城市给水管线顶管施工工艺研究

刘亚东

摘要：地下系统是一个城市最为重要的基础设施之一，也是体现一个城市建设是否完善的重要标志，随着我国城市规模的扩大以及人们对城市建设的要求提高，地下工程建设要求越来越高，开挖和施工的工艺研发也越来越完善，其中城市给水管道的传统开挖施工方法在实际操作中被认为有较大的局限性和不足，因此人们又研发出非开挖铺管的技术，其中一个较为高效的工艺即本文提到的顶管法。顶管法可以有效提高作业的效率，并且尽可能避免对地上环境的破坏和干扰，减少对周边居民正常生活的影响。因此，顶管法目前已经被广泛使用于各大城市的建设中，而本文将以北京市的城市给水管建设为例对顶管法施工工艺进行讨论。

关键词：城市给水管线;顶管法;施工工艺

一、顶管施工的相关概述

（一）顶管法技术

顶管法是地下给水管道建设的一种施工工艺，这种技术是美国率先应用的，后来传到世界各地的城市建设中，一般用于城市的公路、铁路以及水利系统等方面的建设。顶管法是一种不需要用到开挖铺管的技术，主要方法就是根据工程建设的方案沿着管线设置两个井，一个是能够顶进管道装置的工作井，另一个是接收井。然后在工作井中铺设能够承压的后座，将油压千斤顶吊进工作井后利用千斤顶将钢管或者混凝土管沿着管线顶到接收井中，并且沿线要注意接好照明措施，然后利用压浆系统将管道周围的泥土压成泥浆套保护管道并且保证管道按照要求进入。另外，在施工过程中还要用到激光经纬仪调节顶管的方向。

（二）顶管法特点

首先，顶管法是一种非开挖铺管技术，因此不需要进行路面开凿，也就意味着施工不会大量影响到地上的路面，占地面积小，不仅会减少地面活动的影响，也能够降低工程的路面修复成本;其次，顶管法将施工作业的地点转到地下，地上的基础设施和活动都可以正常进行，转为地下施工噪音也比较小，像北京市这样人口密集的城市，可以最大程度地不影响周边居民的生活;再次，地上的路面系统复杂，管道铺设的沿线道路可能遇到建筑、河流、山地等复杂地形和路面障碍物，地下工作可能减少这些障碍物的出现，减少拆除和修复的成本，同时降低施工难度;另外，地下作业环境较为简单，而且顶进的距离最短，速度相对较快，能够有效缩短工程周期。综合以上这些特点，顶管法是一种提高作业效率且有效降低成本的方法，但主要适用于一些具有承载力、且破除难度较小的非岩性土层。当然，顶管法尽可能考虑了地上的复杂情况，但是在施工过程中，不能与地面工程过多交叉进行，否则容易发生危险。

二、顶管技术施工应用分析

（一）施工前期准备

首先是开挖工作坑，工程人员要按照工程方案开挖工作坑并在底部浇筑能够承重的混凝土底座，底座要和后座连接在一起，通过增加摩擦力减小后座的尺寸。接着在后座预埋两根工字钢作为导轨让涵管可以沿直线顶进。除此之外，工作坑内还要设置一个工作槽用来焊接两管底部和集水，这个工作槽一般要靠近坝体;接着是进行后座的施工工作。后座的基本要求包含以下三个，第一是一开始所说的承压问题，后座要能够承受千斤顶的压力，所以浇筑的底座必须要具备足够的硬度;第二个是涵管顺直的问题，为了保证顶进的方向是正确的，底座必须与涵管中心线保持垂直;第三个是有一定深度的地基放置测量架，用于施工工程中的测准和矫正。最后则是机具的准备工作，根据以上工艺的要求，一般会用到挖掘机、油压千斤顶、测量仪和钢板等，其他机具根据具体的施工要求准备。

（二）施工工艺

1.降水井

因为顶管工艺是在地下作业，如果在含水层的地下作业难度会提高，因此一旦遇到这种施工环境工程会先布置降水井降低地下的水位，一般来说要求水位要降低到最低施工层的30-50米以下。

2.工作井

工作井是整个顶管法施工的两大关键环节之一，由于工作井承担了管道顶进的起点位置，因此工作井必须严格符合施工方案设计，否则会加大后续的下管、出土和顶进工作难度。为了保证高效和安全作业，首先是对顶进管的选择，一般工程是按照设计方案和现场施工环境选择顶管，先确定内径再根据受力情况确定配筋和外径，最后确定长度。由于顶管工程面上会有工人挖土，因此管径一般要大于500mm;而管道长度不同也会各有优缺点，例如长管虽然可以减少装管次数，但不好矫正和控制，可能反而增加回填恢复的成本，短管则相反，因此还是根据施工的具体方案设计为准。

3.顶进设备的选择

根据上述描述的准备机具，千斤顶是最主要的设备之一，用于管道的顶进工作，理论上会用到4只千斤顶，实际操作可能会有所增减，而4只千斤顶则会分成两列排布，最主要的顶进工作用单冲程千斤顶执行。一般来说，千斤顶的总行程在1.1米左右，最大顶力要达到30kN，负责主顶工作的千斤顶甚至要达到120kN。而另一种较为重要的顶进设备是工具管，这是用来开挖的工具，分为开挖舱和操作舱，工人在操作舱运行开挖舱，而开挖舱的相关部件较为齐全，分别有挡土格栅、泥土搅拌器、高压水枪和照明系统，功能多样。另外两个舱之间的钢板除了隔离作用还设置了水密闸门能够让工人开通两舱进行检查和修复工作。

4.下管

下管主要是用于确定位置和方向，导轨和管道中心线分别发挥作用。第一管节在下到导轨之后，会和导轨上的机头导向环连接，这样能够确定管节开头保持准确方向，注意管节不能与导轨有碰撞，因此放置过程要小心;另外管道中心线是整个过程的标志，要与前端和后端高程保持一致，同时符合施工方案的设计。在两方都确定无误后，就可以开始顶进工作了。

5.顶进

顶进工作是最主要的施工步骤，又分为两个大阶段——顶进阶段和纠偏阶段，两个阶段同时进行。首先是顶进阶段，顶进阶段分为两个步骤，顶进和管外围注浆。顶进的推进速度一般控制在3-4厘米/分钟，不能超过5厘米/分钟，另外为了保证顶进的通道是顺直的，在顶进的最初阶段要多多测量，基本上顶进30毫米左右就可以测准中心和高程的位置是否保持一致，然后推进0.8-1米的位置就记录一次位置，这样一开始进行的校准可以减少中后期偏离的情况，降低返工的成本。接着是同时进行的管外围注浆，在顶进过程中，注浆要同时进行，管外围必须时刻形成泥浆套，作为支承和减小阻力的工具。另外就是第二大阶段，校准工作。在顶管施工的前3米左右以及顶进过程中的高程和中心线要实行一镐一测，顶管机头也可以设置纠偏系统帮助纠正。在整个过程中，最容易出现问题的就是偏离，因此测量要勤，每一次纠偏的角度不宜过大，在纠偏过程中要预测接下来顶进的趋势。同时，纠偏还要遵循先解决大的问题，即左右和高低都有偏差时，偏差大的先纠偏，后面在小幅度纠正偏差小的，防止偏差越来越大。顶进完成后还要进行压浆加固，次数不得少于三次，两次间隔不超过24小时，做好压浆记录。

三、结束语

综上所述，城市的給水管线顶管法作为一种非开挖铺管的技术，能够充分利用地下进行铺设，解决了在路面开槽和地上工作的弊端，也提高了作业的效率，降低了工程成本。而在地下工作也面临着纠偏校准的问题，因此顶进阶段的工作同样要注意管道推进的角度，从而减少返工的次数，真正做到高效施工。

参考文献：

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（作者单位：北京市自来水集团禹通市政工程有限公司）