大口径顶管施工技术在市政工程项目中应用

李玉辉

（山东宇通路桥集团有限公司，山东 广饶 257300）

市政工程项目开展阶段，大口径顶管技术应用水平的好坏直接关乎着项目整体建设进度以及质量，因此在大口径顶管技术应用环节中要了解该技术的应用原理以及应用范围，构建出科学有效的技术方案这样才能够推进工程项目的有效开展。

1 大口径顶管施工技术的原理与优势

1.1 原理

大口径顶管施工技术应用到市政工程项目地下工程建设，应用效果良好，被广泛投入到工程中应用。该施工技术的原理就是通过产生巨大推力的设备，将管道直接推入到土层结构内。在实际施工阶段，需要落实管道的铺设施工，在开端和尽头都要建设工作井和接收井，以满足现场施工的要求。如果管道施工地带的地质条件复杂性较高，需要在管道铺设线路的中间位置再建设中间井。然后通过应用推力非常大的设备实现钢管完成顶进作业，把正式管道通过工具直接推入到工作井内，就完成管道的铺设施工。

1.2 优势

大口径顶管施工技术较之传统施工技术来说，市政工程地下空间施工不需要进行土体开挖作业，所以施工工作量相对较少，同时还能够有效的降低成本、提高经济效益。该施工技术在进行公路、铁路等工程地下进行管道铺设施工操作非常方便，施工效率比较高，尤其是在城市商业或者民用住宅的区域内，进行管道铺设施工效果良好，不会给地上建筑的运行带来任何的不利影响。和以往的开挖铺设管道施工技术对比，大口径顶管施工技术的应用速度较快，成本相对较低，同时在施工环节还不会产生过大的噪音或者粉尘污染的问题，相对来说对于环境影响较小，施工效益比较高。此外，大口径顶管施工技术在使用，占据的施工空间比较小，还不会给周边居民的生活造成过大的影响，所以是市政工程首选的施工方式。但是因为该技术的复杂性要比传统技术高，所以在施工中对于工作人员的技术要求较高，还要结合现场的具体情况进行地质条件的勘察，各个方面资料和数据信息完整后，才能使得项目施工完全符合设计方案和技术要求，否则将无法有效控制，出现严重的质量问题。

2 工程概况

某工程项目是市政工程，为当地重要的基础设置，其建设的管道总长度为4750m，主要是从市区的医院通向污水处理厂内，符合当地的城市规划设计要求。该管道的埋设深度为7～12m，场地的30m范围内地层条件比较特殊，地层的类型比较多，变化也比较大，为中软场地的土质条件。经过分析发现，该地区的建设土质材料为粉质粘土，需要穿越粉沙土。

经过该区域内，地下水的深度为2.4～5.8m，地下水的类型为潜水类型，经过当地的地质条件资料分析发现，水位的年变化范围在1.0m左右。该项目施工的长度较长，沿线的地质条件变化比较大，地质条件也会有很大的变化，尤其是临近交通基础设施的地带，地质条件发生很大的变化。经过和城市基础设置资料统计分析，发现该施工范围内输水管道、天然气管道以及光缆等，同时还有重要交通设施，对于现场施工的影响比较大。经过技术人员的现场勘测和分析，发现如果使用传统开槽的施工方式并不能满足要求，容易引发施工质量问题，还会给周边的建筑物、管线等产生影响，确定应用机械顶管展开项目施工。该施工方式的优势在于不会开挖地面结构，所以不会给地下管线和地上建筑物产生影响，施工质量和效果完全符合要求，施工工期比较短，能够尽快投入使用。

当前所应用的顶管施工中，比较普遍应用的是如下三种平衡理论：气压平衡、泥水平衡和土压平衡理论。土压平衡理论是应用掘进土仓内泥土的压力以平衡掘进机位置上土层土压力和地下水的压力以完成顶管的施工。从发展实际情况分析，土压平衡理论已经大量的应用到实际中，具体原因如下：首先，使用范围要比其他技术广泛，主要是进行全土质顶管掘进机开展施工，所以使用范围较大；其次，土压平衡掘进在具体施工中，排出的渣土较之泥水平衡方式排出更加容易。再次，土压平衡掘进施工方式要求比泥水平衡气压设备要简单。因此，本次工程中，最终选择使用DK式土压平衡掘进机开展施工。该施工中，应用该方式就是通过土仓前的辐条式刀片处理，现场通过搅拌棒的搅拌处理，所使用的是全新的一种全端面钻削式土压平衡顶管掘进机，施工效率高、速度快。

3 顶管技术要求

3.1 管材选用

顶进作业环节，管材部分受力条件很特殊，分析了解结构形式以及制作方面的标准和要求，且受到地下水位的影响，所以管道必须不会存在渗水的情况。基于此，施工设计人员决定选择应用“F”型钢筋混凝土管开展顶进作业施工，一般来说，根据需要在检查制作衬板，并且使用橡胶圈密封处理，不会发生错口、不能纠正、管缝存在漏水以及混凝土管因为压力不均匀而产生管道发生断裂的问题。该混凝土管施工主要具备如下的优势：和平口管的形式对比分析，其接口不容易发生渗漏问题，也不会出现错口的情况；和“T”型套环管形式对比，节约了一环筋板和一环沉淀的材料，运行可靠性更高，使用范围扩大，即使在砂砾土的地质条件下，也能够满足使用的要求；因为钢套环是埋设到混凝土管内，所结构刚度性能提升比较明显，运输阶段不会发生变形的问题。此外，接口的部位容易安装橡胶密封圈，充分的保护注浆管道；如果管道发生偏移，可以及时进行纠正，其最大张角会达到3°左右，可靠性良好；该方式和企口管对比分析，接口之间的接触面积增加一倍左右，应用到长距离顶管施工。

经过现场检测与分析，应用“F”型钢管混凝土管开展施工，顶力会达到2000kN，超出理论参数16273kN，没有出现管道开裂的问题。同时，在现场施工中，有些曲线顶管出现过大的偏差，还会导致管道受力比较大的管道位置发生严重的损坏问题。

3.2 顶力、顶距的确定

顶力和顶距属于矛盾的结构体，同时因为地质条件以及土壤环境的变化，是管道以及工作井在设计中必须要考虑的因素，对于结构计算会造成影响，同时也会影响工作井的数量，对于项目建设的成本带来很大的影响。

本次施工中，创业粘土层、粉土层以及粉沙土层，地质条件复杂性较高，并且管径比较大，为了确保项目施工可以顺利进行，保证顶力以及工作井抗力为9000～10000kN。为了保证长距离顶进施工可以顺利的进行，在顶管作业的阶段应该选择使用必要的减阻方式，同时每个井段的具体情况为主，增设1～3个中继间，保证逐级顶进施工可以顺利进行。在顶进时，采用的是双向顶进的方式，如图1所示。

图1 施工流程

在项目设计中，总计包含有16个工作井与接收井，然后继续进行顶进施工，根据实际应用的需要增加顶进的长度距离，然后做出必要的改进和调整。从本次工程实际应用情况分析可以确定，总计减少工作井、接收井11个，所以施工量减少比较明显，并且单一顶进施工的距离最大可以达到396m，最小也只是116m，确保施工可以顺利完成。

3.3 工作井和接收井选择

对于机械顶管施工来说，出入口的位置尤为重要，井壁是后座墙的结构形式，受到总顶力的持续性作用，做好现场合理设置工作，消除对于顶管产生的影响，且因为该次顶进施工距离比较长，还有地下水位的影响，所以在施工中采用钢筋混凝土沉井。

4 施工关键工序

4.1 沉井施工

沉井施工的作用就是实现下沉处理，包含下述几个方面的工作：1）纠偏。沉井下沉的施工过程中，最为常见的问题就是井筒偏斜、沉降偏差过大等问题，应该立即采取措施纠正，应该立即选择合适的措施进行纠偏处理，并且辅助局部增加荷载纠偏的措施；2）下沉环节的控制。顶管施工作业的目标是提高速度、节约成本，不会影响建筑和人们的生活。如果沉井时，下沉影响的范围较大，顶管施工就无法满足要求，尤其是在交通要道的位置上，沉降下沉范围较大，容易导致交通中断。本次工程中，为中小沉井的方式，下沉深度为12m左右，且下沉速度要保持在合理的范围内，保证沉降在顶部低于地面时才开裂，保证影响范围每侧为3m左右，确保不会影响建筑物和交通的安全；3）封底。在沉井达到设计标高后，经过观测8h累计沉降在10mm左右时，进行沉井封底。

因为在这一条件之下，地下水含量过高的情况下，封底作业施工应该立即采取排水处理方式，并且封底环节应该结合实际情况布置盲沟与集水井，让底部结构的强度和刚度性能合格，为顶管作业施工提供基础条件。

4.2 顶管施工

经过两年实践，顶管施工作业顺利开展，在具体的施工中，应该做好如下几个方面的控制工作。

4.2.1 顶管掘进机出洞

顶管出洞环节非常重要，其主要是在施工中，在工作井的位置上安装掘进机与第一节管从井中破封门进入到土体结构内。在顶管出洞的环节，一般要做好如下几项工作：管线放线、后座墙附加层制作、导轨铺设、洞口止水以及穿墙等工作。下面只选择几个重要方面分析：后座墙附加层在制作中，主要包含下述工作：①该工作面的布置与顶管管线是垂直的；②如果发现管线有折角，应该使用圆形工作井的方法，后座附加层结构上宽度尺寸精度合格，能够根据需要架设主顶油缸发射架，为后续施工提供基础；③如果有折角管线的形式，还可以使用方井的结构，后座墙附加层厚度按照标准要求确定，如果在现场布置有加劲肋的结构，能够根据需要调整厚度，可以结合具体的情况设定，保证宽度达到发射架使用的要求。后座墙附加层结构通常会使用混凝土结构制作，所使用的材料型号至少为C20，保证后座附加层结构的覆盖洞口符合要求，要在洞口部位上应用型钢加固施工；④后座墙附加层不能应用方木的形式，这是因为木材存在弹性，顶管作业阶段，主顶油缸会持续性作用到木材上，其会发生变形的问题，长期作用之下会发生结构变形、损坏，导致顶进施工质量无法满足要求，也会造成设备损坏的情况。

4.2.2 洞口止水

顶管工程施工阶段，让管子从井内直接出洞，通常来说需要使用工作井预留洞口的直径稍微大于管道外径，通常为100mm左右，顶进施工环节，该间隙必须做好封闭性处理，否则容易导致地下水和泥砂经过间隙直接进入到工作井内，容易出现洞口塌陷的问题，诱发安全事故，极大的影响周边建筑物、管线的正式运行。根据实际情况分析，在现场需要使用洞口止水的方法制作沉井，预先在洞口的位置埋设10mm厚的法兰，使用螺栓进行连接，安装16mm厚的橡胶法兰，并且使用10mm的钢板压紧。

顶管安装工作全部完成后，在现场使用16mm的橡胶法兰止水处理，如果没有地下水或者泥砂等进入到结构内部，通常情况下可以再次利用橡胶法兰和压板，施工成本控制效果良好。圆形工作井的结构是比较先进的，在洞口设置弓形止水墙，能够满足使用的要求。止水墙的强度和性能满足要求，按照法兰尺寸制作。

4.2.3 穿墙

穿墙主要指的是从开启封门到掘进机定出工作井的过程，这是顶管施工的关键性工序，由于穿墙施工之后掘进机的方向是否正确，做好管道的方向控制，保证井内管节拼装质量合格，不会影响工程的实施效果。穿墙环节，首先要避免泥水进入到井内，避免出现塌陷或者流沙的问题。其次，管道结构精度合格，顶进方向符合使用要求。

①控制泥水进入到井内，一般会在现场的规定位置上砌筑挡土墙，即保证洞口不会出现涌入的情况，并且保证井壁外侧预埋钢板能同时沉降；②如果土质强度不足或者存在流沙的情况，防止在现场出现塌方的问题，需要在洞口的结构位置上实施加固处理，达到强度性能和标准的要求，通常加固长度为工作井外20m；③在掘进设备即将进洞的条件下，要保证封门部位上不会有任何杂物的存在，同时将刀刃逐步的深入到井壁结构内，使用止水橡胶法兰以及掘进机进行稳定的连接，保证钢板桩可以在该位置上拔出；④顶管出洞之后，应该将掘进机调零；⑤要想避免出现穿墙时发生下跌的情况。下跌的问题发生，主要是由于入土数量较少，掘进机的自重知识通过两点支撑的形式，中点为导轨的位置，零点是比较浅的土体结构。这是应用到支撑结构的应力难以超出允许承载力，所以发生了掘进机下跌的问题；二是工作井下沉环节扰动洞口而掘进较重。为了避免发生下跌的问题，通过土体加固、延伸导轨、保留预留风等方式处理，同时还要适当的抬升掘进机头，以不会发生下跌的问题；⑥避免掘进机和前几节管道后退。要想达到这一要求，必须做好掘进机主顶面的土压力控制，避免掘进机与管道周边存在过大的摩阻力，从而保证施工顺利进行。通常来说，主顶油缸回缩前，应用螺旋出土机进行卸压处理，或者使用手拉葫芦在洞口位置拉住，也可以使用钢材等顶住，保证不会发生后退的情况。

4.2.4 中继间设置

机械顶管施工工艺的应用，其关键的就是掘进机，但是如果顶进距离过长，容易造成顶进力不足，必须设置中继站方能满足要求。因为长距离的管道施工方式，由于周边有较大的摩阻力，并且会随着时间延长，阻力会快速增大，只是通过主顶油缸进行顶进是不能满足要求的。一方面主站油缸顶力有限，另一方面主站顶力受阻。为了能够有效的解决上述的问题，需要设置中继站。中继站可以分散顶力，让管道分节段开展顶进施工。中继站设置后，并无明确的规定。第一套中继站的设置应该综合分析掘进机迎面阻力与部分关闭阻力形式，需要留有较大的安全系数，其他中继站的设置要分析管壁的摩阻力，具备一定的安全性。这样设置后，可以满足顶进施工的要求，且不会产生结构的损坏，保证施工质量和效果。中继站设置时，要结合现场的土质条件确定，按照顶进施工的状态，通常要在粘土、粉质粘土等位置设置中继站即可满足要求。在砂土、淤泥质土等土质条件下顶管施工，应该根据需要调换密封装置设置中继站，否则容易导致顶管施工无法继续进行。

4.2.5 注浆减阻

注浆减阻也是施工的重要工作，尤其是长距离顶进或者曲线顶管施工中，对于顶进效果的影响最大。顶管施工作业的条件下，如果注入的润滑浆比较充足，然后在管道周边环境内形成浆套，达到保护与润滑的效果，减阻效果比较好。注浆设备、注浆材料是关键，影响注浆质量，注浆应用的膨润土应该使用钠基膨润土，不能使用钙基膨润土的材料。此外，在使用之前应该进行检测，主要从比重、静切力、粘度、失水量、稳定性方面出发检测，只有全部符合要求才能投入到现场进行施工。

5 结语

综上所述，大口径顶管施工技术应用到市政工程项目中，综合效益较高。在大口径顶管施工技术支持之下，能够保证施工顺利实施，完全满足管道运行标准。因此，施工单位应该积极总结施工经验教训，发挥出大口径顶管施工技术的优势，提高施工质量水平，还要加强新技术、新工艺的研发和应用，提高市政工程的质量水平，为城市高水平发展奠定基础，为我国城镇化进步起到积极促进作用。