给排水工程师略谈市政排水管道顶管工艺的设计与应用

近些年来，我国城市化进程不断发展加快，城市市政排水管网是城市重要的市政基础设施之一，担负着城市生活雨污水、工业废水的收集和输送工作，被称为城市的“血管”。市政排水管网的结构稳固和功能完善是城市排水安全的重要保证。在城市市政工程建设过程中，地下管道工程的建设日益凸显重要性并倍受社会各界的关注。我国传统管道施工多采用开挖施工，但在施工现场条件受限时，多采用顶管法。顶管施工适用于不便开槽施工或开槽埋设较不经济的管道工程，该施工方法的优点在于采用不开槽的暗挖方式，避免作业面对城市地上交通和各种活动及地上建筑物的直接影响，同时节约工程投资，减小施工对环境的影响。市政排水管网顶管施工具有较高的危险性，以及施工技术要求相对较高的特点，在管道施工过程中，由于措施不到位，技术控制不佳，容易引发各类质量和安全事故。

1、市政排水管道顶管工艺概述

1.1 顶管施工工艺的概述

污水管道顶管工艺即非开挖施工方法，它是一种不开挖或者少开挖的管道埋设施工技术。非开挖工程技术彻底解决市政给排水管道埋设施工中对城市建筑物和交通道路破坏并有效缓解城市施工地段的交通堵塞问题，在稳定土层和环境保护方面凸显其优势。这对交通繁忙、人口密集、地面建筑物众多、地下管线复杂的城市是非常重要的。

管道顶管施工通常采用的施工方法可分为敞开人工手掘式和密封机械式顶管施工方法，其中机械式顶管施工常用的施工方法又有泥水平衡式和土压平衡式两种，顶管施工常用的管材有砼管、钢管、玻璃夹砂钢管。管道顶进施工所采用的主要设备为信息化及全自动化泥水平衡顶管机。

市政排水管道顶管施工的基本原理为：从地面开挖两个基坑井，然后管节从工作井安放，通过主顶千斤顶或中继间的顶推机械的顶进，推动管节从工作井预留口穿出，穿越土层到达接收井的预留口边，然后通过接收井的预留口穿出，形成管道的施工。目前，在管道顶管施工中最为流行的有三种平衡理论：气压平衡、泥水平衡和土压平衡理论。在我国较为常用的是泥水平衡和土压平衡。

1.2 顶管工艺施工适用的地质条件

在城市市政排水管道直径较大(Φ800mm 以上)，管道施工现场无法采用明沟开挖埋管施工而管道沿线又无其它建筑物基础时，可考虑采用顶管法进行市政排水管道的建设或改造施工。采用人工顶管对于顶进面土质有较高的要求。首先，要求顶进面土体的自立性好;其次，要求顶进面的地下水压力很小，否则会导致正面土体局部塌方，这样顶进方向也就很难控制。人工顶管的纠偏通常采用顶进面局部超挖的方式，如果顶进面发生流沙现象就无法局部超挖，也就很难纠偏。因此事前应对地勘资料进行细致地了解，并要求在开顶前对不利地质进行必要的处理，从而避免无法预知的安全质量事故的发生。例如某市竹排冲污水截流工程和雨水管渠工程在顶管施工过程中，对不利施工地质因素采用粉喷桩和地质注浆处理，使工程顶管能顺利按合同要求完成。

市政排水顶管施工一般要求承载的地面土质具有一定的强度，诸如粘土、高岭土等，另外，对地面要求高的城市等地区，顶管施工的优势明显，当然，造价也相对高，而对于大开挖管道施工主要是针对土质松软或如水塘、河流等地区，不仅保证管道施工的安全、科学、合理，且造价相对较低。总之，顶管施工与开槽埋管施工相比具有施工速度快、自动化程度高、精度高、地面沉降小、对地面交通和周边环境影响小等优点。例如柳州市河东沿江截污工程。在柳州市河东沿江截污工程中覆土超过5米的均采用顶管施工，根据科学的经济经济核算比较，设计顶管管径采用d1200～d1650，这样既保证污水的流量，又能保障排水管道有效的抗压能力。

2、市政排水管道顶管工艺的设计和应用

2.1 市政排水管道顶管工艺的设计

随着我国 《给水排水工程管道结构设计规范》 (GB50332-2002) 和 《给水排水工程埋地钢管结构设计规程》 (CECS 141：2002) 的颁布施行，对市政排水管道顶管工艺做出了明确的要求和规定，并为市政排水管道顶管工艺的发展提出更高的要求。在市政排水管道顶进时，封门拆除后将工具管立即切入土层。在切入过程中应时刻注意管路的测量和纠偏。开始顶进5m~10m 范围内，施工偏差超过允许偏差时(轴线位置3mm;高程0mm+3mm)，应采取措施立即纠正。施工的工具管进入土层后的管端处理还应注意：在进入接收井的工具管和管端应设枕垫;管道两端露在工作井中的长度不得小于0.5m。由于

顶管施工采用挤压式所以在施工中还需注意：

1) 每次顶进的长度应根据车斗的容积、起吊能力和地面运输条件综合确定;2) 工具管开始顶进和接近顶完时，应采用手工挖土缓慢顶进;3) 在市政管道顶进时，应防止工具管转动;4) 在临时停止管道顶进时，应将管道的喇叭口全部切入土层。在市政排水管道顶管结束后，管节接口内侧间隙将按设计要求处理。

2.2 市政排水管道顶管管线的设计

顶管中工具、材料的设计选择。管道顶进工具头的选型：根据地质情况及周边的地理位置，主要采用全密封式机械工具管，全断面泥水平衡机械顶进。顶管长度：顶管长度根据管径和顶进的距离划分，约60～100 米为一井段;管道材料：采用III级钢筋混凝土钢承口管;顶管段单元长度为2.0m;市政排水顶管管道测量的方法：采用激光导航定位系统，并运用摄像机全过程监控;顶进的纠偏方法：工具管纠偏油缸电动液压控制纠偏;减阻方法：高压注浆触变泥浆减阻。排水管道顶进过程中的测量、纠偏控制顶管施工应建立地面与地下测量控制系统。

市政排水顶管施工采用土压平衡式工艺，采用市政管道封闭式顶进，因而对地面沉降的影响较小。在排水管道顶进过程中，管道外围的扰动空隙则通过压触变泥浆加以有效的填充，减少土层损失。在穿越地面建筑物时不准停机，控制切土口角度，适当放慢顶进速度以减少土层损失。在布置工作井后方的测量仪器座时，必须避免由于顶进受力而使得仪器座产生位移和变形。排水管道纠偏操作必须在排水管道的顶进中进行。管道纠偏时采用小角度逐渐纠偏，要坚持勤测、微调、微动的原则，每次纠偏一般不大于0.5°，切记不要对管路进行猛纠、硬调。

在市政排水管道施工纠偏前，要根据工具管本身已存在的斜率和轨迹，经综合分析研究，确定校正方向及纠偏千斤顶的伸缩量。在管道纠正工具管旋转时，宜采用挖土方法进行调整或采用改变切入削刀盘的转动方向或在管内相对于机头旋转的反向增加配重。在排水管道停止顶进时，应采取措施防止管前塌方。在排水管道顶管施工过程中，管道穿越不同土质时由于所受阻力的变化而容易造成顶进线路的偏差，虽然机头自身有一段纠偏段，纠偏最大角度范围能够达到上下1.7°，左右1.2°，但在市政污水管道顶进线路的控制方法上主要依靠设备的正确操作以及有预见性的防范措施。因此，在市政排水管道顶管设计中，应对施工低端的地质进行科学的分析研究，并结合相关专业知识进行综合分析、研究，科学制定市政排水管道的顶进路线，为使管道按照设计要求的高程和方向顶进，在顶进过程中应不断对工具管的高程方向转动进行测量，并根据管道测量详情进行信息的反馈，实现对顶进方向的科学控制，保证污水管道按设计轴线顶进。城市市政排水管道顶管线路的测量主要是采用经纬仪和全站仪进行方向的测量。

目前，城市市政排水管道顶管工艺施工采用电脑控制掘进的全过程，计算机控制系统可持续提供掘进机的导向与定位，并随时显示机头的位置，从而控制倾斜度与面向角;同时，市政排水管道顶管工程采用全自动化模糊控制技术，并可同时完成掘进过程中相关数据记录的打印工作。

结论

随着我国现代化城市的不断发展，城市地下建设日益重要，明挖工程对管道埋深较大浪费工程投资及城市交通、地下埋设物、城市建(构) 筑物、城市环境等产生很大影响，而暗挖工程尤其是顶管工程，可节省市政工程投资并对城市外部环境影响较小。因此，顶管施工技术的优势越来越突出，顶管施工与开槽埋管施工相比具有施工速度快、自动化程度高、精度高、地面沉降小、对地面交通和周边环境影响小等优点，具有广阔的应用前景，对提高污水管网施工的工作效率，创造更大的社会、环境和经济效益，具有举足轻重的作用，但仍需更多进行实地研究和并付诸于实践才能使该技术得以发展和成熟。

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