給排水工程師略談市政排水管道頂管工藝的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

近些年來(lái)，我國(guó)城市化進(jìn)程不斷發(fā)展加快，城市市政排水管網(wǎng)是城市重要的市政基礎(chǔ)設(shè)施之一，擔(dān)負(fù)著城市生活雨污水、工業(yè)廢水的收集和輸送工作，被稱為城市的“血管”。市政排水管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)固和功能完善是城市排水安全的重要保證。在城市市政工程建設(shè)過(guò)程中，地下管道工程的建設(shè)日益凸顯重要性并倍受社會(huì)各界的關(guān)注。我國(guó)傳統(tǒng)管道施工多采用開(kāi)挖施工，但在施工現(xiàn)場(chǎng)條件受限時(shí)，多采用頂管法。頂管施工適用于不便開(kāi)槽施工或開(kāi)槽埋設(shè)較不經(jīng)濟(jì)的管道工程，該施工方法的優(yōu)點(diǎn)在于采用不開(kāi)槽的暗挖方式，避免作業(yè)面對(duì)城市地上交通和各種活動(dòng)及地上建筑物的直接影響，同時(shí)節(jié)約工程投資，減小施工對(duì)環(huán)境的影響。市政排水管網(wǎng)頂管施工具有較高的危險(xiǎn)性，以及施工技術(shù)要求相對(duì)較高的特點(diǎn)，在管道施工過(guò)程中，由于措施不到位，技術(shù)控制不佳，容易引發(fā)各類(lèi)質(zhì)量和安全事故。

1、市政排水管道頂管工藝概述

1.1 頂管施工工藝的概述

污水管道頂管工藝即非開(kāi)挖施工方法，它是一種不開(kāi)挖或者少開(kāi)挖的管道埋設(shè)施工技術(shù)。非開(kāi)挖工程技術(shù)徹底解決市政給排水管道埋設(shè)施工中對(duì)城市建筑物和交通道路破壞并有效緩解城市施工地段的交通堵塞問(wèn)題，在穩(wěn)定土層和環(huán)境保護(hù)方面凸顯其優(yōu)勢(shì)。這對(duì)交通繁忙、人口密集、地面建筑物眾多、地下管線復(fù)雜的城市是非常重要的。

管道頂管施工通常采用的施工方法可分為敞開(kāi)人工手掘式和密封機(jī)械式頂管施工方法，其中機(jī)械式頂管施工常用的施工方法又有泥水平衡式和土壓平衡式兩種，頂管施工常用的管材有砼管、鋼管、玻璃夾砂鋼管。管道頂進(jìn)施工所采用的主要設(shè)備為信息化及全自動(dòng)化泥水平衡頂管機(jī)。

市政排水管道頂管施工的基本原理為：從地面開(kāi)挖兩個(gè)基坑井，然后管節(jié)從工作井安放，通過(guò)主頂千斤頂或中繼間的頂推機(jī)械的頂進(jìn)，推動(dòng)管節(jié)從工作井預(yù)留口穿出，穿越土層到達(dá)接收井的預(yù)留口邊，然后通過(guò)接收井的預(yù)留口穿出，形成管道的施工。目前，在管道頂管施工中最為流行的有三種平衡理論：氣壓平衡、泥水平衡和土壓平衡理論。在我國(guó)較為常用的是泥水平衡和土壓平衡。

1.2 頂管工藝施工適用的地質(zhì)條件

在城市市政排水管道直徑較大(Φ800mm 以上)，管道施工現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法采用明溝開(kāi)挖埋管施工而管道沿線又無(wú)其它建筑物基礎(chǔ)時(shí)，可考慮采用頂管法進(jìn)行市政排水管道的建設(shè)或改造施工。采用人工頂管對(duì)于頂進(jìn)面土質(zhì)有較高的要求。首先，要求頂進(jìn)面土體的自立性好;其次，要求頂進(jìn)面的地下水壓力很小，否則會(huì)導(dǎo)致正面土體局部塌方，這樣頂進(jìn)方向也就很難控制。人工頂管的糾偏通常采用頂進(jìn)面局部超挖的方式，如果頂進(jìn)面發(fā)生流沙現(xiàn)象就無(wú)法局部超挖，也就很難糾偏。因此事前應(yīng)對(duì)地勘資料進(jìn)行細(xì)致地了解，并要求在開(kāi)頂前對(duì)不利地質(zhì)進(jìn)行必要的處理，從而避免無(wú)法預(yù)知的安全質(zhì)量事故的發(fā)生。例如某市竹排沖污水截流工程和雨水管渠工程在頂管施工過(guò)程中，對(duì)不利施工地質(zhì)因素采用粉噴樁和地質(zhì)注漿處理，使工程頂管能順利按合同要求完成。

市政排水頂管施工一般要求承載的地面土質(zhì)具有一定的強(qiáng)度，諸如粘土、高嶺土等，另外，對(duì)地面要求高的城市等地區(qū)，頂管施工的優(yōu)勢(shì)明顯，當(dāng)然，造價(jià)也相對(duì)高，而對(duì)于大開(kāi)挖管道施工主要是針對(duì)土質(zhì)松軟或如水塘、河流等地區(qū)，不僅保證管道施工的安全、科學(xué)、合理，且造價(jià)相對(duì)較低?？傊?，頂管施工與開(kāi)槽埋管施工相比具有施工速度快、自動(dòng)化程度高、精度高、地面沉降小、對(duì)地面交通和周邊環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)。例如柳州市河?xùn)|沿江截污工程。在柳州市河?xùn)|沿江截污工程中覆土超過(guò)5米的均采用頂管施工，根據(jù)科學(xué)的經(jīng)濟(jì)經(jīng)濟(jì)核算比較，設(shè)計(jì)頂管管徑采用d1200～d1650，這樣既保證污水的流量，又能保障排水管道有效的抗壓能力。

2、市政排水管道頂管工藝的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

2.1 市政排水管道頂管工藝的設(shè)計(jì)

隨著我國(guó) 《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》 (GB50332-2002) 和 《給水排水工程埋地鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》 (CECS 141：2002) 的頒布施行，對(duì)市政排水管道頂管工藝做出了明確的要求和規(guī)定，并為市政排水管道頂管工藝的發(fā)展提出更高的要求。在市政排水管道頂進(jìn)時(shí)，封門(mén)拆除后將工具管立即切入土層。在切入過(guò)程中應(yīng)時(shí)刻注意管路的測(cè)量和糾偏。開(kāi)始頂進(jìn)5m~10m 范圍內(nèi)，施工偏差超過(guò)允許偏差時(shí)(軸線位置3mm;高程0mm+3mm)，應(yīng)采取措施立即糾正。施工的工具管進(jìn)入土層后的管端處理還應(yīng)注意：在進(jìn)入接收井的工具管和管端應(yīng)設(shè)枕墊;管道兩端露在工作井中的長(zhǎng)度不得小于0.5m。由于

頂管施工采用擠壓式所以在施工中還需注意：

1) 每次頂進(jìn)的長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)車(chē)斗的容積、起吊能力和地面運(yùn)輸條件綜合確定;2) 工具管開(kāi)始頂進(jìn)和接近頂完時(shí)，應(yīng)采用手工挖土緩慢頂進(jìn);3) 在市政管道頂進(jìn)時(shí)，應(yīng)防止工具管轉(zhuǎn)動(dòng);4) 在臨時(shí)停止管道頂進(jìn)時(shí)，應(yīng)將管道的喇叭口全部切入土層。在市政排水管道頂管結(jié)束后，管節(jié)接口內(nèi)側(cè)間隙將按設(shè)計(jì)要求處理。

2.2 市政排水管道頂管管線的設(shè)計(jì)

頂管中工具、材料的設(shè)計(jì)選擇。管道頂進(jìn)工具頭的選型：根據(jù)地質(zhì)情況及周邊的地理位置，主要采用全密封式機(jī)械工具管，全斷面泥水平衡機(jī)械頂進(jìn)。頂管長(zhǎng)度：頂管長(zhǎng)度根據(jù)管徑和頂進(jìn)的距離劃分，約60～100 米為一井段;管道材料：采用III級(jí)鋼筋混凝土鋼承口管;頂管段單元長(zhǎng)度為2.0m;市政排水頂管管道測(cè)量的方法：采用激光導(dǎo)航定位系統(tǒng)，并運(yùn)用攝像機(jī)全過(guò)程監(jiān)控;頂進(jìn)的糾偏方法：工具管糾偏油缸電動(dòng)液壓控制糾偏;減阻方法：高壓注漿觸變泥漿減阻。排水管道頂進(jìn)過(guò)程中的測(cè)量、糾偏控制頂管施工應(yīng)建立地面與地下測(cè)量控制系統(tǒng)。

市政排水頂管施工采用土壓平衡式工藝，采用市政管道封閉式頂進(jìn)，因而對(duì)地面沉降的影響較小。在排水管道頂進(jìn)過(guò)程中，管道外圍的擾動(dòng)空隙則通過(guò)壓觸變泥漿加以有效的填充，減少土層損失。在穿越地面建筑物時(shí)不準(zhǔn)停機(jī)，控制切土口角度，適當(dāng)放慢頂進(jìn)速度以減少土層損失。在布置工作井后方的測(cè)量?jī)x器座時(shí)，必須避免由于頂進(jìn)受力而使得儀器座產(chǎn)生位移和變形。排水管道糾偏操作必須在排水管道的頂進(jìn)中進(jìn)行。管道糾偏時(shí)采用小角度逐漸糾偏，要堅(jiān)持勤測(cè)、微調(diào)、微動(dòng)的原則，每次糾偏一般不大于0.5°，切記不要對(duì)管路進(jìn)行猛糾、硬調(diào)。

在市政排水管道施工糾偏前，要根據(jù)工具管本身已存在的斜率和軌跡，經(jīng)綜合分析研究，確定校正方向及糾偏千斤頂?shù)纳炜s量。在管道糾正工具管旋轉(zhuǎn)時(shí)，宜采用挖土方法進(jìn)行調(diào)整或采用改變切入削刀盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向或在管內(nèi)相對(duì)于機(jī)頭旋轉(zhuǎn)的反向增加配重。在排水管道停止頂進(jìn)時(shí)，應(yīng)采取措施防止管前塌方。在排水管道頂管施工過(guò)程中，管道穿越不同土質(zhì)時(shí)由于所受阻力的變化而容易造成頂進(jìn)線路的偏差，雖然機(jī)頭自身有一段糾偏段，糾偏最大角度范圍能夠達(dá)到上下1.7°，左右1.2°，但在市政污水管道頂進(jìn)線路的控制方法上主要依靠設(shè)備的正確操作以及有預(yù)見(jiàn)性的防范措施。因此，在市政排水管道頂管設(shè)計(jì)中，應(yīng)對(duì)施工低端的地質(zhì)進(jìn)行科學(xué)的分析研究，并結(jié)合相關(guān)專業(yè)知識(shí)進(jìn)行綜合分析、研究，科學(xué)制定市政排水管道的頂進(jìn)路線，為使管道按照設(shè)計(jì)要求的高程和方向頂進(jìn)，在頂進(jìn)過(guò)程中應(yīng)不斷對(duì)工具管的高程方向轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)管道測(cè)量詳情進(jìn)行信息的反饋，實(shí)現(xiàn)對(duì)頂進(jìn)方向的科學(xué)控制，保證污水管道按設(shè)計(jì)軸線頂進(jìn)。城市市政排水管道頂管線路的測(cè)量主要是采用經(jīng)緯儀和全站儀進(jìn)行方向的測(cè)量。

目前，城市市政排水管道頂管工藝施工采用電腦控制掘進(jìn)的全過(guò)程，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可持續(xù)提供掘進(jìn)機(jī)的導(dǎo)向與定位，并隨時(shí)顯示機(jī)頭的位置，從而控制傾斜度與面向角;同時(shí)，市政排水管道頂管工程采用全自動(dòng)化模糊控制技術(shù)，并可同時(shí)完成掘進(jìn)過(guò)程中相關(guān)數(shù)據(jù)記錄的打印工作。

結(jié)論

隨著我國(guó)現(xiàn)代化城市的不斷發(fā)展，城市地下建設(shè)日益重要，明挖工程對(duì)管道埋深較大浪費(fèi)工程投資及城市交通、地下埋設(shè)物、城市建(構(gòu)) 筑物、城市環(huán)境等產(chǎn)生很大影響，而暗挖工程尤其是頂管工程，可節(jié)省市政工程投資并對(duì)城市外部環(huán)境影響較小。因此，頂管施工技術(shù)的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越突出，頂管施工與開(kāi)槽埋管施工相比具有施工速度快、自動(dòng)化程度高、精度高、地面沉降小、對(duì)地面交通和周邊環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)提高污水管網(wǎng)施工的工作效率，創(chuàng)造更大的社會(huì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益，具有舉足輕重的作用，但仍需更多進(jìn)行實(shí)地研究和并付諸于實(shí)踐才能使該技術(shù)得以發(fā)展和成熟。

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