市政给排水施工中长距离顶管施工技术的研究与应用

桑军波

（石嘴山市星凯建筑安装有限责任公司，宁夏 石嘴山 753000）

在现代城市基础工程建设中，市政工程管网建设是最为重要的内容，给排水管网作为城市居民生活基本保障的物质基础和发展需求，在快速的城市发展进程中扮演着十分重要的角色[1]。给排水管网的敷设由于距离长、穿越的城市障碍物多、施工对周边环境影响大等特点，采用开挖方式的敷设方法不仅占用大量拥挤的城市空间，影响着城市居民的生活便利性，而且施工产生的土层扰动、噪声和泥浆等，也给城市环境带来负面影响[2]。另外，对于地下管网密集、既有地下结构物不能开挖或者存在地表水体等障碍物等节点，采用开挖方式显得无能为力，采用非开挖的顶管施工将是一个新的解决方案[3]。目前，顶管施工在我国的市政工程中应用较多，但主要集中在短距离的顶进，对于长距离、超长距离的顶进施工案例较少，这是因为长距离的顶进面对的地层挑战更为复杂，顶管的顶推力计算、顶管的力学受力特性、土层的扰动变化等控制难度更大[4]。

1 工程案例

1.1 工程概况

宁夏回族自治区石嘴山市某市政给排水长距离顶管施工项目为城区东片给排水管网干线，起止桩号为ZDK0+157.210～ZDK10+0657.21，全长约10.50 km，全线管道施工以顶管方式为主，部分地段含少量明挖段。桩号ZDK4+515.173～ZDK7+238.550、ZDK7+248.000～ZDK8+770.500、ZDK8+778.000～ZDK10+580.000 采用D2400 钢筋混凝土管顶进，总长约6.048 km。全线共43 座竖井均采用沉井法施工。竖井深约19.6～25.2 m，顶管埋深9.2～17.2 m。工作内容如表1 所示。

表1 某市政给排水长距离顶管施工项主要工程量

与短距离的顶管施工不同，长距离的顶管施工由于穿越的地层距离长、地层类型多以及穿越风险高等特点，对顶管机的设备要求较高，同时本项目中的顶管尺寸较大，管段直径为2 400 mm，由此产生顶管侧摩阻力巨大，对顶进动力以及后背墙体反力都提出了更为严格的要求。综合分析本项目的工程特点以及以往类似的工程经验[5]，本项目选择的顶管机为DK2 000型封闭式土压平衡顶管机，如图1 所示。顶管机适用的地层较广，可适用于黏性土、砂土和标贯技术小于30击的砾石土，顶管机的外直径为2 450 mm，长度是5 735 mm；顶管机采用全断面施工，削切刀盘的电机功率为30 kW×5台=150 kW，刀盘最大扭矩为15 000 kW·m，转速为1 r/min；纠偏系统的油缸数量配备8 台，油缸推力为800 t，纠偏泵站功率为5.5 kW，纠偏角度最大达到2.5°。施工顶进时，顶管机的出土形式为螺旋出土机轴端面出土，有效出土量每小时可以达到24 m3，出土系统的电机功率为35kW，螺旋出土机的转速最大达到20 r/min，螺旋直径420 mm。顶进机的顶进速度范围为0 至200 mm/min，机头的总功率可以达到185.5 kW，机头总重量约49 000 kg，顶进的控制方式为机内操控台控制。另外，在长距离的给排水顶管施工过程中，中继间配备的泵站型号为ZB520-高压油泵，中继间油缸为800 kN。

图1 长距离给排水管网施工封闭式土压平衡顶管机

1.2 工程地质条件

工程场区为黄河流域冲击层，沿线现状主要为渠道、市政道路、荒地、既有住宅楼、菜地、湖塘等，场地现状地形有一定起伏，高程在15.35～32.17 m 之间变化。覆盖层由上而下主要由4 个单元层构成，第1 单元层为人工填土（含现状道路及路基）以及冲积黏土层；第2 单元层为一般黏性土、粉质黏土层；第3单元层为老黏性土、老黏性土夹碎石以及黏质砂、砾卵石层；第4 单元层为黏土及黏土夹碎石。各层土的力学参数如表2 所示。

表2 场区岩土工程力学性质

2长距离市政给排水顶管施工关键工艺

2.1 长距离市政给排水顶管总体施工工艺

顶管施工是各个专业交叉施工的过程，它是依靠顶管掘进机电机系统驱动刀盘进行削切土体，排土系统（螺旋运输机）进行土体移除，按照设定的线路进行开挖掘进，顶进设备将预制好的给排水钢筋混凝土管节进行推挤，后续管节段依次推挤灌入，在顶管机顶进管片过程中，除了顶进设备的油缸提供动力之外，工作井的后座墙体也提供反力，长距离的市政给排水顶管总体施工工艺如图2 所示。值得注意的是，由于长距离的市政给排水顶管施工属于非开挖的施工工艺，穿越的地层类别众多，特别是对于软硬不均地层、存在孤石或者坚硬地下障碍物的情况，极易使得顶管机机头出现偏位和变形，导致整体的顶管路径出现偏差，使得给排水管片的整体线性不能满足设计要求，也使得管片在顶进安装过程增大了顶进助力，使得管片出现局部顶进压碎，或者在顶管安装完成后出现应力集中，导致给排水管线出现开裂和渗流，影响使用效果，因此，对于顶管法施工时，需要采用有效的测量控制措施和配备强有力的纠偏系统，对顶进过程中的轴线平面坐标和高层进行实施监测、反馈，当出现管片顶进姿态偏离设定线形时，需启动纠偏措施，使其逐步回到正常状态。

图2 长距离市政给排水工程顶管总体施工工艺

2.2 长距离市政给排水顶管施工受力分析和减摩效果

在长距离市政给排水顶管施工过程中，其主要的施工难点是克服长距离施工时刀盘阻力以及顶管周边摩阻力，这些都涉及到复杂的土压力演变过程，在基础的土压力理论基础上考虑顶管上部覆盖层厚度、土的内摩擦力、注浆的影响因素。为此，有限元模拟分析软件建立顶管模型进行数值计算，分析时上覆盖土体的厚度取10.0 m，顶管的直径与实际一致，为2 400 mm，管侧壁的厚度为250 mm，顶管混凝土的弹性模量为3.2×104MPa，重度为30 kN/m，土体的内摩擦角取10 个等级，从10°～55°，增加等级为5°。

无注浆时，刀盘阻力、管侧壁摩阻力以及总顶进力随着内摩擦角的变化计算结果如图3所示。图中可以看出，随着内摩擦角的增加，给排水长距离顶管刀盘的阻力变化不大，总顶进力主要受到管侧壁摩阻力的影响。总顶进力和管侧壁摩阻力的变化规律一致，在土体内摩擦角为10°～30°时，管侧壁摩阻力和总顶进力随着内摩擦角的增加呈近线形增加，而大于30°后管侧壁摩阻力和总顶进力突然降低，且随着内摩擦角的增加变化不大。

图3 无注浆时刀盘阻力、管侧壁摩阻力以及总顶进力随着内摩擦角的变化计算结果

注浆时，刀盘阻力、管侧壁摩阻力以及总顶进力随着内摩擦角的变化计算结果如图4所示。图中可以看出，随着内摩擦角的增加，给排水长距离顶管刀盘的阻力变化不大，总顶进力主要受到管侧壁摩阻力的影响。总顶进力和管侧壁摩阻力的变化规律一致，在土体内摩擦角为10°～30°时，管侧壁摩阻力和总顶进力随着内摩擦角的增加呈近线形减小，而大于30°后管侧壁摩阻力和总顶进力突然降低，且随着内摩擦角的增加呈近线形减小。由此表明，土体的侧摩阻力越大，采取注浆后对减小管壁侧摩阻力和总顶进力的效果越明显。

图4 注浆时刀盘阻力、管侧壁摩阻力以及总顶进力随着内摩擦角的变化计算结果

3长距离市政给排水顶管施工轴线控制

在长距离给排水顶管施工中，控制管道的轴线线形显得尤为重要，这不仅需要控制顶管的平面线形，还需要控制顶管轴线的高程，避免由于管道的线形曲率、坡度等不能满足设计要求，产生施工误差，影响运营效果。因此，在长距离顶管施工中，一般配合激光定位技术，对顶管的四周均匀布置的4 个点（上下左右）以观测其平面坐标和高程变化，以指导顶管施工过程中，采取合适的纠偏措施对轴线的平面变形和高程位置进行控制。

以 里 程ZDK8+500～ZDK10+500 段 给 排 水顶管施工为例，对施工中的轴线的平面误差进行观测，监测结果如图5 所示。图中的负值表示顶管向左偏移，正值表示顶管向右偏移，从图中可以看出，长距离的给排水顶管向左偏移的最大值为44.35 mm，向右偏移的最大值为58.15 mm，整体平面偏移误差平均值6.7 mm，均小于平面误差控制值100 mm。

图5 长距离市政给排水顶管施工平面误差控制

对施工中的轴线的平面误差进行观测，监测结果如图6 所示。图中的负值表示顶管向下偏移，正值表示顶管向上偏移，从图中可以看出，长距离的给排水顶管向下偏移的最大值为58.48 mm，向上偏移的最大值为92.14 mm，整体高程偏移误差平均值11.10 mm，均小于高程误差控制值100 mm。

图6 长距离市政给排水顶管施工平面误差控制

4 结语

以宁夏回族自治区石嘴山市某市政给排水长距离顶管施工项目为研究对象，研究了施工过程中的顶管顶进力计算问题、泥浆减阻和地层变形，得到以下结论。

（1）无注浆时，随着内摩擦角的增加，给排水长距离顶管刀盘的阻力变化不大；在土体内摩擦角为10°～30°时，管侧壁摩阻力和总顶进力随着内摩擦角的增加呈近线形增加，而大于30°后管侧壁摩阻力和总顶进力突然降低，且随着内摩擦角的增加变化不大。

（2）注浆时，总顶进力和管侧壁摩阻力的变化规律一致，在土体内摩擦角为10°～30°时，管侧壁摩阻力和总顶进力随着内摩擦角的增加呈近线形减小，而大于30°后管侧壁摩阻力和总顶进力突然降低，且随着内摩擦角的增加呈近线形减小。

（3）运用激光定位技术，对顶管的四周均匀布置的4 个点（上下左右）以观测其平面坐标和高程变化，结果表明长距离的给排水顶管向左偏移的最大值为44.35 mm，向右偏移的最大值为58.15 mm，向下偏移的最大值为58.48 mm，向上偏移的最大值为92.14 mm，整体高程偏移误差平均值11.10 mm，均小于平面误差控制值100 mm。