淺談城市供水管網(wǎng)頂管技術(shù)的應(yīng)用

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摘要:隨著城市的發(fā)展，供水管網(wǎng)的建設(shè)問題也日益突出，傳統(tǒng)的挖槽埋管施工技術(shù)影響范圍較大，不利于施工。而頂管技術(shù)作為一種非開挖施工方法，近年來在城市供水管網(wǎng)的建設(shè)中應(yīng)用廣泛。本文就頂管技術(shù)進(jìn)行單介紹，重點(diǎn)對頂管技術(shù)在供水管道建設(shè)中的施工應(yīng)用進(jìn)行了分析討論。 

關(guān)鍵詞：非開挖施工；頂管技術(shù)；設(shè)計(jì)；施工；基坑開挖  在城市供水管網(wǎng)建設(shè)中，傳統(tǒng)的挖槽埋管地下管線施工技術(shù)由于對地面交通影響較大，同時(shí)給市民工作、生活帶來許多不便，如何使這些安裝工程對城市的影響減至最小，已經(jīng)成了一個(gè)迫切解決的問題。非開挖技術(shù)將完全能解決這些難題，提供安全及經(jīng)濟(jì)的施工方法。非開挖技術(shù)是指利用少開挖和不開挖技術(shù)來進(jìn)行地下管線的鋪設(shè)或更換的工藝。頂管技術(shù)就是在這種情況下發(fā)展起來的一種非開挖技術(shù)。隨著頂管技術(shù)在供水管網(wǎng)的廣泛運(yùn)用，本文主要討論在頂管技術(shù)施工過程中出現(xiàn)了一些具體的技術(shù)問題，并以此和同行共享。  1 頂管技術(shù)的組成  頂管技術(shù)包括頂管機(jī)械設(shè)備及頂管工作坑。  1.1 頂管機(jī)械設(shè)備  頂管機(jī)械設(shè)備包括主頂千斤頂與頂管機(jī)頭，機(jī)頭主要為敞開式頂管工具管和封閉式頂管掘進(jìn)機(jī)二大類型。  敞開式頂管工具管有手掘式、擠壓式、網(wǎng)格式等。  封閉式頂管掘進(jìn)機(jī)有泥水平衡、土壓平衡、加泥式土壓平衡、斗鏟式和多刀盤等。  1.2 頂管工作坑  工作坑分為頂管坑與接收坑。  頂管坑為供頂管機(jī)頭及千斤頂安裝和出坑用的主頂設(shè)備工作坑。  接收坑為供頂管機(jī)頭出坑和拆卸的接收工作坑。  2 頂管設(shè)計(jì)及施工前期工程勘察  頂管在設(shè)計(jì)與施工前，應(yīng)對實(shí)施頂管的區(qū)域進(jìn)行實(shí)地勘察，確定頂管區(qū)域及工作坑具體位置，掌握頂管可能對周圍環(huán)境和附近建筑物的影響，保證其結(jié)構(gòu)安全性和正常使用要求。工程勘察包括地質(zhì)勘察與物探。地質(zhì)勘察主要是了解頂管區(qū)域各土層分布情況及土層物理力學(xué)性質(zhì)，了解地下水及深基坑下承壓水頭突涌可能型，提供不小于2.5倍基坑開挖深度范圍內(nèi)土層的滲透性指標(biāo)；物探主要是摸清頂管范圍內(nèi)各地下管線、通訊及電纜等分布情況。在完善了工程勘察具體情況后，根據(jù)地質(zhì)勘察與物探資料確定頂管埋深，同時(shí)還應(yīng)滿足下列要求：  (1)管頂覆蓋土層厚度不宜小于1.5倍頂管直徑且不小于3m；  (2)平行管道間的水平距離宜大于2倍頂管直徑；  (3)空間交叉管道的凈間距鋼管不宜小于0.5倍直徑且不應(yīng)小于1.0m。  3 頂管機(jī)頭的選型、頂力估算及中繼間接力系統(tǒng)  3.1 機(jī)頭選型  頂管機(jī)頭的選型，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)勘探的地質(zhì)鉆孔柱狀圖和地質(zhì)縱部面圖實(shí)際情況，了解機(jī)頭所穿越的地層情況進(jìn)行分析研究。  (1)敞開式分為手掘式、擠壓式、網(wǎng)格式種型式。手掘式適用于粘性或砂性土，在軟塑和流塑粘土中慎用；擠壓式與網(wǎng)格式適用于軟塑、流塑粘性土，均對管道周圍地質(zhì)有較大變形影響。  (2)封閉式分為斗鏟式、多刀盤土壓平衡式、刀盤削土土壓平衡式、加泥式機(jī)械土壓平衡式、泥水平衡式5種型式。斗鏟式適用于地下水位以下粘性土砂性土，但粘性土的滲透系數(shù)不大于10-4cm/sec。多刀盤和刀盤削土土壓平衡式適用于軟塑、流塑的粘性土，在粘質(zhì)粉土中慎用。  3.2 頂力估算  為防止管道頂力較大，保證設(shè)計(jì)合理性及后座結(jié)構(gòu)安全，同時(shí)保證地層穩(wěn)定，多采用管外壁注漿減阻進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工。頂管的頂力標(biāo)準(zhǔn)值按下式估算:  fk=πd1lf+nf  式中:  fk一計(jì)算頂力標(biāo)準(zhǔn)值(kn)  d1—管道外徑(m)  l—管道計(jì)算頂進(jìn)長度(m)  f一觸變泥漿中管壁與土的平均摩阻力，一般為:8-12kn/m2  nf—工具管(機(jī)頭)的迎面阻力標(biāo)準(zhǔn)值(kn)  敞開式頂管的迎面阻力按不同的機(jī)頭型式進(jìn)行計(jì)算。封閉式頂管(土壓平衡、泥水平衡和多刀盤頂管)的迎面阻力按下式計(jì)算:  n1=πd12p1/4  pt=γ(h+2d1/3)tg2(45°+φ/2)  式中:  pt—機(jī)頭底部以上1/3d1處被動土壓力  h—管頂土層厚度(m)  因?yàn)轫敼苓^程的力學(xué)參數(shù)計(jì)算是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，它受地質(zhì)因素、土層改良方法、掘進(jìn)參數(shù)等一系列參數(shù)的影響，同時(shí)涉及材料力學(xué)、巖土力學(xué)、流體力學(xué)、彈塑性力學(xué)等諸多學(xué)科，故在此以廣州某輸水工程所用的泥水平衡頂管的頂力計(jì)算作一介紹。頂管的頂力約等于頂管過程受到的阻力，包括工具頭正面泥水壓力和管壁摩擦阻力。根據(jù)本工程地質(zhì)勘察報(bào)告和水文地質(zhì)資料選取適當(dāng)參數(shù)并結(jié)合頂管機(jī)生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)共同計(jì)算后，本項(xiàng)工程頂管頂力按下式估算：  fk = nf +f0l  式中：  fk一計(jì)算頂力標(biāo)準(zhǔn)值(kn)  nf—工具管(機(jī)頭)的迎面阻力標(biāo)準(zhǔn)值(kn)  f0l——管壁摩擦阻力  nf =（pe + pw + △p）πd12/4  式中：d1——管道外徑(m)  pe——挖掘面前土壓力（kpa）  pw——地下水壓力（kpa）  △p——附加壓力（kpa）  f0l=（rs+wf）l  式中：l——管道計(jì)算頂進(jìn)長度(m)  r——綜合摩擦阻力（kpa）  s——管外周長(m)  w——每米管子的重力(kn/m)  f ——管子重力在土中的摩擦系數(shù)  3.3 中繼間接力系統(tǒng)  當(dāng)計(jì)算的頂力值大于頂管工作井的設(shè)計(jì)頂力時(shí)，頂進(jìn)時(shí)需加中繼間。中繼環(huán)的設(shè)計(jì)必須滿足剛度大，安裝方便和加工精確，并在使用中具有水密性。  （1）主體結(jié)構(gòu)主要由一下部分組成：  ①推力油缸，其規(guī)格、性能要求一致；  ②鋼殼體和千斤頂緊固件、止水密封圈；  ③液壓管道、電器和操縱系統(tǒng)。  （2）推進(jìn)流程：  第一個(gè)中繼環(huán)推進(jìn)——第一個(gè)中繼環(huán)停頂——第二個(gè)中繼環(huán)推進(jìn)——第二個(gè)中繼環(huán)停頂——如此類推到最后一個(gè)中繼環(huán)——主頂推進(jìn)——主頂停頂（如此循環(huán)）  4 頂管工作坑（頂管坑及接收坑）的基坑支護(hù)  頂管坑和接收坑是頂管工程中兩個(gè)重要施工作業(yè)坑，作為實(shí)施鋼管頂進(jìn)的頂管坑和接收頂管機(jī)頭及鋼管的接收坑，其大小應(yīng)根據(jù)具體的項(xiàng)管機(jī)具及不同的施工方法進(jìn)行確定。基坑的深度應(yīng)根據(jù)具體頂管埋深進(jìn)行確定，一般為頂管管底標(biāo)高下0.5-1.0m，以保證頂管過程中鋼管電焊焊接、焊縫驗(yàn)收及施工機(jī)具的運(yùn)行。  5頂管在供水敷管中的實(shí)施和運(yùn)用實(shí)例  頂管技術(shù)在供水排管的具體設(shè)計(jì)與運(yùn)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境實(shí)際情況采用不同的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，現(xiàn)根據(jù)廣州某大型輸水工程例舉如下:  某大型輸水工程某段輸水管道位于高速路等交通要道上，管線需穿越高速路、主干道、大型立交、河流和地面建筑物密集的特殊區(qū)域，為在此區(qū)域最大限度實(shí)現(xiàn)不開挖地面，不拆遷，不破壞地面建筑物，不影響交通，不破壞環(huán)境的目標(biāo)，故在此段管線采用頂管施工這一種非開挖掘進(jìn)式管道安裝技術(shù)。此管線段全長約2.7公里，共劃分為9個(gè)頂管段，根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境布局等限制條件，頂管段最長的達(dá)570米，最短的不足百米，根據(jù)地質(zhì)資料及現(xiàn)場勘查。  5.1本管線段工程具有以下特點(diǎn)及難點(diǎn)  (1)本管線段地下水位比較淺，頂管主要穿越的為粘土層、砂層，地下水豐富。  (2)其中幾個(gè)頂管段均為超長距離頂管施工，頂管阻力大，容易出現(xiàn)頂管井后座頂力不足的問題；  (3)超長距離頂管施工容易出現(xiàn)頂偏現(xiàn)象。但本管段部分頂管段位于大型立交橋區(qū)域，橋樁密布，頂管距離橋樁最近處距離僅有兩米，立交橋均為交通要道，頂管施工絲毫不能對橋樁有影響，施工精度要求高。    (4)工作井、接收井采用沉井法施工。沉井在下沉過程中容易傾斜、偏位，下沉速度較難控制，容易造成周圍土體塌陷，從而導(dǎo)致周圍的建筑物、構(gòu)筑物等下沉破壞。  (5)管線所經(jīng)區(qū)域有供水管、通信電纜、電力電纜、煤氣管道等管線及巖層巖塊等不明障礙物，加大了施工難度，增加了施工風(fēng)險(xiǎn)。  綜合考慮工程的上述特點(diǎn)及難點(diǎn)，結(jié)合工程質(zhì)量安全方面的要求，在工程實(shí)施過程中相應(yīng)地采取了下列工藝及對策：  5.2解決對策  (1)根據(jù)地質(zhì)勘察資料及頂管區(qū)位于地面建筑物密集的特殊區(qū)域此一特殊條件限制，力求減少頂管對管道周圍地層產(chǎn)生的變形，頂管工藝采用泥水平衡式頂管。在設(shè)備的選用上選取一種具有破碎能力的泥水平衡的頂管機(jī)，切削下來的泥土在泥土倉內(nèi)形成塑性體，以平衡土壓力，而在泥水倉內(nèi)建立高于地下水壓力10~20kpa的泥水泥漿；以平衡地下水壓力，通過把進(jìn)水添加粘土等成分的比重調(diào)整到一定范圍內(nèi)，保證即使遇到挖掘面是砂的土質(zhì)也可形成一層不透水泥膜，同時(shí)平衡地下水壓和土壓力。頂管機(jī)的刀盤前面切割面安裝有合金滾動滾刀及固定刮刀，在主頂裝置的推動下，刀盤上的滾刀刀尖對前面堅(jiān)硬的土體進(jìn)行滾動擠壓，使到堅(jiān)硬的土體破裂，刮刀對破裂的土體進(jìn)行切割，掏空前方土體，頂管機(jī)向前推進(jìn)。經(jīng)過刀盤對前方土體切割，當(dāng)有大塊土體或石塊進(jìn)入頂管機(jī)泥土倉，經(jīng)刀盤轉(zhuǎn)動時(shí)就會被軋碎，碎塊泥土小于頂管機(jī)的格柵孔就進(jìn)入泥水倉被泥水循環(huán)管輸送走。  (2)在頂管頂進(jìn)過程中采用管外壁注觸變泥漿的措施從而降低頂進(jìn)時(shí)的摩阻力，施工過程中嚴(yán)格控制膨潤土的濃度來達(dá)到最好的減阻效果。同時(shí)在頂進(jìn)過程中設(shè)置中繼環(huán)，將整段管道分段推進(jìn)，減少主推頂力，減少后座頂力不足的問題；  (3)在頂管頂進(jìn)全過程中嚴(yán)密監(jiān)測頂管的偏位情況，發(fā)現(xiàn)扁位及時(shí)糾偏，同時(shí)嚴(yán)格控制頂進(jìn)速度，控制管道偏差  (4)通過水準(zhǔn)儀全站儀等儀器對沉井的下沉量、四角高差、偏位進(jìn)行測量，及時(shí)了解下沉速度及偏位情況，對周圍構(gòu)筑物布點(diǎn)監(jiān)測，隨時(shí)掌握由于沉井下沉引起的環(huán)境影響。在沉井下沉過程發(fā)生傾斜偏轉(zhuǎn)等超出偏差限值時(shí)采用偏除土糾偏、井外射水井內(nèi)偏除土糾偏、壓重糾偏等一種或幾種方法結(jié)合來進(jìn)行糾偏，確保沉井的偏差在容許范圍內(nèi)。  (5)在施工前做好地質(zhì)勘察及物探工作的基礎(chǔ)上，積極與各有關(guān)部門聯(lián)系，取得場地地下管線第一手資料，在管線位置設(shè)置明顯的標(biāo)志，在施工中采取各種保護(hù)措施。  在上述工藝選擇恰當(dāng)，層層保護(hù)措施落實(shí)到位的情況下，該段工程全線2.7公里共九個(gè)頂管段的施工全部保質(zhì)保量順利完成，未發(fā)生一起沉降超限事故，頂管施工區(qū)域的構(gòu)筑物未發(fā)生一起因頂管而導(dǎo)致下沉破壞的事故。  6 結(jié)束語  總之，頂管技術(shù)作為一種非開挖施工技術(shù)，相對于開槽埋管從社會效益與經(jīng)濟(jì)效益上來講更具有優(yōu)越性，從根本上改變了城市管網(wǎng)亂挖現(xiàn)象。隨著城市的發(fā)展，各種管道建設(shè)將會大量增加，頂管設(shè)計(jì)和施工也會增多。因此，我們要重視這個(gè)良機(jī)，進(jìn)一步地完善和提高我們的頂管設(shè)計(jì)和施工技術(shù)，使之綜合施工技術(shù)達(dá)到國際水平。  參考文獻(xiàn)  [1] 馬晉毅，頂管技術(shù)在城市水務(wù)工程中的應(yīng)用[j]黑龍江水利科技，2011.02  [2] 胡艷群，頂管技術(shù)在城市給排水管道建設(shè)中的應(yīng)用[j]價(jià)值工程，2010.07