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顶管技术在市政工程中的应用及施工要点分析

王会军 冯智
摘要：顶管技术是非开挖敷设地下管道的施工技术之一，普遍适用于各种管径的地下管道，它具有环保、施工文明、效率高、造价经济合理的特点，近年来在我国得到了迅猛发展，尤其是在穿越城市道路及江河的管道敷设工程中，应用尤为普遍。现以个人在工作实践中的体会，对顶管技术的应用作简要阐述，并对其施工过程中的控制要点进行初步探讨。
关键词：顶管 市政工程 施工要点
引言：
顶管施工，就是非开挖管道敷设施工方法，是一种不开挖或者少开挖的管道敷设施工技术。
顶管工程是一门综合地质学、电子技术、机械、液压控制及化学等多门学科的综合性土建工程。顶管施工技术在我国经过三四十年的应用、推广，近年来得到了迅猛发展，特别是在城市市政工程建设中应用极为广泛，因为它不需要开挖面层，能穿越地面构筑物和地下管线及公路、铁路、河道，可以在很深的地下敷设管道。
顶管技术的快速发展也使得在市政工程需要敷设大量给排水、热力管道、通讯线路等施工时，大大降低对城市的交通、噪音、粉尘的危害和影响，是真正的无污染、高效率的施工技术，在稳定土层、环境保护方面凸显其优势。这对交通繁忙、人口密集、地面建筑物众多、地下管线复杂的城市是非常重要的。它为城市创造一个洁净、舒适和美好的环境。它还可以节省大量建设投资、缩短城市建设的周期。因而，顶管技术在当前市政工程中被大量应用，像我们参建的徐水县污水处理厂截污管道工程、周口市污水处理厂截污管道工程、巩义市新区热力管道穿越城市道路的一段，都采用了顶管施工。
2.顶管工作原理：
顶管法施工，就是是在管道的沿线按设计的方案设置工作井和接收井，工作井内设置坚固的后座，吊进油压千斤顶以及要顶进的钢管或混凝土管，接好照明、泥浆管、油管等管线，然后用油压千斤顶缓慢顶进。通过压浆系统使管节周围形成泥浆套，管道在泥浆套中滑行。在顶进的过程中通过激光经纬仪测量顶管的方向，边顶进边排土边调整，直至管道顶至接收井内。
目前，在顶管施工中最为流行的有三种平衡理论：气压平衡理论、泥水平衡理论和土压平衡理论。所谓气压平衡是在所顶进的管道中及挖掘面上充满一定压力的空气，以空气的压力达到平衡地下水压力和疏干挖掘面土体中地下水的作用。所谓泥水平衡理论就是以含有一定量粘土的且具有一定相对密度的泥浆水充满掘进机的泥水舱，并对它施加一定的压力，以平衡地下水压力和土压力的一种种顶管施工理论，按照该理论，泥浆水在挖掘面上能形成泥膜，以防止地下水水的惨透，然后再加上一定的压力就可平衡地下水压力，同时，也可以平衡土压力。所谓土压平衡理论就是以掘进机土舱内泥土的压力来平衡掘进机所处土层的土压力和地下水压力的顶管理论。
顶管施工最关键的就是适应性问题，针对不同的地质情况、施工条件和设计要求，选用与之适应的顶管施工方式，正确地选择顶管机和配套辅助设备，对于顶管施工是非常关键的。
3.顶管施工在市政工程中的应用
以前，在城市市政管网施工时，许多城市都存在道路反复开挖的现象，严重防碍了城市交通，困扰了居民的生活，缩短了路面的寿命，配套的通讯、自来水、煤气、排水、路灯等设施也要反复拆建，加大了对城市设施的破坏，并增加了施工的难度。而采用顶管施工，就可以大大缓解这方面的矛盾。
顶管施工在市政工程中主要应用在以下几种情况：
⑴旧城改造过程中，由于多年形成的各种管线相互交错，很多管线地下位置不明、原始资料缺失、不全等，市政管网铺设时，无法对路面进行有效开挖。
⑵城市架空线路遇交通干线、繁华街道、文物古迹，或铁路、江河阻截，需转入地下过渡。
⑶当污水管道管径较大，而施工现场周边环境受限，无法采用明沟开挖来埋管施工。
4.顶管技术的优势：
顶管敷设管道施工技术特别适用于大、中型管道的施工，具有经济、高效、环保的综合功能。采用该技术施工，既能节约一定的征地拆迁费用，又可减少环境污染和对道路的堵塞，具有显著的经济效益和社会效益。它的优势包括：⑴不用开挖地面，尤其是城市道路；⑵不用拆迁征地，不会破坏地面建筑物；⑶不影响正常的交通秩序；⑷不破坏地表植被和周边环境；⑸施工过程不受气候和环境的影响；⑹不影响管道的段差变形；⑺省时、高效、安全，无建筑垃圾污染，并且综合造价低。
5.顶管技术施工要点分析
5.1现场踏勘及调查
定位测量后进行现场踏勘及调查工作，包括⑴观察现场人、车流情况确定人流及车流交通组织及路线，考虑在路口设置交通导向牌，高峰期安排人员指挥交通；⑵摸查清楚附近的排水系统，设计最佳的排泥水路线，避免污水横流；⑶对于现场的煤气、电力、通讯、供水等管道进行现场定位，并表示出来，看是否需要临时关停或搬迁；⑷调查雨水渠箱、原有污水管道等埋设较深的市政地下构筑物；⑸对于附近一些桥梁等构筑物，调查其桥台基础、桩基深度及间距，附近建筑物基坑采取什么结构形式，是否采用喷锚结构施工，其长度是否在顶管顶进轴线内。
总之，尽量利用一切可能的手段调查，分析一切不利与施工的影响因素。
5.2施工前技术准备
可以要求业主方提供顶管顶进路线详尽的地质资料，尽量了解土层的物理性质（颗粒组成、含水量大小、透水系数及塑性指数)、力学参数(标准贯人值、内粘聚力及内摩擦角)、分布状况(分布范围及埋深厚度)等等。了解地下水的状况及变化规律如地下水来源、水面标高及是否受到潮汐影响而变化等。如果有砂层则要搞清含砂量多少及砂的细度情况及级配关系，岩层则要搞清楚是否有裂隙发育，等等。一般来说现行业主及设计单位提供的地质资料不够详细，作为施工单位，通常要求业主补钻，自己也应该在顶进线路上补鉴别孔，局部问题点补技术孔。
5．3顶管的施工
（1）工作井及接收井的施工：根据现场地质情况及周边建筑、管线情况，考虑打入木桩保护管线及土体下滑，然后开挖工作坑。工作坑开挖时每边增加工作宽度。
（2）油压千斤顶吊放就位，轨道安装。
（3）管节的选用、安装：管节必须全面检验，发现外观有缺陷的一律禁止使用。管道吊放前上好橡胶止水圈。将管节吊放在轨道上，安放环形顶铁，缓慢推进，让接头平顺对接。如发现有破坏、翻转、出槽等现象，必须退出管节，重新更换、调整橡胶圈，重新对接。
（4）管节顶进：
顶进的流程为：测量放样—施工工作井—井内导轨机架、液压系统、止水圈等安装—地面辅助设施安装—顶管机吊装就位—激光经纬仪安装—第一节顶出工作井—正常顶进—第一节进入检查井位置—结束顶进。
顶进阻力主要由正面阻力、周边摩擦阻力组成，为减少顶进正面阻力，顶进的机头可用尖钻头。随着顶进距离的增长，推力上升很快。为避免管节超过受压极限破坏，管壁外的减阻是工程顺利完成的必要手段。触变泥浆减摩是顶管施工中减少阻力的重要措施。在顶进的过程中通过顶管机尾部的同步注浆与管道上的预留注浆孔向管节外壁压注一定数量的减摩泥浆，起到降低顶进阻力的效果。
顶进线路的控制：机头自身有一定的纠偏段，顶进线路的控制主要依靠设备的正确操作和操作者的预见性。在顶进过程中要不断对工具管的高程方向转动进行测量，勤测勤纠。
泥土外运：泥屑由泥水系统随泥浆管排出，及时外运。
顶管注意事项：当掘进机停止工作时，一定要防止泥浆从土层、洞口或其它地方流失，以保证挖掘面的稳定；在挖掘过程中，注意观察地下水压力的变化，并及时采取相应的对策和措施，保证挖掘面的稳定；在顶进过程中，要不时检查泥浆的密度和性能是否正常，拍你泵的流量及压力是否正常；注意防止地面的沉降和隆起，在顶管沿线周围按一定距离设置观测点，监测顶进过程中的地面沉降量；开挖断面取土过多或过少，会造成地面的沉降或隆起，为避免这种影响，应在压浆时控制好压力，恰好能平衡泥浆套以上泥土的压力。
6.结束语
顶管敷设管道施工技术在不稳定及饱和土层中以最小的破坏和最大的保护环境等特点，解决了市政工程管网施工中的难题，并在应付最恶劣的地下土壤条件中具有一定的施工优势，便于针对任何复杂的城市地形和交通布局都能提供最经济、准确、快速而可靠的解决问题的方案。所以，顶管技术的出现为创建都市的安宁环境和加速旧城区改造发展造就了勃勃生机。
参考文献：
[1]李健 顶管施工法的技术特点分析 [J]．筑路机械与施工机械化，2006(7)
[2]周民强 顶管施工技术[J]．甘肃水利水电技术，2005 (1)
[3]方从启，王承德 顶管施工中的地面沉降及其估算 [J]．江苏理工大学学报，1998(4)

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