市政给排水长距离顶管施工技术研究

(周口市市政管理处，河南 周口 466000)

1 顶管法的基本原理

顶管法施工时通过顶进设备的主顶油缸等部件，从起始工作井将顶管掘进机从土层内穿过直至接收工作井，随后依次顶进连接其他管道，并埋设于起始工作井的管线土层内的地下管道施工工艺。相比其他施工技术，顶管施工无需开挖路面，便可穿越公路、地上建筑物及各类地下管网等。作为一种综合性较强的机械化施工技术，顶管施工具有显著的适应性，可根据土层组成、土质条件、施工条件等具体情况，选择与之相适应的顶管设备及施工工艺。

同时，顶管施工还具有连续性及不可逆转性。当一项顶管工程开始施工后，便无法随意暂停，若停工时间过长，将会大大增加顶进失败的几率。在顶进施工中，如果顶管机出现问题，需及时找出故障原因，并及时处理。

2 工程概况

某市政给排水工程施工周边地层环境复杂，沿线管道较多，且存在大量障碍物。为尽可能减少对周围环境及构造物的影响，决定采用全线钢顶管施工方案，顶管段为J42B井～J45井。结合工程施工现场情况，决定采用2根内径3.6 m的钢管，27.1 km为单根总长度，7.2 m为2根管道的间隔距离。据地质勘查结果显示，沿线管道所处地基土主要由黏性土、粉性土和砂土等构成，且以水平层理分布，具体分层情况如表1所示。

表1 地基土分层表

3 施工方案选择

本工程所在管道沿线情况复杂，分布有大量民房、厂房，且地下管线纵横交错。原计划搬迁其中2处顶管井所在位置的民房、厂房，然而，具体实施过程中困难重重，因此决定另选其他解决方案，根据工程建设实际情况，决定采用以下3种施工顶进方案。

3.1 直线顶进方案

实施直线顶管方案的根本目的是为了与桩基避开，管道覆土厚度为23 m，顶管穿越⑤2-1层黏土层，此土层属于微承压水层，若在此类土层内穿越顶管施工难度较大。加之管道具有较大埋设深度，工作井和接收井顶管施工的开挖深度将超过29 m，且本管道沿线环境复杂，地下管线纵横较差，需要加大保护力度，深基坑施工风险很大，且成本高。

3.2 斜向对接方案

由J45井和J42B井分别顶出管段之后，便可于地下对接。14 m为斜向对接方案管道覆土厚度，顶管将穿越④层淤泥质黏土层，且在顶管施工中此类土层施工效果最好。相比直线顶进方案，此方案的工作井和接收井顶管施工开挖深度相对较小，仅为20 m，同样深基坑施工风险也相对较小，在可控范围之内，且成本较直线顶进方案偏低。然而，该施工方案需加固对接点位置的土体，将大大增加施工范围，并导致造价增高，基于本路段沿线环境复杂，加固困难重重，，因此，在土体加固施工中，此方案难度系数偏高，且成本较高。

3.3 曲线顶进方案

根据现场施工特点，可由J45井顶进一段直线段之后，可通过曲线顶管的方式和障碍物避开之后，进入J42B井。曲线顶进方案与斜向对接方案的管道覆土厚度相同，均为14 m，且同样由④层淤泥质黏土层顶管穿越，此层土层顶管施工最佳。20 m为顶管施工工作井和接收井的开挖深度，其深基坑风险较小，属于可控范围。此外，与斜向对接施工相比，曲线顶管可与障碍物避开，根本不需要加固周围土体，且对附近环境影响不大。

在充分考虑施工环境、施工难度、施工风险等多种因素的前提下，决定采用第三种施工方案，曲线顶进方案，即大口径长距离的曲线钢顶管施工工艺。

4 市政给排水长距离顶管施工关键技术要点

4.1 曲率半径和管节长度

因管道沿线地层情况复杂，且存在大量障碍物，为避开管位上的障碍物，结合工程实际情况，可设880 m为管线曲率半径，170 m为管线弧长。据相关研究表明，中继间布设的间距和允许转角直接决定钢管曲线顶管最小曲率半径，因此，可按下式计算钢管曲线顶管的最小曲率半径。

Rmin≥L/2×sin(k×α/2)

其中，

最小曲率半径可由Rmin表示；

系数可由k表示，一般为1°；

管道中继间的间距可由L表示。

根据上式可以计算出，本工程钢管曲线顶管的中继间的间距8 m，可设40个中继间。由于中继间数量过大，将大幅增加成本，甚至会增加施工难度，若仅仅依靠中继间来完成施工难度很大。为此，本工程决定选择单元管曲线顶进法进行施工，其方法为：针对钢管按一定长度进行分节处理，且采用活络接头作为钢管管节之间的处理，接头处采用专用设计，为形成曲线，接头处应满足偏转角需求。此外，可将若干个纠偏油缸设于管节接头位置，在特殊情况下，适当调整管节的偏转角。施工过程中，可将橡胶圈设于管节之间进行密封处理，该设置主要充当临时止水作用，待完成曲线顶管施工之后，可在管内焊接管节，从而连成一个整体，保证施工正常开展。

确定曲线顶管管节长度时，需考虑很多因素，如管线的弧长、钢板规格等，若管节太短，虽有利于形成曲线，但在顶进施工中极易产生偏差，甚至会大幅增加后期焊接补强的工作量。若管节太长，虽减小了后期焊接工作量，但很难形成曲线，甚至在不均匀顶力作用下，出现管节失稳情况。根据以往施工经验，2 m、2.2 m、2.5 m为常用的钢板规格，为保证施工质量，决定在此基础上确定钢管曲线顶管施工管节的长度。经对比分析，决定以5 m为曲线顶管的管节长度。

4.2 管节接头处理

由于本工程选择薄壁钢管结构，为增强接头位置环向刚度，需将加劲板设于钢管管节接头2端，以此进行接头位置径向变形控制。在不均匀顶力作用下，钢管极易产生变形、失稳问题，可沿整个管道一周在管节接头两端进行加劲圆环设置，并将临时木垫片设于2个圆环之间，厚度为20 mm。

在顶管施工中，可将天然橡胶圈设于管节接头处，起到临时止水作用，避免渗漏。同时，要尽可能减小接头处前后管节之间的空隙，从而达到管节间插入施工要求。根据施工要求，可在12000 kN控制曲线顶管最大允许顶力标准值。待结束顶管施工之后，需及时去除加劲板、加劲圆环，从而达到过水断面的需求。并采用焊缝的方式对2节管节进行连接，且在2级以上控制焊缝质量。

4.3 线型布设

根据工程实际情况，本工程共选用2根钢管，以直线+曲线的方式进行线型布设，其中曲线段I号管和II号管的各项技术指标如表2所示。

表2 曲线段I、II号管主要技术指标

此外，在直线段上，可将中继间布设于各条管线内，共2个；曲线段上，无需设置中继间，可将纠偏油缸设于2节管节之间，共3只。

4.4 顶进施工

待完成各项准备工作之后，便可按照设计要求，正常顶进施工。开始顶进时，便可开启各项操作工作，如总电源开关、主油泵、渣浆泵等，在此过程需对泥浆输送机和主顶千斤顶的速度进行适当调整，保证满足顶进施工要求。待其进入平衡状态后，便可开启压浆系统，在整个顶进施工环节，要实时查看掘进机的状态与施工趋势，随时微调千斤顶，避免偏差，做好机头方向控制。

5 结语

伴随城市的不断扩张，地下管网、管线系统也愈加复杂。市政给排水工程是一项与居民生活息息相关的基础设施，如何提高工程质量成为了关键。顶管施工作为一种非开挖技术，无需开挖便可穿越地面建筑物、公路、各种地下管线。为此，在市政给排水工程施工中，必须重视顶管施工技术的应用，提高施工技术水平，规范施工工艺，全面提升工程建设质量。