林生祥

（福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院）

淺談頂管工藝在污水管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

林生祥

（福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院）

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的背景下，我國(guó)城市化水平不斷加快，在城市的發(fā)展中，污水管道設(shè)計(jì)建設(shè)是一項(xiàng)非常重要的工作，一旦沒有將此項(xiàng)工作做好，對(duì)于整個(gè)城市的發(fā)展就會(huì)帶來(lái)非常嚴(yán)重影響，對(duì)此，筆者通過(guò)本文對(duì)頂管工藝在污水管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的分析與闡述，進(jìn)而為有關(guān)部門及工作人員提供一定的借鑒作用。

頂管工藝；污水管道；設(shè)計(jì)應(yīng)用

頂管技術(shù)為一種非開挖管線和管路敷設(shè)的技術(shù)，起源于美國(guó)，在國(guó)內(nèi)外的污水管道設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用，并且發(fā)揮著非常重要地位和作用，因此，這就需要有關(guān)單位及工作人員在工作中要詳細(xì)的了解該技術(shù)的應(yīng)用原理，在工作中不斷的總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)我國(guó)城市污水系統(tǒng)建設(shè)向著科學(xué)合理的方向發(fā)展。

1　頂管技術(shù)在排水管網(wǎng)中應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)

頂管技術(shù)是一項(xiàng)主要用于市政施工的非開挖或少開挖的掘進(jìn)式管道敷設(shè)技術(shù)，能穿越地面建（構(gòu)）筑物、山地、鐵路、公路、河流和橋梁等，對(duì)施工環(huán)境和自然氣候的適用性強(qiáng)，還能節(jié)約征地拆遷費(fèi)用，減少對(duì)道路的堵塞和對(duì)自然環(huán)境的破壞；頂管技術(shù)尤其適用于大中型管徑，能有效糾正管子在地下延伸的偏差，不影響管道的段差變形，高效、省時(shí)、安全。頂管施工無(wú)需全線開挖地面和拆遷房屋建筑、減少破壞地面交通設(shè)施和自然環(huán)境，受氣候和環(huán)境的影響小。因此能廣泛應(yīng)用于城市地下排水管網(wǎng)、通訊電纜和天燃?xì)馐凸艿赖匿佋O(shè)，具有重要的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益。

2　頂管技術(shù)的技術(shù)原理

在對(duì)地表不進(jìn)行大面積挖掘的基礎(chǔ)上，在施工地下管線時(shí)將障礙物越過(guò)。應(yīng)用原理為：對(duì)設(shè)備進(jìn)行利用，將預(yù)制管道應(yīng)用到設(shè)計(jì)管線中，在開始施工時(shí)，管線的一端事先建造一個(gè)工作坑（井）。在坑內(nèi)的頂進(jìn)軸線后方，布置一組行程較長(zhǎng)的主站油缸（簡(jiǎn)稱主油缸）。一般左右成對(duì)布置，數(shù)量根據(jù)管徑大小而定。將敷設(shè)的管道放在主油缸前面的導(dǎo)軌上，管道的最前端安裝工具管。主油缸頂進(jìn)時(shí)，以工具管開路，推著前面的管道穿過(guò)坑壁上的穿墻管（孔）把管道壓入土中。與此同時(shí)，進(jìn)入工具管的泥土被不斷挖掘排出管外。當(dāng)主油缸達(dá)到最大行程后縮回，放入頂鐵，主油缸繼續(xù)頂進(jìn)。如此不斷加入頂鐵，管道不斷向士中延伸。當(dāng)坑內(nèi)導(dǎo)軌上的管道幾乎全部頂入土中后，縮回主油缸，吊去全部頂鐵。將下一節(jié)管段吊下坑，安裝在管段的后面，接著繼續(xù)頂進(jìn)，如此循環(huán)施工，直至頂完全程[1]。

將管道敷設(shè)到了地下，這樣地下水所產(chǎn)生的壓力和其它重物的土壓力就會(huì)出現(xiàn)在管道上，為了將這兩種壓力予以平衡，就需要采取泥水平衡、土壓平衡和氣壓平衡等方式進(jìn)行施工。同時(shí)，較長(zhǎng)距離管道的敷設(shè)受主油缸頂力、管道允許頂力及后背允許頂力的制約，在設(shè)計(jì)過(guò)程中就應(yīng)該規(guī)劃布置出中繼站。

3　頂管工藝設(shè)計(jì)

3.1工程實(shí)例概況

福州市倉(cāng)山區(qū)內(nèi)河截污工程——龍津河首山路頂管工程，起自倉(cāng)山鎮(zhèn)政府，向南延伸至南二環(huán)，中途與迎安路、萬(wàn)安路、龍津河、雙湖路等相交，全長(zhǎng)約1500m，目前該道路為現(xiàn)狀道路，兩側(cè)均為公共建筑和居住建筑，以公共建筑為主。根據(jù)污水規(guī)劃，本工程設(shè)計(jì)污水管管徑為d1000。

3.2頂管設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

（1）管材的選用[2]。適用于頂管工藝的管材有鋼管、玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管、鋼筋混土管及球墨鑄鐵管等。管材的選用應(yīng)根據(jù)管道用途、管材特性及當(dāng)?shù)鼐唧w情況確定。綜合福州當(dāng)?shù)厍闆r，本次污水頂管管材選用鋼筋混土管。

（2）管位的選擇與布置。本工程所處道路為現(xiàn)狀道路，道路上已有縱多現(xiàn)狀市政管線，頂管的位置選擇應(yīng)避開地下障礙物及現(xiàn)狀管線，與現(xiàn)狀管線水平間距、交叉間距應(yīng)滿足規(guī)范要求和最小施工空間的要求。在穿越江河水底時(shí)，覆蓋層最小厚度不宜小于外徑的1.5倍，且不宜小于2.5m，還應(yīng)滿足管道抗浮要求。

（3）頂管土層的選擇。頂管適用的土層很廣，可在淤泥質(zhì)粘土、粘土、粉土及砂土中頂進(jìn)。從本項(xiàng)目地質(zhì)鉆探報(bào)告來(lái)分析，本工程污水管管位大多位于淤泥中（土壤承載力為55kPa），其力學(xué)性質(zhì)滿足頂管施工要求。

（4）頂管距離的選擇。按頂管距離長(zhǎng)短可分為中短距離（長(zhǎng)度≤300m）、長(zhǎng)距離（300m<長(zhǎng)度<1000m）、超長(zhǎng)距離（長(zhǎng)度≥1000m）3種，一般在300m左右才采用中繼環(huán)，頂管距離長(zhǎng)短主要是受限于管材的允許頂力、頂進(jìn)機(jī)具的頂力及具體管道布置的影響?？紤]本工程污水管道還負(fù)責(zé)接收道路兩側(cè)地塊內(nèi)污水的接駁，本次設(shè)計(jì)頂管距離設(shè)計(jì)在130～230m之間，屬中短距離頂管。

（5）頂管工作井及接收井的設(shè)計(jì)。井結(jié)構(gòu)形式可采用鋼板樁、沉井、地下連續(xù)墻，灌注樁或SMW工法。當(dāng)頂管埋置較淺、地下水位較低、頂進(jìn)距離較短時(shí)，宜選用鋼板樁或SMW工法。在頂管埋置較深、頂管頂力較大的軟土地區(qū)，宜采用沉井或地下連續(xù)墻。當(dāng)場(chǎng)地狹小且周邊建筑需要保護(hù)時(shí)，宜優(yōu)先選用地下連續(xù)墻。在地下水位較低或無(wú)地下水的地區(qū)，可選用灌注樁。目前福州地區(qū)比較成熟的做法是采用沉井。井大小應(yīng)按頂管機(jī)長(zhǎng)度、頂管管節(jié)長(zhǎng)度及施工空間要求確定[3]。

（6）頂管機(jī)的選擇。不同性能的土質(zhì)應(yīng)采用不同類型的頂管機(jī)，地下水位以上的頂管可采用敞開類頂管機(jī)，地下水位以下的頂管應(yīng)采用具有平衡功能類型的頂管機(jī)。敞開類頂管機(jī)有：機(jī)械式頂管機(jī)、擠壓式頂管機(jī)及人工挖掘頂管機(jī)；平衡婁頂管機(jī)有：土壓平衡式頂管機(jī)、泥水平衡式頂管機(jī)及氣壓平衡式頂管機(jī)。頂管機(jī)選擇應(yīng)根據(jù)管道穿越土層的物理力學(xué)特性、有無(wú)地下水、是否存在有毒氣體、地下障礙物情況和需要保護(hù)的構(gòu)建筑物等因素，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。本工程管道大多位于淤泥中，頂管施工過(guò)程中可選用土壓平衡式頂管機(jī)或泥水平衡式頂管機(jī)[4]。

（7）其他方面的設(shè)計(jì)。頂管工藝設(shè)計(jì)涉及的內(nèi)容還有很多，如管材的接口、有否曲線頂管、管道穿墻止水裝置、減阻措施等等，在施工圖設(shè)計(jì)中均需一一設(shè)計(jì)確定。

4　頂管工藝應(yīng)用出現(xiàn)的問(wèn)題與應(yīng)對(duì)措施

4.1地面沉降與隆起

在施工任何一種頂管時(shí)，一旦沒有合理的進(jìn)行操作，會(huì)使土體在機(jī)頭前方失去平衡進(jìn)而引起地面沉降或隆起。如頂進(jìn)速度過(guò)快，取土量過(guò)多或過(guò)少，管道軸線偏差、管道接口不嚴(yán)密等都會(huì)造成地層土體損失而使土體內(nèi)壓力失去平衡[5]。

具體的控制措施：對(duì)于推進(jìn)速度和排土之間的關(guān)系上進(jìn)行嚴(yán)格的控制，對(duì)機(jī)頭前的土壓力要進(jìn)行控制，嚴(yán)格控制頂管軸偏差，嚴(yán)格控制管道接口質(zhì)量，對(duì)于頂管機(jī)前的被動(dòng)土壓力也要略小。

4.2軸線偏差

管線偏差過(guò)大，會(huì)使管道發(fā)生彎曲，甚至?xí)斐晒芄?jié)損壞，接口發(fā)生滲漏，在糾偏的過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)地面沉降與隆起。引起軸線偏差的原因：①地層正面阻力不均勻，使工具管受力不均勻而形成偏差；②頂管后背發(fā)生位移或不平整，使頂力合力線諞移而造成管線軸線偏差；③頂過(guò)設(shè)備頂力不同步或頂力相差較大，設(shè)備安裝不精確也會(huì)造成管道軸線偏差。在頂管施工時(shí)工具管偏離設(shè)計(jì)軸線后，要及時(shí)利用工具管的糾編機(jī)構(gòu)，改變管端的方向，減少偏差[6]。

具體的控制措施：①在頂進(jìn)的時(shí)候，要將頂進(jìn)方向認(rèn)真的控制好，不要大起大落的進(jìn)行糾編。②采用同種規(guī)格的千斤頂，使頂力合力線與管道中心線相重合。③加強(qiáng)頂管后背施工質(zhì)量的控制，確保后背平整，保證頂進(jìn)設(shè)備的安裝精度。

4.3沉井下沉過(guò)快

頂管施工沉井下沉過(guò)快一般發(fā)生在軟弱土層，土的抗剪強(qiáng)度小、使頂管沉井下沉速度大于挖土速度。還有一種情況是沉井壁土受水浸泡，外壁與土之間的摩擦力減小，會(huì)使沉井下沉過(guò)快。沉井外壁降低地下水位措施不當(dāng)，井內(nèi)土外水頭差過(guò)大，致使井外土、砂涌入井內(nèi)也會(huì)使沉井下沉過(guò)快。

具體的控制措施：沉井位于軟弱土層時(shí)，應(yīng)提前在沉井井筒制作前進(jìn)行地基加固處理；及排除沉井外壁附近的積水，加強(qiáng)井外壁降低地下水措施，盡量將井內(nèi)、外水差控制在1.5左右；或在沉井外壁四周填粗糙材料或填土夯實(shí)，以加大土層摩阻力。

4.4接口滲漏和管節(jié)裂縫

接口滲水的情況主要是管道和密封材料質(zhì)量不合，管線軸線偏差較大、接口錯(cuò)位，及接口或止水裝置選型不當(dāng)?shù)仍蛟斐傻?。頂管管?jié)會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則的裂縫和縱向、橫向的裂縫，是管節(jié)質(zhì)量不合格、頂進(jìn)過(guò)程中頂力超過(guò)管節(jié)允許頂力、頂力不均勻等原因造成的[7]。

主要的控制措施：防止有過(guò)度糾偏存在于其中，在增加了管口的張角之后，就會(huì)按照一定的比例降低其所承受的推力；可以將一定厚度的木墊塊墊在企口管承受推力端面上，將管口承受推力的接觸面積提升上來(lái)。在管節(jié)應(yīng)用之前的檢查工作要認(rèn)真做好，進(jìn)場(chǎng)之前對(duì)管節(jié)的強(qiáng)度上一定要進(jìn)行認(rèn)真細(xì)致的檢查；如需要可將中繼環(huán)安裝在其中。

5　結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，進(jìn)入21世紀(jì)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，我國(guó)的城市管道工程建設(shè)進(jìn)入了全新的發(fā)展階段，尤其是污水管道建設(shè)在數(shù)量和質(zhì)量上都有了較大提升。地下管道縱橫交錯(cuò)，線路復(fù)雜，加之在建設(shè)過(guò)程中存在較大的道路交通流量和密集的房屋，會(huì)對(duì)大尺度開挖施工形成一定限制，頂管工藝不需要對(duì)基坑進(jìn)行開發(fā)就能完成一定施工任務(wù)，因此在污水管道設(shè)計(jì)中被逐漸廣泛應(yīng)用，尤其是在我國(guó)的一些大城市舊城區(qū)。因此，在未來(lái)的城市污水管道設(shè)計(jì)建設(shè)中，頂管工藝必將發(fā)揮著更加重要的地位和作用，相關(guān)單位和技術(shù)人員在實(shí)踐過(guò)程中需更加重視對(duì)頂管工藝施工技術(shù)的改進(jìn)和完善，使其功能得到更加充分的利用。

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[4]王忠和.論建筑工程中頂管施工的技術(shù)問(wèn)題與解決措施[J].現(xiàn)代裝飾（理論），2012（04）：11～12.

[5]黃競(jìng)輝.對(duì)某市政污水管道工程頂管施工技術(shù)的探討[J].工程管理，2011（08）：10～11.

[6]馬奮濤，汪潤(rùn)青.市政給排水工程中的頂管施工技術(shù)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2009（21）：23～24.

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2015-3-10