位置，避免出现回浆、注浆压力减小等问题，同时，要确保土体间隙被完全填充，形成不易变形的泥浆保护套，从而降低管道的摩擦阻力，即减轻顶进施工的阻力。

3.7 设置中继间

在顶管施工中，为了减轻沉井受力，防止管道出现漏水问题，需设置中继间，以环状的形式将中继油缸均匀分布，完成接力顶管作业，从而提高顶管施工效率。本工程项目中，由于顶管机顶进期间，土质条件会发生变化，施工环境处于波动状态，因而，需在靠前位置设置第1个中继间，当顶管机推动力达到预设推力的60%时，设置第1个中继间，当达到预设推力80%时[4]，设置第2个中继间，实际顶进过程中，应结合顶力情况来使用中继间。

3.8 管线纠偏

顶管施工中容易出现管道位移问题，即管道实际与规定位置二者出现偏差，从而降低市政给排水各施工质量的情形。因此，在顶管施工中，需对轴线位置、管道内径、管道内底高程等参数进行严格控制。若顶管施工中管位偏差为0.1cm时，可通过管线纠偏手段来确保顶管施工质量，具体纠偏为：其一，先借助所设置的纠偏千斤顶组对机头端面的方向进行调整，使其向轴线靠近，缩小管位偏差，确保轴线与机头端面运行方向重合，达到管道复位的目的；其二，在顶进中顶管机头发生旋转时，可将压重块设置于机头旋转的反方向，或者通过中继站中所设置的旋转纠正力矩来调节管道位置，从而使管道逐渐处于正确位置。

表2 顶管施工中轴线、管道内径等参数的允许偏差

3.9 管道试压

在市政给排水管道顶进作业完成后，可采取单向水压测试的方式来检测管道综合水压，具体测试为：先将管道空气排出，接着加水、加压，当施加的压力达到规定值后停止加压，从而了解管道是否存在渗漏问题，接着在此基础上以增压、减压的方式来判断管道安装是否合理，若管道能够承受正常工作压力的1.5倍，则意味着管道满足给排水系统使用要求。

4 结束语

综上所述，顶管技术作为市政给排水工程施工中常用的施工技术，无需进行大范围开挖土方，就可以完成地下管道施工作业，不仅对周围建筑物、环境及居民生活带来的负面影响小，而且工程量较小，所投入的机械设备、人力等少，能够实现施工成本的节约。然而，顶管技术的施工难度较大，因此，该技术在市政给排水工程中运用时，需结合工程土质特性、施工要求及地下管线敷设情况等，制定合理的施工方案，并严格按照顶管施工工艺流程、方法进行操作，对各施工阶段技术要点严格把控，从而提高市政给排水工程整体施工质量，凸显出顶管技术在市政给排水工程中应用的优势。