浅谈城市供水管网顶管技术的应用

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摘要:随着城市的发展，供水管网的建设问题也日益突出，传统的挖槽埋管施工技术影响范围较大，不利于施工。而顶管技术作为一种非开挖施工方法，近年来在城市供水管网的建设中应用广泛。本文就顶管技术进行单介绍，重点对顶管技术在供水管道建设中的施工应用进行了分析讨论。 

关键词：非开挖施工；顶管技术；设计；施工；基坑开挖  在城市供水管网建设中，传统的挖槽埋管地下管线施工技术由于对地面交通影响较大，同时给市民工作、生活带来许多不便，如何使这些安装工程对城市的影响减至最小，已经成了一个迫切解决的问题。非开挖技术将完全能解决这些难题，提供安全及经济的施工方法。非开挖技术是指利用少开挖和不开挖技术来进行地下管线的铺设或更换的工艺。顶管技术就是在这种情况下发展起来的一种非开挖技术。随着顶管技术在供水管网的广泛运用，本文主要讨论在顶管技术施工过程中出现了一些具体的技术问题，并以此和同行共享。  1 顶管技术的组成  顶管技术包括顶管机械设备及顶管工作坑。  1.1 顶管机械设备  顶管机械设备包括主顶千斤顶与顶管机头，机头主要为敞开式顶管工具管和封闭式顶管掘进机二大类型。  敞开式顶管工具管有手掘式、挤压式、网格式等。  封闭式顶管掘进机有泥水平衡、土压平衡、加泥式土压平衡、斗铲式和多刀盘等。  1.2 顶管工作坑  工作坑分为顶管坑与接收坑。  顶管坑为供顶管机头及千斤顶安装和出坑用的主顶设备工作坑。  接收坑为供顶管机头出坑和拆卸的接收工作坑。  2 顶管设计及施工前期工程勘察  顶管在设计与施工前，应对实施顶管的区域进行实地勘察，确定顶管区域及工作坑具体位置，掌握顶管可能对周围环境和附近建筑物的影响，保证其结构安全性和正常使用要求。工程勘察包括地质勘察与物探。地质勘察主要是了解顶管区域各土层分布情况及土层物理力学性质，了解地下水及深基坑下承压水头突涌可能型，提供不小于2.5倍基坑开挖深度范围内土层的渗透性指标；物探主要是摸清顶管范围内各地下管线、通讯及电缆等分布情况。在完善了工程勘察具体情况后，根据地质勘察与物探资料确定顶管埋深，同时还应满足下列要求：  (1)管顶覆盖土层厚度不宜小于1.5倍顶管直径且不小于3m；  (2)平行管道间的水平距离宜大于2倍顶管直径；  (3)空间交叉管道的净间距钢管不宜小于0.5倍直径且不应小于1.0m。  3 顶管机头的选型、顶力估算及中继间接力系统  3.1 机头选型  顶管机头的选型，应根据地质勘探的地质钻孔柱状图和地质纵部面图实际情况，了解机头所穿越的地层情况进行分析研究。  (1)敞开式分为手掘式、挤压式、网格式种型式。手掘式适用于粘性或砂性土，在软塑和流塑粘土中慎用；挤压式与网格式适用于软塑、流塑粘性土，均对管道周围地质有较大变形影响。  (2)封闭式分为斗铲式、多刀盘土压平衡式、刀盘削土土压平衡式、加泥式机械土压平衡式、泥水平衡式5种型式。斗铲式适用于地下水位以下粘性土砂性土，但粘性土的渗透系数不大于10-4cm/sec。多刀盘和刀盘削土土压平衡式适用于软塑、流塑的粘性土，在粘质粉土中慎用。  3.2 顶力估算  为防止管道顶力较大，保证设计合理性及后座结构安全，同时保证地层稳定，多采用管外壁注浆减阻进行设计与施工。顶管的顶力标准值按下式估算:  fk=πd1lf+nf  式中:  fk一计算顶力标准值(kn)  d1—管道外径(m)  l—管道计算顶进长度(m)  f一触变泥浆中管壁与土的平均摩阻力，一般为:8-12kn/m2  nf—工具管(机头)的迎面阻力标准值(kn)  敞开式顶管的迎面阻力按不同的机头型式进行计算。封闭式顶管(土压平衡、泥水平衡和多刀盘顶管)的迎面阻力按下式计算:  n1=πd12p1/4  pt=γ(h+2d1/3)tg2(45°+φ/2)  式中:  pt—机头底部以上1/3d1处被动土压力  h—管顶土层厚度(m)  因为顶管过程的力学参数计算是一个非常复杂的问题，它受地质因素、土层改良方法、掘进参数等一系列参数的影响，同时涉及材料力学、岩土力学、流体力学、弹塑性力学等诸多学科，故在此以广州某输水工程所用的泥水平衡顶管的顶力计算作一介绍。顶管的顶力约等于顶管过程受到的阻力，包括工具头正面泥水压力和管壁摩擦阻力。根据本工程地质勘察报告和水文地质资料选取适当参数并结合顶管机生产厂家设计共同计算后，本项工程顶管顶力按下式估算：  fk = nf +f0l  式中：  fk一计算顶力标准值(kn)  nf—工具管(机头)的迎面阻力标准值(kn)  f0l——管壁摩擦阻力  nf =（pe + pw + △p）πd12/4  式中：d1——管道外径(m)  pe——挖掘面前土压力（kpa）  pw——地下水压力（kpa）  △p——附加压力（kpa）  f0l=（rs+wf）l  式中：l——管道计算顶进长度(m)  r——综合摩擦阻力（kpa）  s——管外周长(m)  w——每米管子的重力(kn/m)  f ——管子重力在土中的摩擦系数  3.3 中继间接力系统  当计算的顶力值大于顶管工作井的设计顶力时，顶进时需加中继间。中继环的设计必须满足刚度大，安装方便和加工精确，并在使用中具有水密性。  （1）主体结构主要由一下部分组成：  ①推力油缸，其规格、性能要求一致；  ②钢壳体和千斤顶紧固件、止水密封圈；  ③液压管道、电器和操纵系统。  （2）推进流程：  第一个中继环推进——第一个中继环停顶——第二个中继环推进——第二个中继环停顶——如此类推到最后一个中继环——主顶推进——主顶停顶（如此循环）  4 顶管工作坑（顶管坑及接收坑）的基坑支护  顶管坑和接收坑是顶管工程中两个重要施工作业坑，作为实施钢管顶进的顶管坑和接收顶管机头及钢管的接收坑，其大小应根据具体的项管机具及不同的施工方法进行确定。基坑的深度应根据具体顶管埋深进行确定，一般为顶管管底标高下0.5-1.0m，以保证顶管过程中钢管电焊焊接、焊缝验收及施工机具的运行。  5顶管在供水敷管中的实施和运用实例  顶管技术在供水排管的具体设计与运用时，应根据现场环境实际情况采用不同的方法进行设计和施工，现根据广州某大型输水工程例举如下:  某大型输水工程某段输水管道位于高速路等交通要道上，管线需穿越高速路、主干道、大型立交、河流和地面建筑物密集的特殊区域，为在此区域最大限度实现不开挖地面，不拆迁，不破坏地面建筑物，不影响交通，不破坏环境的目标，故在此段管线采用顶管施工这一种非开挖掘进式管道安装技术。此管线段全长约2.7公里，共划分为9个顶管段，根据现场环境布局等限制条件，顶管段最长的达570米，最短的不足百米，根据地质资料及现场勘查。  5.1本管线段工程具有以下特点及难点  (1)本管线段地下水位比较浅，顶管主要穿越的为粘土层、砂层，地下水丰富。  (2)其中几个顶管段均为超长距离顶管施工，顶管阻力大，容易出现顶管井后座顶力不足的问题；  (3)超长距离顶管施工容易出现顶偏现象。但本管段部分顶管段位于大型立交桥区域，桥桩密布，顶管距离桥桩最近处距离仅有两米，立交桥均为交通要道，顶管施工丝毫不能对桥桩有影响，施工精度要求高。    (4)工作井、接收井采用沉井法施工。沉井在下沉过程中容易倾斜、偏位，下沉速度较难控制，容易造成周围土体塌陷，从而导致周围的建筑物、构筑物等下沉破坏。  (5)管线所经区域有供水管、通信电缆、电力电缆、煤气管道等管线及岩层岩块等不明障碍物，加大了施工难度，增加了施工风险。  综合考虑工程的上述特点及难点，结合工程质量安全方面的要求，在工程实施过程中相应地采取了下列工艺及对策：  5.2解决对策  (1)根据地质勘察资料及顶管区位于地面建筑物密集的特殊区域此一特殊条件限制，力求减少顶管对管道周围地层产生的变形，顶管工艺采用泥水平衡式顶管。在设备的选用上选取一种具有破碎能力的泥水平衡的顶管机，切削下来的泥土在泥土仓内形成塑性体，以平衡土压力，而在泥水仓内建立高于地下水压力10~20kpa的泥水泥浆；以平衡地下水压力，通过把进水添加粘土等成分的比重调整到一定范围内，保证即使遇到挖掘面是砂的土质也可形成一层不透水泥膜，同时平衡地下水压和土压力。顶管机的刀盘前面切割面安装有合金滚动滚刀及固定刮刀，在主顶装置的推动下，刀盘上的滚刀刀尖对前面坚硬的土体进行滚动挤压，使到坚硬的土体破裂，刮刀对破裂的土体进行切割，掏空前方土体，顶管机向前推进。经过刀盘对前方土体切割，当有大块土体或石块进入顶管机泥土仓，经刀盘转动时就会被轧碎，碎块泥土小于顶管机的格栅孔就进入泥水仓被泥水循环管输送走。  (2)在顶管顶进过程中采用管外壁注触变泥浆的措施从而降低顶进时的摩阻力，施工过程中严格控制膨润土的浓度来达到最好的减阻效果。同时在顶进过程中设置中继环，将整段管道分段推进，减少主推顶力，减少后座顶力不足的问题；  (3)在顶管顶进全过程中严密监测顶管的偏位情况，发现扁位及时纠偏，同时严格控制顶进速度，控制管道偏差  (4)通过水准仪全站仪等仪器对沉井的下沉量、四角高差、偏位进行测量，及时了解下沉速度及偏位情况，对周围构筑物布点监测，随时掌握由于沉井下沉引起的环境影响。在沉井下沉过程发生倾斜偏转等超出偏差限值时采用偏除土纠偏、井外射水井内偏除土纠偏、压重纠偏等一种或几种方法结合来进行纠偏，确保沉井的偏差在容许范围内。  (5)在施工前做好地质勘察及物探工作的基础上，积极与各有关部门联系，取得场地地下管线第一手资料，在管线位置设置明显的标志，在施工中采取各种保护措施。  在上述工艺选择恰当，层层保护措施落实到位的情况下，该段工程全线2.7公里共九个顶管段的施工全部保质保量顺利完成，未发生一起沉降超限事故，顶管施工区域的构筑物未发生一起因顶管而导致下沉破坏的事故。  6 结束语  总之，顶管技术作为一种非开挖施工技术，相对于开槽埋管从社会效益与经济效益上来讲更具有优越性，从根本上改变了城市管网乱挖现象。随着城市的发展，各种管道建设将会大量增加，顶管设计和施工也会增多。因此，我们要重视这个良机，进一步地完善和提高我们的顶管设计和施工技术，使之综合施工技术达到国际水平。  参考文献  [1] 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，2011.02  [2] 胡艳群，顶管技术在城市给排水管道建设中的应用[j]价值工程，2010.07