试探顶管施工技术在市政给排水施工中的应用

【摘要】近年来，随着城市化进程的不断加快,人们对生活中各种基础设施的追求不断的增加。给排水工程作为城市发展的基础，广泛受到人们的关注和探究。顶管施工作为一种现代化管道敷设技术，在给排水系统的施工中受到各个施工单位和企业的青睐。在当前顶管建设通过先进的科学技术利用顶管法施工与传统的明挖覆盖法相比，可以合理有效的减少施工中对周围环境造成的制约与影响因素，更是能够缩短工期,提高施工质量和施工效益。基于此，本文对市政给排水工程中的顶管施工技术进行了研究。

【关键词】市政给排水工程 顶管施工技术

中图分类号： TU99文献标识码：A

随着城市建设规模的不断扩大，原有的地下设施已不能满足现有城市建设的要求，需进行改造或新建。但现有的城市经近几年的大力建设，道路等级越来越高，交通重逐年上升，各级政府对城市道路开挖进行了禁止或限制，许多建设已无法采用开槽埋管施工工艺，故顶管施工必将在城市建设中得到广泛的应用和发展。为了更好地保护城市环境，方便居民生活，减少施工造成的交通影响，目前各个城市都在积极推行顶管施工技术。

一、市政给排水管线工程施工要点

施工方案对不同的管线、管质、管型和不同的路段其侧重点有所不同。针对不同路段，不同的地质和环境情况，应该制订不同的施工方案。市政给排水管线施工存在以下几种情形：

1、开挖施工。市政管道穿越市政各种建筑物,为避免不必要的麻烦，大多沿路铺设。在非主干道或路边不大影响交通的情况下可采用明挖施工。

2、顶管施工。市政管道在跨路施工开挖存在影响交通等各方面困难时，顶管施工是一种可行的方案选择。顶管施工从考虑人员在管道内施工作业考虑，管径一般在0.8m以上，有钢管和水泥管两种管型，市政排污管多用水泥管，自来水和煤气管道多用钢管。

二、顶管施工技术简介

1、顶管施工技术的定义

顶管施工技术即非开挖地下铺设管道技术。是在不开挖地表的情况下，利用液压顶进工作站从顶进工作坑将要铺设的管道顶入，是一种在顶管机之后直接铺设管道的非开挖地下的施工技术。

2、顶管施工技术的原理

顶管施工技术是一种借助于主顶油缸及管道间、中继间等推力，把工具管或顶管机从工作坑内穿过土层一直推进到接收坑内吊起，与此同时，把紧随工具管或顶管机后的管道随顶管机同时推进埋设在两坑之间。

3、顶管施工技术与开槽埋管相比的优缺点

(1)优点:顶管施工只有工作坑和接收坑，开挖土方少，施工安全性较高，对周围环境影响较小；在顶进施工过程中，开挖的土方比开槽施工的挖土量少很多；且施工作业任务少；在工程进度紧的情况下，其工期短，且对周围环境影响小。因此在覆土深度大的情况下比开槽埋管更经济。

(2)缺点：顶管施工如遇到曲率半径小且多种曲线组合在一起时，给施工顺利进行带来很大的难度，当施工遇到软土层时容易发生偏差，而且纠偏困难，使管道容易产生不均匀沉降，如果覆土浅时不如开槽埋管其经济效益高。

三、顶管施工技术的主要施工技术措施

1、泥浆减阻。用泥浆减阻是长距离顶管减少摩阻力的重要环节之一 。在顶管施工前，先用水润湿混凝土管材，然后用黄油或机油外涂。在顶管施工过程中，如果注入的泥浆在管子的形成一个比较完整的浆套，则其减磨效果将是十分令人满意的，补浆管一般布置于中继环后面第二节管段及中断环与工具头及后座中间的位置，注浆孔按120度设置。顶进结束，对已形成的泥浆套的浆液进行置换，置换浆液为水泥砂浆并掺入适量的粉煤灰，在管内用单螺杆泵压住。压浆体凝结后(一般为24h)拆除管路换上封盖，将孔口用环氧水泥封堵抹平。泥浆用压浆泵通过总管、支管、球阀、管节上的预留注浆孔压到管子与外管土体之间，包住下班钢夹砂管。

2、偏心破碎顶进技术。施工开始时顶进工具头(进洞)，由千斤顶顶进，当顶进n节工具头已经穿过火炬路，工具头位置在公路边坡挡墙下。顶进第n+l节管开始，顶进系统排浆出现碎石，有堵管现象发生，排浆泵可听到石子与叶片撞击声，清理堵管管道和从泥浆沉淀池中捞碴可见碎石(花岗岩)，棱角分明，此时千斤顶油泵油压表明显增大。若顶进第n+2节时，排浆泵被碎石卡住，则不能正常工作。为了防止继续发生碎石堵管、堵泵而损坏设备，可制作两个“碎石拦截箱”，分别安装在工具头后和排浆泵前，利用它拦截排浆管排出的碎石，同时采用膨润土造浆、循环泥浆出碴和减缓顶速的方法，防止堵管和损坏设备。

从顶进第n+3节开始，时有堵管、堵泵现象发生，油泵油压明显增大，工具头内的排浆管路被堵塞，通过正反转、加大泥浆比重、循环泥浆等方法，工具头才重新启动、工作。碎石对工具头格栅磨损严重，导致格栅脱落，必须对其维修、加固。对工具头脱落的格栅重新制作安装后，对其余格栅进行加固，由于加固后的格栅能够很好地解决碎石问题，保持顶力顶进，顶管施工最终顺利完成施工任务。

四、顶管施工的工艺

1、顶管井的设计。顶管井分工作井与接收井两种，顶管井的建造结构有很多种类，一般使用钢筋混凝土结构。工作井的结构形式通常有单孔井和单排孔井。前者形状有圆形、正方形、矩形等，后者则大多为矩形，它们的结构受力性能由高至低依次为圆形一正方形一矩形。结构布置时，可在井内设置内支撑，改善结构受力。在建造过程中，工作井按双向顶进设计，与接收井间隔布置，间距与设计检查井间距一致，施工完毕，在工作井和接收井的位置上按设计要求做检查井。

2、顶管施工工序。

4.2.1 顶进前准备所有机械设备交班检查。顶进前，机械工需要进行交接班手续，将记录的设备运转情况表交给下一个班组的机械工，并进行口头的设备运转状况交班，刚上班的机械工需要对控制台、各个泥浆泵、管道、测量系统、工具头等进行例行检查。

4.2.2 工具头刀盘转动、开进出渣浆泵。交班和例行检查完毕后，接通电源，将工具头的刀盘转动，当设备的参数稳定后，开进出渣浆泵，开始泥浆循环。

4.2.3 调整进出渣浆泵流量达到平衡。工具头的操作全部采用在管道外(工作井上)控制台控制，只需1个机手操作，可实现对工具头刀具的转动、纠偏控制、压力显示、时时监控（工具头安装了摄像头、控制台上安装了电视机）。顶进千斤顶，观察工作仓的土压力表，调节渣浆泵的流量达到工作仓的泥水平衡，其平衡的原理是，当进泥和吸泥泵稳定工作时，调节进泥和吸泥的泵量，使工作仓内应保持一定压力，仓内泥水压力应与地下水压力相平衡，泥水压力过大，地面隆起；泥水压力过小，地面沉陷，所以控制顶进与出泥的速度相当关键。

4.2.4 泥水处理系统处理好砂土、装车、外运 采用泥水平衡式工具头出土，需要在工具头中注入含有一定泥量的泥浆，通过大刀盘切削工具头前方的原状土，与注入的泥水搅拌，泥水通过吸泥泵排到地表泥水处理系统处理，泥浆可以反复循环使用，处理好的泥沙用泥浆车外运。

4.2.5 测量工具头的偏位、作好记录、纠偏。测量方法，在工作井后座位置设置测量机座，测量基座由地面引入地下，避免工作井的变形引起的误差，将全站仪放置在其上调平后，使全站仪发射的激光沿着顶进方向水平射出，打在工具头的测量靶位上，通过望远镜读出工具头的偏差。每隔0.5m记录一次。

4.2.6 1个行程顶完后，整体式顶进构架调节顶块。当顶完1个行程后，停止顶进，调节整体式顶进构架顶块，可继续顶进下一个行程。

4.2.7 触变泥浆系统。顶进过程中，需要经常进行压触变泥浆工作，以减少顶进的阻力，触变泥浆系统由拌浆、注浆和管道三部分组成。拌浆是把注浆材料兑水以后再搅拌成所需的浆液(造浆后应静置24小时后方可使用)。注浆是通过注浆泵进行的，根据压力表和流量表，它可以控制注浆的压力(压力控制在水深的1.1～1.2倍)和注浆量(计量桶控制)。管道分总管和支管，总管安装在管道内一侧，支管则把总管内压送过来的浆液输送到每个注浆孔上去。注浆孔布置为：工具头后3节管各设一道、之后每间距5m设一道补浆孔(间隔2节砼管)。

注浆流程：造浆静置注浆顶管推进(注浆) 顶管停顶停止注浆

4.2.8 顶完一节管后，拆开各管路、钢管吊装、各管路安装 顶完一节管后，拆开所有管线（电力电缆、信号线、油管、进出泥浆管、触变泥浆管），进行钢管吊装焊接后，安装好所有管线，继续顶进。

4、顶管工程力学参数确定

4.1 顶力计算

该工程采用顶管总顶力计算的经验公式进行计算：

F=F0 F1

F0=αpeBC2π/4

F1=RSL

F0——初始顶力（kN）

F1——管壁摩擦力（kN）

α——综合系数，该工程取淤泥质土系数值1

pe——土仓的压力（kpa），pe=150kpa

BC=管外径（m），取2.238m

R——综合摩擦阻力（kpa），该工程取淤泥质土值2；

S——管外周长（m），3.1415×2.238＝7.03m；

L——推进长度（m），该工程考虑L=400m。

初始顶力：F0=1.5×150×2.2382×π/4=885kN

管壁摩擦力：F1=2×7.03×400=5624kN

总推力：F=885 5624=6509 kN=651T

说明：以上的管壁摩擦力计算没有考虑触变泥浆减摩效果，施工是采用触变泥浆减摩，可以有效折减管壁摩阻力。

工具头正面泥水压力：F1=π×D2/4×P其中

F1——顶管泥水阻力(t)

D——顶管外径(m)

σ——顶管泥水最大压力(t/m2)

σ与土层密实度、土层含水量、地下水位状况有关。根据有关工程统计资料和该工程的分析，估算工具头正面泥水压力为50t/m2左右，F1=π×D2/4×P＝π×2.2382/4×50＝196T

管壁摩擦阻力： F2=S×L×f其中

S—顶管外周长(m)

L—最长一段顶管长度(m)

f—综合摩擦力系数(T/ m2)

f与管道的埋设深度、土质、地下水位等因素有关。根据有关工程统计资料和该工程的分析，估算综合摩擦力系数f=1.3T/m2。F2=S×L×f=π×2.238×60×1.0＝421T

在考虑一次顶进距离为60-70m时，顶管总阻力为以上阻力之和：F=F1 F2≈617t

根据该管径钢管的要求，其不能承受的以上顶力，顶力较大，需要增加中继环，顶进的后座采用4个200T的千斤顶，中继环采用10个30T千斤顶，共计300T。顶管中继环布置按照“工具头20m—中继环—后座60m”来布置。另外，顶管过程还要采用减阻措施，通常减少管壁摩擦阻力的措施有：管壁与泥土间压触变泥浆减阻(优质膨润土拌制而成)，注浆需要管节间的密封良好，否则浆体会在管节间泄漏起不到应有的作用，减阻效果好时，f—综合摩擦力系数可以降低到0.3-0.8T/m2左右，将触变泥浆的减阻作为保险系数。

4.2 管材受力计算。钢管内径d=2220mm，厚度t=18mm，每节管长度6000mm，管的端头采用焊接接头。端面受力面积s=π× (2.238×2.238-2.22×2.22)/4=0.063m2

可承受的最大顶力为：F=s×5000T/m2/4=78.8T。

6、结语

顶管施工技术随着城市建设步伐的加快已越来越普及，它的应用的领域也更加广泛，其有效应用于应给水、排水、煤气、动力电缆等管道的施工工程中。随着我国经济的发展，工程建设的不断加大，以及对该技术的深入研究，顶管施工技术将会得到更大的发展空间和更广的领域。顶管工程实施过程加强监督管理,抓住关键问题和重要工序,严格遵守设计及施工规范技术标准，能有效地控制质量问题的出现。顶管工艺的施工从技术上讲是完全可行的，相对于开槽埋管从社会效益与经济效益上来讲更具有优越性。

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