微型顶管工艺在城市管网施工中的运用

朱 屹（上海宏波工程咨询管理有限公司， 上海 201707）

0 引 言

习近平总书记在党的十九大报告中指出：“加快生态文明体制改革，建设美丽中国。”我们要建设的现代化是人与自然和谐共生的现代化，既要创造更多物质财富和精神财富以满足人民日益增长的美好生活需要，也要提供更多优质生态产品以满足人民日益增长的优美生态环境需要。

随着城市的不断发展、人民生活水平的不断提高，生活环境受到的关注日益增多。由于过去未曾受到重视的雨、污水管混接直接排放问题已经严重影响到周边流域和近岸海域的生态环境，全国各地方已经开始全面规划并进行雨污分流大改造行动，力求有效提升城市水环境治理，改善城市居民生活条件。雨污分流的关键在于重新改造原本合流的管道，将污水与雨水分开排放或收集，以达到最大的再生利用效果。由于历史原因，之前的城市基础设施投入较少，各方面建设都比较落后，采用的是污水和雨水合用一条排放管道的排水系统，即合流制排水系统，未能对排水系统中的水进行来源分类就直接排放。随着城市化的不断推进，目前，我国的城市发展已经初具规模，再不进行雨污分流，城市水流域等将不堪重负，难以消除黑臭情况，因此，城市居民区以及周边道路的雨污分流项目被不断提上日程。随着各项目的开展，城市中雨污分流施工与道路交通压力的矛盾也层出不穷，如，在中心城区进行大面积的占地施工往往不太现实。在施工中，常见的管道施工方法为开挖与非开挖工艺，本文将主要介绍非开挖施工工法中的微顶管施工技术，探讨该施工技术在实际施工中的应用，以期在城市管网改造中施工方法及施工工艺的择优选择等方面提供参考。

1 微型顶管概述

微型顶管技术亦称“二次工法”（即地箭式工法），其早期技术源于德国与日本，是一种在地下敷设管道的技术。在避免损坏地上既有建筑物、不开挖原有地面的情况下，分两次施工：第一次施工时，先将先导管推进贯通；第二次施工时，则以先导管作为导体，利用扩大切削头或简易机头扩孔，顶进管道，完成管道铺设的施工工艺。

2 微型顶管工艺在项目中的运用

2.1 工程概况

莘庄南广场交通枢纽周边道路雨污分流改造项目（以下简称“本项目”）位于上海市闵行区莘庄南广场交通枢纽周边，是地铁、公交综合换乘枢纽的重要通道，周边是多个大型商业中心和居民区的主要出入通道，且紧邻外环与高速的出入通道，交通压力非常大。为尽可能减小道路通行压力，施工方采用非开挖微型顶管施工工艺。工程内容包括摇管井18座，摇管钢筒型号为φ2590，壁厚为20 mm，采用C35水下混凝土封底，厚度为1.0 m，摇管井深度8 m～9 m，管径为DN400/DN600的微型顶管（管材采用树脂混凝土管）施工共20段，合计长度849 m，管道敷设深度约3.27 m～6.52 m，根据地勘报告数据显示，管道敷设层的土层为②层褐黄色～灰黄色粉质黏土及③1T灰色砂质粉土。

2.2 微型顶管施工的主要工艺流程

微型顶管施工的主要工艺流程：现场勘测→工作坑制作→摇管井安装→钢筒焊接沉设→开挖封底→安装加固后靠背→架设机台→安装激光经纬仪→先导管顶进→黑管顶进→管道顶进→拆除管路→拆除管路→路面恢复。

2.3 微型顶管施工的主要设备投入

在一般的微型顶管施工中，为满足施工条件，主要需投入以下设备（如表1所示）。

表1 微型顶管施工所需设备一览表

2.4 摇管井施工

根据微型顶管推进台及管材尺寸的特点可知，工作井及接收井的尺寸较小，难以满足施工作业空间的要求，只有采用摇管机钢管沉管作为井，才能满足施工作业空间要求。本项目工作井及接收井采用机械施工进行操作，所采用的机械设备名称为2590摇管机，辅助设备为伸缩臂挖掘机。钢筒壁厚为20 mm，内径为2 590 mm，每节钢筒的长度为2.0 m，钢筒之间采用焊接方式连接，钢筒的下部切割为锯齿状，齿深为5 cm。根据施工设计图纸，放出工作坑中心点位置。施工时，需查明工作坑范围内地下管线情况，与相邻管线保持足够的安全距离。

工作坑位置确定后，清障开挖至距原地面1.6 m处，放入第一节钢筒，将摇管机安放在钢筒上方。摇管机安放完成后，安放第二节钢筒，将第二节钢筒与第一节钢筒接口对齐，采用坡口焊接的方式与挖掘机油路连接，随后下沉摇管，直至钢管底达到设计标高。摇管机将钢筒安装至设计标高后，（如不需坑底加固）使用挖掘机将钢筒内的土取出，取土结束后将井内渗水抽干，采用C35水下混凝土封底，厚度为1 m，顶管工作井及接收井嵌入土层不少于1 m。摇管施工过程中所采用的是钢制护筒，自重较轻，根据设计工作井位置，先对周围已建管线进行管线探测，并人工开挖探坑，确保安全距离。主要工艺流程：工作坑放样→摇管机安装→钢筒焊接沉设→开挖封底。

2.5 工作坑及后背安装

工作坑底板浇筑完成后，首先安装顶管后背。

（1）微型顶管配套工作坑一般需要两座（推进坑与接收坑各一座）。工作坑深度为管底标高以下0.8 m左右。坑底浇筑1.0 m厚混凝土做基坑底板，预留深50 cm的集水坑一座。

（2）机械顶管后背为钢筒井井壁。

（3）顶进坑后背与机台间隙用三角铁焊接加固后才能进行顶管施工。

（4）后背墙为钢筒，安装时钢筒中心与顶进管道的轴线要调整好，避免产生偏心受压。

（5）后背安装允许偏差：垂直度为0.1%H（H为后背高度），水平扭转度为0.1%L（L为后背宽度）。

2.6 顶力计算

确定机械顶管总顶力时，通常使用经验计算公式

式1和式2中：F为总顶力（kN）；Do为管道外径（m）；Dg为顶管机外径（mm）；L为顶距；fk为管道外壁与土的单位面积平均阻力（kN/m2）；Nf为顶管机的迎面阻力（kN）；P为土仓压力（kN/m2）。

运用式1和式2进行顶力计算，选用合适的顶管推进台提供顶力。结合工程实际计算顶力计算：Do＝0.55 m，Dg＝0.73 m，L＝79 m，fk＝7.0 kN/m2，P＝60 kN/m2设定土仓压力；预测总顶力为Nf＝π×(0.71)2×60/4≈23.7 kN；F＝π×0.71×79×7.0＋23.7≈1 256.5 kN。计算得出，需1 256.5 kN的顶力推动；本项目中实际选用的顶管推进台指标为160 t，转换成顶力为1 600 kN，能够达到顶进的顶力要求。

2.7 推进机台、机台底座和激光经纬仪的安装及先导管、黑管和管道的顶进施工

与管道中心轴线安装的推进机台底座及机台相匹配的推进设备主要是液压油缸系统。激光经纬仪根据管线中心及高程架设完毕后，依据设计坡度调整坡比。仪器设定好后开始先导管顶进施工。

先导管顶进：先导管箭头采用90 mm中空斜坡面的钢管，导杆采用90 mm中空钢管，在顶进过程中通过先导管箭头斜面旋转产生的切削力调整行进方向，全程采用激光经纬仪定向纠偏操作，可精确的按设计坡度进行顶进，直至达到接收井。

黑管（前导管外管）顶进：采用220 mm中空钢管，以先导管作为导体，利用扩大孔径将管道推进，过程中不排土，同步在接收井中拆除先导管。黑管顶进前安装镜面框，防止顶进过程中漏水漏泥。

管道顶进：黑管进入接收井后，在工作井中安装好简易机头并顶进洞内，待机头全部进洞后，安装机头所用的液压油管及高压水管，通过改良式简易机头进一步扩孔（不排土），将工程管道顶进直至接收井，同步在接收井中拆除黑管。管线按照设计长度施工完成后，机头进入接收坑，卸下机头，此段管线顶管完成，管道顶进结束后，用水不漏封堵管壁，防止漏水漏泥。

2.8 进出洞口施工措施

微型顶管施工时，应根据不同的施工工序，在钢筒井壁上切割相应直径的洞口。不同管径开孔尺寸比相应的机头外径大2 cm。施工时，钢筒井壁开孔后，为防止土体从孔洞流出，使相邻路面及构筑物发生沉降，应加装橡胶镜面框。镜面框为可拆卸的多层圆环橡胶制品，能够起到止水止泥的作用。如果施工区域地层为淤泥质土且含水量大，涌水涌砂严重，应根据现场情况，对出入洞口一定范围内进行压密注浆加固。

2.9 顶管进出洞口、坑底加固措施

顶管工作井和接收井坑底一般采用D800高压旋喷桩满堂加固，加固厚度3 m；管道进出洞位置进行压密注浆加固，加固范围为管道轴线方向2 m、管外侧2 m的长方体范围内。微型顶管工作井压密注浆及高压旋喷平面图和剖面图，如图1和图2所示。

图1 微型顶管工作井压密注浆及高压旋喷平面布置图

图2 微型顶管工作井压密注浆及高压旋喷剖面图

2.10 检查井砌筑

在顶管完成后，浇筑窨井垫层及基础，并进行管道流槽，检查井体施工。根据设计需要，后续待回填后可以对钢管井进行拔除或不拔除处理。

3 几种常用的施工工法优劣势比较

以口径300 mm～600 mm的污水管道为例，对常用的施工方法进行比较，具体如表2所示。

表2 常用施工法优劣势比较表

4 微型顶管施工法的优劣势

4.1 优 势

（1）管道铺设精度高，误差一般小于30 mm，激光经纬仪制导满足管道重力流要求。

（2）施工占用场地小。以2 590 mm的工作井为参考，总体施工占用场地面积一般不超过40 m2。

（3）应急处置响应快，如遇道路特殊通行需求，能马上采取钢板覆盖洞口等措施，立即恢复道路通行。

（4）施工速度快。单段（长度50 m）施工不超过2 d，土层越软施工速度越快；另外,与传统工作井制作中采用工法桩或钻孔灌注桩加高压旋喷桩的方法相比，时间大大减少，省去了桩基完成后需等待28 d，强度达标后才能进入下道工序的时间。

（5）整体沉降小。机头外直径尺寸大于管道外直径30 mm，如需减少阻力也可注浆填充，沉降可忽略；顶管时挤土不扩孔，管壁与土层之间不存在沉降隐患。

（6）施工污染小、噪声低。顶进过程中、顶管完成后不需要泥浆置换，施工过程中污染小，利于环保。现场可采用静音发电机供电，管节顶进过程中利用小型龙门吊进行吊装，减少大型机械作业，极大地降低了噪声影响。因施工对周边的环境影响小，可夜间进行摇管及顶管的施工，白天恢复交通，尽可能地减小交通压力。

（7）施工造价低。相对于采用传统桩基围护结构工艺的工作井，摇管井施工极大程度地降低了造价，同时钢筒可以在检查井砌筑后根据设计要求拔除，进行重复利用。

（8）摇管井施工过程中采用的是钢制护筒，自重较轻，摇井过程中不会发生不均匀沉降及突沉现象，不会造成周围土体流失，对已建构筑物、管线沉降影响较小。

4.2 劣 势

（1）管道材质受限。通常管材为树脂混凝土管、玻璃钢夹砂管、钢筋混凝土管和球墨管，因工作井与接收井的尺寸限制，管材长度一般为1m/节。

（2）管径受限。因工艺限制，目前管径的最大尺寸为DN600，超过尺寸的管径则不适用。

（3）顶距不长且只能为直线。工作井与接收井通常不宜大于100 m；受工艺限制，顶进方向只能为直线。

（4）适用土层限制较多，只能适用于粘土层及砂层,如遇卵石粒径≤8 cm，含量≤30%的砂卵石地层，可谨慎选用。卵石粒径较大或存在较大块石的地层不适用此工艺。

（5）破障能力差。先导管一般为90 mm～105mm的中空钢管，遇到较大障碍物基本没有办法破障，就算先导管与黑管恰巧能顶过，但是扩大口径的管道未必能过，存在一定风险。

5 结 语

本文以上海莘庄南广场交通枢纽周边道路雨污管道分流改造项目为例，介绍了微型顶管的主要施工工艺，得出了微型顶管的适用范围：微型顶管施工工艺较为适用于DN600及以下管道施工，对于较软土质（标准贯入试验锤击数≤15）亦可采取不排土的方式。分析了微型顶管工艺相对于常规施工工艺的优势：铺管精度高、作业面小、工期短、对周边环境及各类管道等影响小、投资相对少。笔者认为，在城市雨污分流改造管网施工中，微型顶管工艺是一项十分有意义的非开挖工艺，将微型顶管工艺引入城市管网改造项目中，将大大减少施工对周边环境的影响，进一步改善城市居民生活条件。