給排水工程師略談市政排水管道頂管工藝的設計與應用

近些年來，我國城市化進程不斷發(fā)展加快，城市市政排水管網是城市重要的市政基礎設施之一，擔負著城市生活雨污水、工業(yè)廢水的收集和輸送工作，被稱為城市的“血管”。市政排水管網的結構穩(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過程中，地下管道工程的建設日益凸顯重要性并倍受社會各界的關注。我國傳統(tǒng)管道施工多采用開挖施工，但在施工現場條件受限時，多采用頂管法。頂管施工適用于不便開槽施工或開槽埋設較不經濟的管道工程，該施工方法的優(yōu)點在于采用不開槽的暗挖方式，避免作業(yè)面對城市地上交通和各種活動及地上建筑物的直接影響，同時節(jié)約工程投資，減小施工對環(huán)境的影響。市政排水管網頂管施工具有較高的危險性，以及施工技術要求相對較高的特點，在管道施工過程中，由于措施不到位，技術控制不佳，容易引發(fā)各類質量和安全事故。

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挖施工方法，它是一種不開挖或者少開挖的管道埋設施工技術。非開挖工程技術徹底解決市政給排水管道埋設施工中對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題，在穩(wěn)定土層和環(huán)境保護方面凸顯其優(yōu)勢。這對交通繁忙、人口密集、地面建筑物眾多、地下管線復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人工手掘式和密封機械式頂管施工方法，其中機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。管道頂進施工所采用的主要設備為信息化及全自動化泥水平衡頂管機。

市政排水管道頂管施工的基本原理為：從地面開挖兩個基坑井，然后管節(jié)從工作井安放，通過主頂千斤頂或中繼間的頂推機械的頂進，推動管節(jié)從工作井預留口穿出，穿越土層到達接收井的預留口邊，然后通過接收井的預留口穿出，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條件

在城市市政排水管道直徑較大(Φ800mm 以上)，管道施工現場無法采用明溝開挖埋管施工而管道沿線又無其它建筑物基礎時，可考慮采用頂管法進行市政排水管道的建設或改造施工。采用人工頂管對于頂進面土質有較高的要求。首先，要求頂進面土體的自立性好;其次，要求頂進面的地下水壓力很小，否則會導致正面土體局部塌方，這樣頂進方向也就很難控制。人工頂管的糾偏通常采用頂進面局部超挖的方式，如果頂進面發(fā)生流沙現象就無法局部超挖，也就很難糾偏。因此事前應對地勘資料進行細致地了解，并要求在開頂前對不利地質進行必要的處理，從而避免無法預知的安全質量事故的發(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程中，對不利施工地質因素采用粉噴樁和地質注漿處理，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具有一定的強度，諸如粘土、高嶺土等，另外，對地面要求高的城市等地區(qū)，頂管施工的優(yōu)勢明顯，當然，造價也相對高，而對于大開挖管道施工主要是針對土質松軟或如水塘、河流等地區(qū)，不僅保證管道施工的安全、科學、合理，且造價相對較低。總之，頂管施工與開槽埋管施工相比具有施工速度快、自動化程度高、精度高、地面沉降小、對地面交通和周邊環(huán)境影響小等優(yōu)點。例如柳州市河東沿江截污工程。在柳州市河東沿江截污工程中覆土超過5米的均采用頂管施工，根據科學的經濟經濟核算比較，設計頂管管徑采用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計和應用

2.1 市政排水管道頂管工藝的設計

隨著我國 《給水排水工程管道結構設計規(guī)范》 (GB50332-2002) 和 《給水排水工程埋地鋼管結構設計規(guī)程》 (CECS 141：2002) 的頒布施行，對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時，封門拆除后將工具管立即切入土層。在切入過程中應時刻注意管路的測量和糾偏。開始頂進5m~10m 范圍內，施工偏差超過允許偏差時(軸線位置3mm;高程0mm+3mm)，應采取措施立即糾正。施工的工具管進入土層后的管端處理還應注意：在進入接收井的工具管和管端應設枕墊;管道兩端露在工作井中的長度不得小于0.5m。由于

頂管施工采用擠壓式所以在施工中還需注意：

1) 每次頂進的長度應根據車斗的容積、起吊能力和地面運輸條件綜合確定;2) 工具管開始頂進和接近頂完時，應采用手工挖土緩慢頂進;3) 在市政管道頂進時，應防止工具管轉動;4) 在臨時停止管道頂進時，應將管道的喇叭口全部切入土層。在市政排水管道頂管結束后，管節(jié)接口內側間隙將按設計要求處理。

2.2 市政排水管道頂管管線的設計

頂管中工具、材料的設計選擇。管道頂進工具頭的選型：根據地質情況及周邊的地理位置，主要采用全密封式機械工具管，全斷面泥水平衡機械頂進。頂管長度：頂管長度根據管徑和頂進的距離劃分，約60～100 米為一井段;管道材料：采用III級鋼筋混凝土鋼承口管;頂管段單元長度為2.0m;市政排水頂管管道測量的方法：采用激光導航定位系統(tǒng)，并運用攝像機全過程監(jiān)控;頂進的糾偏方法：工具管糾偏油缸電動液壓控制糾偏;減阻方法：高壓注漿觸變泥漿減阻。排水管道頂進過程中的測量、糾偏控制頂管施工應建立地面與地下測量控制系統(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，因而對地面沉降的影響較小。在排水管道頂進過程中，管道外圍的擾動空隙則通過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不準停機，控制切土口角度，適當放慢頂進速度以減少土層損失。在布置工作井后方的測量儀器座時，必須避免由于頂進受力而使得儀器座產生位移和變形。排水管道糾偏操作必須在排水管道的頂進中進行。管道糾偏時采用小角度逐漸糾偏，要堅持勤測、微調、微動的原則，每次糾偏一般不大于0.5°，切記不要對管路進行猛糾、硬調。

在市政排水管道施工糾偏前，要根據工具管本身已存在的斜率和軌跡，經綜合分析研究，確定校正方向及糾偏千斤頂的伸縮量。在管道糾正工具管旋轉時，宜采用挖土方法進行調整或采用改變切入削刀盤的轉動方向或在管內相對于機頭旋轉的反向增加配重。在排水管道停止頂進時，應采取措施防止管前塌方。在排水管道頂管施工過程中，管道穿越不同土質時由于所受阻力的變化而容易造成頂進線路的偏差，雖然機頭自身有一段糾偏段，糾偏最大角度范圍能夠達到上下1.7°，左右1.2°，但在市政污水管道頂進線路的控制方法上主要依靠設備的正確操作以及有預見性的防范措施。因此，在市政排水管道頂管設計中，應對施工低端的地質進行科學的分析研究，并結合相關專業(yè)知識進行綜合分析、研究，科學制定市政排水管道的頂進路線，為使管道按照設計要求的高程和方向頂進，在頂進過程中應不斷對工具管的高程方向轉動進行測量，并根據管道測量詳情進行信息的反饋，實現對頂進方向的科學控制，保證污水管道按設計軸線頂進。城市市政排水管道頂管線路的測量主要是采用經緯儀和全站儀進行方向的測量。

目前，城市市政排水管道頂管工藝施工采用電腦控制掘進的全過程，計算機控制系統(tǒng)可持續(xù)提供掘進機的導向與定位，并隨時顯示機頭的位置，從而控制傾斜度與面向角;同時，市政排水管道頂管工程采用全自動化模糊控制技術，并可同時完成掘進過程中相關數據記錄的打印工作。

結論

隨著我國現代化城市的不斷發(fā)展，城市地下建設日益重要，明挖工程對管道埋深較大浪費工程投資及城市交通、地下埋設物、城市建(構) 筑物、城市環(huán)境等產生很大影響，而暗挖工程尤其是頂管工程，可節(jié)省市政工程投資并對城市外部環(huán)境影響較小。因此，頂管施工技術的優(yōu)勢越來越突出，頂管施工與開槽埋管施工相比具有施工速度快、自動化程度高、精度高、地面沉降小、對地面交通和周邊環(huán)境影響小等優(yōu)點，具有廣闊的應用前景，對提高污水管網施工的工作效率，創(chuàng)造更大的社會、環(huán)境和經濟效益，具有舉足輕重的作用，但仍需更多進行實地研究和并付諸于實踐才能使該技術得以發(fā)展和成熟。

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