顶管施工技术在给排水管网施工中的应用研究
摘要：本文通过结合具体工程实例,阐述了顶管技术在市政工程建设中的应用及施工要点,并讨论了顶管施工存在的工艺问题,对于类似管网更新改造施工具有一定借鉴意义。
关键词： 顶管技术，给排水，管道施工
Abstract: this paper through the combined with concrete engineering examples, this paper expounds the pipe jacking technology in the construction of municipal engineering application and key points of construction, and discussed the pipe jacking construction of the existing process problems, network retrofit for similar construction with a certain reference.
Keywords: pipe jacking technology, water supply and drainage, pipeline construction
顶管施工技术是一项涉及到电子技术、冶金、地质学以及化学等多门学科的综合施工技术。随着城市建设的高速发展，城市市政管网的建设已经进入一个新的高速发展期，无论是城市新管网的建设，还是城市老管网的更新改造与配套完善都是当前各城市面临的新课题[1]。
目前，在许多城市市政管网施工时，由于多年形成的各种管网纵横交错，很多管线地下位置不明，原始设计图纸档案丢失或不全等因素，市政管网铺设受到施工现场周边环境限制，无法采用明沟开挖来埋管施工，而顶管施工技术能够保证施工管线线路的精度、管道曲率半径大小、顶进的区间长度，所以顶管技术在市政给排水施工中得到了突飞猛进的发展和应用[2]。
1工程概况
由于老城区市政管网存在多数管道口径细小、年代久远且老化严重等现象，已不能满足正常城区给排水需求。为了保证人民生产生活正常进行，市政府对社区12个点的管网进行更新改造。
这次管网更新改造工程所涉及施工地点地质情况复杂，管道施工中需要多地点穿越公路、区民点、城市道路交通路口，以及现有地下构筑物、管道等。为了不影响上述地点的正常运行，我们根据不同的地点，不同的地质条件，结合施工设计及规范要求，采用了顶管工艺施工技术进行施工。工程现场平面及场地
环境条件如图1所示：
图1：工程现场平面及场地环境
2、顶管技术应用特点
顶管施工技术是一种能够通过采用少开挖或者不开挖的管道施工技术。它最显著的特点就是不开挖或者少开挖, 除了对工作井和接收井进行开挖外, 其他的管道铺设均不需要开挖土方, 它的实质就是通过土层穿洞操作来实现管道工程施工。其施工人员仅在工作井和接收井中进行施工, 并可在地面操作及室内进行遥控控制, 施工安全可靠性很高。顶管施工技术能够减少地表沿线的拆迁工作量，降低工程造价，但也存在缺点：施工技术难度较高，需要详细准确的工程地质和水文地质勘探资料。
顶管技术施工原理是在管道的沿线按设计的方案设置顶管工作坑和顶管接收坑，工作坑内设置锁紧片，吊入掘进机以及要顶进的钢管，接驳照明，泥浆管等管线，然后用锤击式掘进机缓慢顶进顶管，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，直至将钢管顶至接收坑内[3]。顶管施工技术结构如图2所示：
图2：顶管施工结构图
3.顶管施工方案
3.1顶管设计
根据《给水排水管道工程施工及验收规范》的规定,顶管总推力按下式计算:：
（1）
其中; P为计算的总顶力，为管道的外径， r为管道所处土层的重力密，H为管道顶部以上覆盖土层的厚度，为管道所处土层的内摩擦角，f为管道表面与周围土层之间的摩擦系数。如果采用触变泥浆减阻措施时,取值为0.15；L为管道的计算顶进长度； PF为顶进时工具管的迎面阻力。
PF的计算公式为:（2）
式中: R为500kN/m2 ， t为0.032m。
普通每节钢管所能承受的最大推力可按下式计算:（3）
式中: 为钢管的外径, m; t为钢管的壁厚, m。
经计算, DN3400钢管允许顶力为75287kN, 顶管主顶选用8台200t千斤顶, 千斤顶顶力为16000kN,可以满足一级顶进的要求, 最大顶力在16000kN时, 可以顶进的长度是84m。
主站最大顶力16000kN,每个中继间设35个千斤顶, 每个千斤顶顶力为500kN，每个中继间总顶力为17500kN。根据推算的结果可以满足工程推力的需要。
3.2施工工艺流程
本工程采用泥水平衡顶管施工，根据顶管施工的工作特点, 该工程的关键施工工序：测量放线工作坑开挖坑内设备安装机头穿墙出洞顶进注浆下管管道接口焊接管道贯通竣工验收结束。具体流程详见图2：
3,3施工难点
1) 泥水压力一定要合理。压力如果过小，会涌入大量的泥砂，会造成路面破坏，地面建筑沉降开裂；压力如果过大，会增大主千斤顶负荷，严重的可能产生冒顶现象。
2)对于工程地质复杂、恶劣的软土层, 必须采用水泥注浆进行加固。
3）如果利用触变泥浆注浆进行减阻，顶力控制的关键在于如何最大限度的降低顶进阻力, 而降低顶进阻力的最有效方法是注浆, 注浆使管道外壁形成泥浆润滑套, 从而降低顶管顶进的阻力。
4）由于可能会存在地下水位较高的情况时,必须采取地面设置降水井点进行降低地下水位, 防止出现管涌现象。
5)在特殊工程地质地段要进行动态施工监测, 观测在顶进过程中地面及建筑是否发生沉降变形和土体移位情况, 以便采取保证质量安全预防措施, 保证施工安全。
6）结合地质情况, 在地下水位高的地区不能采用钢板桩坑、瓦楞钢板坑等防水性较差的结构形式; 推荐采用钢筋混凝土沉井作为工作坑和接收坑的结构形式。工作井和接收井的尺寸及形式应在满足结构和施工要求的前提下尽量减
小尺寸,以降低工程造价[4]。
3.4各主要工序施工方法
1) 穿墙顶进。顶管进出洞是整个顶管市政管网施工过程中的关键环节之一。本工程是采用在进出洞口安装可拆式止水钢圈，并在钢圈上安装止水胶圈，达到止水效果，同时在支护桩的外边线做旋喷桩止水幕墙防止外水渗透进入。
2) 正常顶进。管道开始正常顶进时，顶管机大刀盘切削前方土体，切削下来的土体进入顶管机的泥土仓内，经刀盘的搅拌与进浆管送入的清泥浆搅拌成浓的泥浆，再通过排浆管道将浓泥浆排出机头。
3）工具头的偏位作好记录。在工作坑后座位置设置测量基座,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。
4) 中继环接力顶进。随着顶入距离的增加，产生的摩阻力也随之增大，主顶推力也随之增大，管节强度和工作井的结构强度不能满足顶力时，需采取中继环接力顶进。中继环内均匀地安装有许多台小千斤顶，通过中间的小千斤顶的伸出动作，推动外套往前推出，外套向前推动管节一段距离，又通过后部主顶推动管道运动，使小千斤顶缩回复位，不断往复运动推进管节，使整段管道向前推进。
4、结论
顶管技术从根本上改变了市政管网排水工程施工时造成破损路面的现象，大大保护了城市的环境和交通畅通性,相对与开槽埋管从社会效益与经济效益上更具优越性。特别是在不稳定及饱和土层中以最小的破坏和最大的保护环境的特点，解决了市政给排水管网的技术性难题。顶管技术适用于各种复杂的城市地形，顶管技术可极大满足城市发展对给排水工程的要求，加大推广顶管施工技术力度势在必行。
参考文献
[1] 杨军等, 浅谈软土地区大口径长距离机械顶管技术[J],安徽建筑，2008，3（160）：53-55。
[2] 马晋毅, 顶管技术在城市水务工程中的应用[J],黑龙江水利科技，2011，2（39）：71-73。
[3] 刘金龙，郭鹏等, 谈市政给排水施工中顶管技术的应用[J],工程科技，2010，36（7）：238-240。
[4] 翁献明等, 顶管技术在污水管网工程中的应用[J],山西建筑，2009，35（21）：133-135。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
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