探析微型顶管技术在实际工程中的应用--中国期刊网

字体：大中小

首页> 原创作品> 正文

探析微型顶管技术在实际工程中的应用

发表时间：2020/7/3 来源：《基层建设》2020年第6期作者：王伟华

[导读] 摘要：市政道路工程地下管线施工中常遭遇管线穿越既有建筑设施的情况，若采用直接开挖的施工方式必然会严重影响建筑设施功能的实现，并带来较大的修复工作压力。

        微顶（上海）排水工程有限公司
        摘要：市政道路工程地下管线施工中常遭遇管线穿越既有建筑设施的情况，若采用直接开挖的施工方式必然会严重影响建筑设施功能的实现，并带来较大的修复工作压力。为此本文介绍一种较先进的顶管技术——微型顶管，分析微型顶管较以往人工顶管或机械顶管的优势及其在实际工程中的具体应用，为市政道路地下管线顶管施工提供理论参考。
        关键词：地下管线施工；顶管施工；微型顶管技术
        引言：微型顶管技术为一种较先进的非开挖铺设地下管线工程技术，其具备对施工空间要求不高、外部影响小等优势。随着城市地上基建设施的完善，地下管线施工中大规模开展开挖铺设已经很难实现，以往施工中使用人工顶管或机械顶管又存在一定技术缺陷，难以满足现代地下管线施工的要求。微型顶管技术的应用使得以上问题迎刃而解，需要对有关施工经验做总结分析。
        1微型顶管技术优势
        1.1人工顶管技术
        人工顶管技术的核心设备为手掘式顶管机，该设备实际工程施工中的应用非常普遍，适用于短距离顶管施工项目。人工顶管技术优势在于可有效降低顶管施工成本，其施工过程不使用造价高昂的机械设备，因此较其他非开挖铺设地下管线技术有更高的经济性。依照工作面不同，手掘式顶管机可分为自然平衡和半自然平衡两种类型。其中，工作面自然平衡手掘式顶管机主要被应用于降水后地下水位相对稳定的情况，适用土层为粘性土。而工作面半自然平衡手掘式顶管机添加网格或挡板，可帮助提高土压平衡程度，因此可被用于非粘性土层以及地层压力较大的施工条件中。
        1.2机械顶管技术
        若顶管施工的距离较长、深度较大，需使用机械顶管技术，机械挖掘顶管设备较手掘式顶管机可达到更高的自动化程度和施工效率。机械挖掘顶管设备上安装掘进刀盘，可将粉碎的土石通过传送带传输至后方运输设备，具备更强的顶进能力[1]。机械顶管技术对施工稳定性要求严格，一般仅可在土层压力平衡、排土量与掘进机顶进占据土的体积相同等才可使用，以免在施工过程中发生地面沉降或空鼓问题。同样依照工作面不同，机械挖掘式顶管可分为土压平衡式、泥水平衡式和气压平衡式三种，以上三种机械顶管技术各有优缺点和适用范围，需结合具体施工条件灵活选择。如表1为三种机械顶管技术对比。
        表 1 三种机械顶管技术对比

        1.3微型顶管技术
        微型顶管技术为一种外来技术，其是对之前人工顶管及机械顶管技术的优化升级。微型顶管施工过程分成孔、扩孔、管线铺设及土方运输等环节。依照施工方法及机械设备不同，微型顶管技术可分为先导式、螺旋出土式、气排式、土挤密式等，现阶段最常用的微型顶管技术为螺旋出土工法。
        相较于其他顶管技术，螺旋出土工法存在管线铺设精度高、沉降风险小、适用范围广等优势，其铺设误差一般不超过2cm，在管线铺设过程中可确保管壁与周围土层充分接合，有效降低土层沉降风险。另外，螺旋出土工法施工过程无需在现场设置泥浆池，因此其施工环保性更高，与目前的绿色施工理念相适应，且该方法可用于砂土、粘性土层多种土层结构，该技术也被视为最具发展前景顶管施工技术之一。
        2微型顶管技术在实际工程中的应用
        以螺旋出土工法为例，对微型顶管技术在实际工程中的应用进行介绍。
        2.1工程背景简介
        某市政道路项目地下管线工程沿线区域土层由粉土、粉质粘土、粉质沙土、黏土等构成。地下管线直径分布在400～600mm之间。结合地下工程设计方案及施工现场勘查结果，对比各项顶管施工技术优缺点，最终决定选用螺旋出土工法开展顶管施工作业。
        2.2顶管施工方案
        2.2.1设备选型
        该地下管道工程管线直径在400～600mm之间，结合施工方案中顶管施工段的划定、工作坑及接收坑设置情况，计算单段顶进的最大长度。然后依照施工区域地质勘查结果、管线直径及顶管技术，计算最大顶进力，并确定相关施工设备。顶管机以柴油发动机为主要供能单元，其额定功率为1000kW，最大液压压力可达到315MPa，顶进系统的最大扭矩为27.8kN•m，推进力在1265N，最大钻孔直径为1010mm。
        2.2.2参数计算
        在使用螺旋出土工法进行顶管施工时，需准确计算最大顶进力，以确保顶管施工过程安全、稳定。本工程地下管道为钢筋混凝土管，最大顶管长度为60m，管线上层覆土厚度为7.5m，后背受力宽度应确保土层单位宽度受力不超过总的被动土压力[2]。结合工程地质条件特点，该工程顶管施工过程使用钢衬板作为支护体系，顶镐后，背板与钢衬板之间紧密贴合，计算发现后背墙承力未超过微型顶管的顶进力，因此符合有关技术规范的要求。
        2.2.3工艺流程
        首先，使用经纬仪、显示器等设备确定导向钻孔。其次，使用扩孔铰刀、螺旋杆、套筒等工具开展转进作业，当先导孔直径达到终孔设计要求后，进行套筒安装。达到接收坑后，及时清理作业坑内多余的土石。最后，套筒安装完成后，顶进地下管道，逐节将钢套筒顶进至接收坑位置。
        2.3施工监测方案
        顶管施工会给周边土层带来较大干扰，进而影响周边建筑、公路等基建设施的稳定性，因此在顶管施工中，需对地质变动情况做严格监测。
        2.3.1基坑变动监测
        基坑变动监测主要关注基坑边坡的位移和沉降情况，找出边坡位移、沉降与时间间的关系，对基坑边坡稳定状态做实时监督。
        科学布置监测点是确保监测数据真实可靠的关键。该工程对顶管施工精度要求严格，因此决定设置4个监测点，以形成网状监测结构。具体监测点的选择应距施工节点20m左右，选取人员及车辆密度较小、便于保存的地点。顶管施工中土方开挖至一定程度后，可进行支护作业并设置监测点，本工程基坑边坡位移、沉降监测点分别距基坑1m、4m和7m，每侧设置3个监测点，共设置12个。井两端及中段均设置监测点，重点观测护壁中下段的3～4m深处，主要考虑到该深度土体侧向土压弯矩较大。
        顶管施工过程中，每天采集监测点信息，记录边坡位移情况，若发现异常数据，则增加对施工现场环境的监测，以便及时进行风险应急。待边坡施工结束后，可降低观测密度，选择每3d记录位移数据，低密度监测15d后，可更改为每周监测。
        2.3.2地面变动监测
        该工程地面变动监测在地面内打入钢钎，以对顶管沉降情况进行观测。在实际工作中，钢钎的长度不应低于1200mm。地面沉降监测点每10m设置，管道中线点两侧每2.5m设置监测点，且监测点数量不得低于4个。监测点设置完毕且稳定10d左右后，可进行沉降观测，要求观测过程中观测距离在50m以上。顶管施工前，将现场前期测量数据作为监测初始值，并使用水准仪精确获取各监测点的真实数据，对比各次监测点读数及初始值，可了解各监测点的沉降情况。该工程每天采集监测点沉降数据，待管段贯通后，降低观测频率至6d每次。观测20d左右，各监测点数据不再发生明显变化，可视为沉降基本稳定，结合具体情况选择停止监测。
        3微型顶管技术的发展前瞻
        微型顶管技术于上世纪80年代中期进入我国，近年来，国内积极开展微型顶管设备自主研发轰动，在微型顶管技术实践及设备完善等方面均取得显著发展成果。但由于微型顶管技术在我国的应用历史还不长，因此相较于发达国家，微型顶管技术还存在很大的发展空间。例如，我国自主研发的微型顶管机故障率较高，且顶进强度不足，在实际施工中，管径在600mm～800mm的微型顶管机进口依赖度较高，而直径600mm以下的顶管机则全部依赖于进口[3]。
        随着地下管线工程数量的增加及施工要求的上升，微型顶管技术将得到越来越多的应用，同时促使微型顶管技术进一步发展优化，优化重点主要体现在如下几个方面：第一，小型化。现阶段的地下管线工程多开展于基础设施已非常完善的市区内，作业空间限制较大，促使顶进设备趋于小型化发展。例如，目前最小的微型顶管机可在直径1.5m的竖井内灵活施工，且能够满足100mm小直径管线的铺设要求。第二，自动化。电子技术、信息技术、传感技术等先进技术与微型顶管机的融合也是微型顶管技术必然的发展趋势。新技术的融入使得微型顶管施工的自动化程度进一步提高，相应的顶管施工精度也更优保障。第三，一体化。现阶段微型顶管设备的造价还比较高，单一设备适用的管道直径非常有限，研发适用于多种管道直径的一体化顶管设备，可大大降低顶管施工成本。
        结论：相较于人工顶管及机械顶管技术，微型顶管技术在施工灵活性、便捷性、经济性及适用范围上均存在明显优势。结合地下管线施工特点合理选择微型顶管技术类型，以最大化发挥微型顶管技术优势，提高工程建设质量。
        参考文献：
        [1]张思海.非开挖铺设排水管道工程技术研究[J].安徽建筑,2019,26(06):64-66.
        [2]林永江,屈新龙.非开挖微型顶管法在污水管道施工中的应用[J].施工技术,2018,47(S4):1528-1530.
        [3]牛运君.微型顶管技术在非开挖污水管线施工中的应用[J].建筑技术,2018,49(11):1216-1217.