非开挖管道施工在水利工程中的应用研究

刘洪君

（中正信造价咨询有限公司，山东济南 250000）

1 工程概况

济南市全福河等河道生态补水工程利用水质净化一厂的再生水，通过加压泵站提升、钢制管道输送的方式对市区全福河、柳行头河、历山路边沟、黄台南路边沟和山大路边沟进行水源补给。主要工程内容包含压力输水管线、提升泵站、钢坝闸、叠石坝、河道生态景观修复等。地勘报告显示，管道敷设范围内均为填土、杂填土、素填土、粉质黏土等，无岩石层分布。项目原设计压力管线为顶管施工，经多方论证比选后，采用定向钻托管技术进行施工，本文主要对顶管与定向钻托管施工技术进行研究，并对造价进行分析。

2 顶管施工技术

顶管技术施工[1，2]，需要先设置顶管工作坑与接收坑，并将顶管设备安装在顶管工作坑内。利用顶进设备产生的推力，将管道挤压进前方土内，再将顶进的土方通过垂直运输设备运输至顶管工作坑上方后运走消纳。主要包括人工顶管、挤压顶进、水射流顶进、泥水平衡机械顶进、土压平衡机械顶进等方式。目前，顶管技术适用于直径为600～4 000 mm 的管道，管道材质可以使用钢筋混凝土管、钢管等。地质情况适用于天然土、素土、回填土、杂填土、软质岩、硬质岩等。施工顺序：沉井工作井施工→顶管工作设备下井→顶管作业施工→土方运输消纳→管道顶进施工完毕后拆除顶管作业设备→回填工作井。

2.1 顶管工作井与接收井施工

顶管工作坑采用沉井下沉工艺进行施工。首先进行基坑测量放样，按照设计纵坐标定位工作井的具体位置；破除地面路面，施工刃脚垫层，刃脚垫层采用级配砂分层夯实；在井筒内支立模板和支架，沉井高度超过10.0 m 时，井身混凝凝土分2 节进行浇筑，刃脚部分的模板采用砖砌结构，宽度与刃脚宽度相同，井身模板采用钢模板钢支撑搭配木模板木支撑的形式；支模完成后进行钢筋绑扎，钢筋表面油污等需清除干净，钢筋接头、搭接形式、间距、保护层等均应满足验收规范要求；钢筋绑扎完成后进行外模板施工，顶进预留洞预先采用砖砌结构进行封堵；浇筑C30 混凝土，养护达到拆模标准后拆除并清理模板；待混凝土强度达到设计强度后，沉井进行挖土下沉，挖土工具采用蟹斗长臂挖掘机，井壁外采用灌浆处理，避免出现井身倾斜，发现问题及时纠偏处理；当下沉达到接近标高时，改用人工开挖吊车吊土，并预先做好止沉措施，禁止出现超沉现象；沉井封底完成后，对工作井外侧进行注浆处理。采用同样施工方法，进行接收井下沉施工。

2.2 管道顶进施工

顶进施工采用泥水平衡顶进工艺，工作井及接收井施工完成后，做顶管材料及设备进场准备。首先按照设计标高及坡度在顶管工作井内安装导轨，安装必须牢固。钢筋混凝土沉井井壁作为顶管设备的后背墙，顶管设备采用120 t 吊车吊装，各种线缆等均按顺序进行下井作业。顶管设备安装完成后，开始顶进作业，采用18 t 吊车进行下管作业，每节管道前段顶进后，后端接口均在工作井内进行焊接拼装，钢管焊缝须满足相关规范要求。顶进过程分初始顶进、正常顶进、接收顶进几个阶段。初始顶进阶段需收集、分析各项数据，并调整修正顶进姿态。管道施工过程中，须对地面及周边构筑物、建筑物进行密切检测，避免出现沉降现象。管道顶进接近顶管接收井时，密切测量相关数据，做好进洞准备。采用顶进进洞方式，不采用外力进行洞门破除，进洞后及时清理砖渣等，铺设接收轨道，待管道顶进完成后，洞口进行密封处理，采用120 t 吊车，吊出顶管设备。顶管工作井位于快车道下方，采用水泥石屑进行回填，回填完成后对吊装预制盖板进行封堵，封堵完成后恢复道路路面，开放交通。

2.3 顶管技术造价分析

按照设计招标图纸方案，采用泥水平衡顶管工艺编制施工招标清单，经公开招标后确定的造价进行分析。最终确定建设顶管工作、接收井各3座，顶进管道直径为DN800 mm，管道材质为内外防腐螺旋焊接钢管，顶进长度为706.8 m。针对顶管工程进行造价分析，顶管工作井造价为446.77 万元，接收井造价为128.48 万元，管道顶进造价为194.61万元，合计769.86 万元。经过分析，造价指标约为10 892 元/延长米，此造价未考虑降排水及临设等措施费。

3 定向钻托管施工技术

定向钻施工技术，能够进行有工作坑水平定向钻进回托布管和无工作坑下卧式定向钻进回托布管，适用于直径100～1 200 mm 的钢管、PE 管、MPP 管等，地质情况适用于天然土、素土、回填土、杂填土、软质岩、硬质岩等[3]。本文对有工作坑水平定向钻进的工艺进行研究，施工顺序：打设支护桩并开挖工作坑→定向钻机安装→定向钻孔→扩孔→回托布置管道→拆除机械设备→拔出支护桩→回填工作坑。

3.1 工作坑施工

经过论证分析，设置2 座工作井、2 座接收井。经过土压力计算，确定采用打设12.0 mⅣ型拉森钢板桩的方式进行支护。拉森钢板桩[4]支护主要有施工速度快、节约空间、对周边环境影响小、工序简单等优点。采用拉森钢板桩进行工作坑支护，首先需进行定位放线，然后打桩机进场。选用EX400 液压打桩机，采用单根逐根打入法施工。打桩前应对每根钢板桩进行刷油检查，存在瑕疵的桩体不得使用。打桩过程中随时测量桩体的倾斜度，并控制在规范要求范围内。拉森钢板桩支护完成后进行工作坑开挖，第一层土方开挖完成后，设置钢支撑及钢围檩，防止桩身倾斜。逐层向下开挖，并做好基坑排水工作。根据拉管管道高程确定工作坑深度，并在工作坑内设置相应大小的集水坑，采用泥浆泵进行基坑排水。开挖完成后，处理工作坑底部较软土质。因定向钻托长度长，所需要的机械拉力较大，定向钻机需要固定在混凝土基础上。混凝土基础采用C20 混凝土进行浇筑，厚20 cm，内配双层双向φ12 钢筋。

3.2 定向钻施工

首先进行导向孔钻进轨迹设计，即根据管线设计剖面图进行导向孔最佳线路设计，各种既有管线距离应满足相关规范要求。基坑开挖完成且平基混凝土达到设计强度后，采用120 t 吊车吊装定向钻机下坑。定向钻设备安装就位后，首先进行导向孔钻进，导向杆起始钻进高度应略高于管道设计中心线位置。将定位发射机安装在导向钻头中，通过钻头内的传感器发射信号至地面接收器，接收器显示其运行深度、钻孔角度、钻头温度、鸭嘴边的面向角度等数据。操作员将测量数据与既定的钻孔设计轨迹进行比对后，及时判断并调整钻孔线路，保证钻孔线路与设计轨迹一致。

根据规范要求，选用直径为1 200 mm 的刮刀式扩孔器，为设计管道直径的1.5 倍[5]。为保证扩孔安全顺利地完成，需要保证护壁泥浆流动顺畅且充满整个空隙。泥浆制作采用DDW-350 定向钻机自用的搅拌和泵送系统，泥浆材料采用膨润土、聚合物和水进行混合制备。扩孔完成后，进行管道回托施工。准备钢制管道，保证回托管道一次成型回托，单根9.0 m 长管道需预先完成焊接连接。组装回拖支撑，回托支架采用砂包进行铺设，每间隔20.0 m 放置1 个砂包。拉管回拖结束后，为了防止地面沉降，定向钻空隙内需要选用水泥浆对孔内注浆进行加固。注浆管选用2根直径25 mm 的钢花管，与主管道同时拉入土中。完成回托布管后，定向钻机迁移至终点工作坑，反向回托注浆管，边回托边注浆，每回拽6.0 m，就采用高压注浆机注入1∶1 的水泥粉煤灰浆液，直至浆液完全充填钢管间隙。注浆过程中应保持不间断注浆直至完成，防止浆液流出，当出现缝隙时，及时进行补充注浆加固。在注浆及定向钻托管施工完成后，吊出钻机，拔出拉森钢板桩，回填工作坑。

3.3 定向钻托管技术造价分析

按照经过论证的实施方案，设置定向钻工作坑2 座，定向钻接收坑2 座，定向钻托管道直径为DN800 mm，管道材质为内外防腐螺旋焊接钢管，施工长度为706.8 m。针对定向钻托工艺进行造价分析，因定向钻无合同清单单价，按照合同约定套用《山东省市政工程消耗量定额》SDA 1-31-2016，人工费及其他取费均按照济南市2021 年相关规定计取，钢管管材费用采用原合同单价。因此，顶管工作井造价为46.02 万元，接收井造价为31.86 万元，管道顶进造价为237.28 万元，合计315.16 万元。经过分析，造价指标约为4 458 元/延长米，此造价未考虑降排水及临设等措施费。

4 结语

通过研究顶管与定向钻托管技术在实际工程中的应用，经技术对比分析发现，在地质情况允许的条件下，两种施工技术均能解决水利管道工程在主城区内施工时无法大范围开挖的问题，可以大幅减少施工过程中对既有建筑物、道路、地层、交通疏导组织的影响。但通过造价对比分析，顶管工施工技术较定向钻托管技术造价偏高，主要原因为顶管工作井施工难度大，顶管机械设备及劳务市场价格高。随着定向钻托管技术的迅速发展，已经可以开展大口径的管道施工，且具有单次施工长度长、市场价格低、施工速度快等特点，在降低工程造价、节约投资、缩短工期等方面起到重要作用。