摘要：详细介绍了微型顶管的技术原理及施工工艺，并以上海沪太路工程为例，对新建管道在已建建筑物附近穿越河道及已建市政管线的施工方案进行了研究，分析了复杂环境条件下微型顶管相对于传统施工工艺的应用优势，希望为复杂环境条件下市政管线的实施提供参考。
关键词：微型顶管、复杂环境、应用优势
1 前言
随着城市不断发展，城市化进程的不断推进，人们对于生活环境的要求越来越高。然而许多生活、企业污水未经处理直接排河，对河道水质造成了严重污染。随着水十条、河长制等政策的出台落实，污水整治的要求越来越高，新建市政管线以改善城市环境便成了城市建设中的关键工程。传统的管道敷设采用开槽埋管的方式，适用于较空旷地段。对于穿越道路、河道或周边不具备开挖条件的管道，非开挖技术则是较常采用的手段。通常所说的非开挖技术以顶管法和定向钻居多，常规的顶管法主要应用于Ф800mm及以上口径的管道施工，常规的定向钻拖拉管法主要应用于Ф800mm以下口径的管道施工[1]。而微型顶管则适用于DN300~DN600管道的非开挖施工。
2 微型顶管技术原理
微型顶管技术（即地箭式工法）亦称做二次顶管工法，技术成熟于德国与日本，是一种从地下铺装管道的技术，在避免对地上建筑物构成破坏、不开挖地面情况下，首先利用液压装置将前导管按照设计轨迹推进贯通，然后通过前导管（出土螺旋管）作为导体，在前导管（出土螺旋管）末端连接扩孔切削头并将拟铺设的管道同时顶进，最终完成管道铺设的施工工艺[2]。
地箭式工法按照排土和不排土，分为标准地箭式及改良地箭式；前者为排土后推进，后者则为不排土的挤密式推进。地箭式工法利用前导管先行贯通管线路径，再顶入设计管道。但前导管强度较低，遇到较坚硬底层时，前导管容易方向偏移或压屈，而随后顶入的扩大管道容易造成地表隆起，对工程影响较大。因此微型顶管较适合于松软土层进行施工，在松软土层中，该工法施工工期短、经济性高、对周边影响小。
3 微型顶管施工工艺
3.1 工艺流程图
现场勘测 
封堵导流 
工作坑制作
安装加固后靠背 
架设机台 
安装激光经纬仪 
顶进先导管 
顶进出土外管及穿螺旋杆 
安装出土机头、安装镜面框 
混凝土管顶进
拆除管路
3.2 顶管井施工方法
顶管井一般设置两座，分别为工作井和接收井。在软土地区，一般采用钢桶沉井作为顶管井，兼作周边土体支护。工作井尺寸一般为Ф2590mm或Ф2090mm，接收井尺寸一般为Ф2590mm、Ф2090mm或Ф1590mm。钢桶沉井采用机械设备压入土中，设备名称为摇管机。每节钢桶长度为2m，钢桶之间采用焊接方式连接，最下节钢桶下部为锯齿状，齿深10cm。摇管机将钢桶安装至设计标高后，根据地下水情况，坑底采取隔水措施并抽取顶管井内地下水。采用挖掘机将钢桶内土取出，取土结束后采用钢筋混凝土封底，作为施工工作面。
3.3 顶管施工方法
微型顶管施工时，按先导管、出土外管（即黑管）、树脂混凝土管的顺序分三次顶进，逐步扩孔，完成顶管施工。
第一次顶进先导管，先导管为直径100mm钢管，第一段带箭头，便于嵌入土体，向前推进。每节先导管长度为1.0m，两段管节间采用螺栓连接。先导管顶进前，在推进台底座安装激光经纬仪，根据激光经纬仪设定坡度顶入先导管。先导管顶进详见图1。
图1 先导管施工
待先导管顶通后，第二次顶入出土外管，即直径220mm黑管，管节长度为1.0m。出土外管与先导管之间采用扩孔接头连接，出土外管两端分别设置螺纹接头，后方管节螺纹接头拧入前方管节中。黑管顶入置换先导管，接收坑中逐节拆除先导管。黑管顶入时，对周边土体主要为挤压作用。黑管顶通后，根据需要逐节装入螺旋杆，用于出土。黑管及螺旋杆详见图2、图3。
待黑管完全置换完先导管后，装上出土机头、液压油管及高压水管。然后在工作井和接收井内侧进出口处安装镜面框，镜面框实质为铁皮橡胶圈，主要用于防止顶管施工时外部地下水或泥浆渗入。第三次顶入最终所需敷设的管道，目前较常采用的为树脂混凝土管和钢筋混凝土管。管节长度也为1.0m，管节之间采用F型接头连接。顶管顶进过程中，通过高压水管将泥浆打至机头处，随机头顶进在管道周围形成泥浆套，减小顶管侧阻力。若穿越地层土体较硬，出土机头切削土体，形成泥浆，通过黑管内螺旋杆运送至接收坑内运出。若穿越土体较软，则采用挤密周边土体的方式，将管节逐步顶入。混凝土管置换黑管后，在接收坑内将黑管及螺旋杆拆除。顶管施工详见图4。
图2 出土外管施工
图3 螺旋杆安装
图4 顶管施工
4 微型顶管工程实例
4.1 工程概况
宝山区沪太路（宝安公路-A30 郊环线）污水管道工程是为了搜集沪太路沿线企业污水和生活污水的市政管线工程。新建管线长约3km，管径为DN400~DN600，大部分采用开槽埋管施工，但部分过路或过河段需采用非开挖施工。根据地勘资料，土层分布从上之下分别为：①1层杂填土、②层褐黄~灰黄色粉质黏土、③层灰色淤泥质粉质黏土、③夹层灰色黏质粉土、③层灰色淤泥质粉质黏土、④灰色淤泥质黏土、⑥暗绿~草黄色粉质黏土。
此处对一过河段管道进行研究分析。拟建管道与周边环境详见图5。拟建管道为DN400污水管，需穿越一处现状河道，现状地面标高约为5.500，河底标高约为0.000。管道检查井位于河道边，附近存在较多已建管线。已建管线埋深在地面下2m范围内，过河段管线通过支墩架立跨越河道。为满足拟建管道在过河段覆土要求，管底设计标高为-2.400。两座拟建井边存在已建建筑物，左侧井中心距已建居民楼约6.6m，右侧井距已建居民楼约5m，周边环境复杂，施工难度较大。
图5 管道周边环境图
4.2 施工方法比选
对于DN400直径的管道，目前可采用的施工方法主要为：开槽埋管施工、定向钻拖拉施工、微型顶管施工。对于该工程而言，上述三种方法可以说各有利弊。
开槽埋管施工方案：根据地面标高、河底标高、管内底标高推算，河岸上管道沟槽深度约为8m，河道范围内管道沟槽深度约为2.5m，河岸上检查井基坑深度约为8.5m。根据基坑深度及土层条件，河岸上基坑需采用钻孔灌注桩作为围护桩。因周边施工场地较小，采用水泥搅拌桩作为止水帷幕时，施工机械太大，不具备条件，需采用高压旋喷桩止水帷幕。坑底压密注浆加固并隔水。河道范围内沟槽深度较浅，采用放坡或横列板支护方式进行沟槽开挖，沟槽外采用临时围堰隔水。该施工方案相对简单，但存在问题较多：1）施工工期长。河岸上全段基坑围护均为钻孔灌注桩，桩基数量较多，现场制作钢筋笼、浇筑混凝土并等待桩基达到设计强度后，进行管道及检查井施工，施工工期较长；2）经济性差。基坑围护为钻孔灌注桩和高压旋喷桩，且数量较多，相比于另两种方案，费用相对较高；3）审批手续复杂。开槽埋管过程中，新建污水管需下穿给水管、信息管、两根燃气管，施工过程中，需将这些管线暴露后进行临时保护，新建污水管敷设完成后再撤去保护措施，将管线恢复原状。新建污水管穿越河道处，需破坏已建河道驳岸及河底护坡等进行施工，施工完成后按原样修复河道。以上实施方案需分别报相关管线管理部门及河道管理部门，经同意后方可实施。审批手续相对较为复杂，无形中也增加了工期。4）对周边环境影响大。除上文描述的开槽需暴露管线、破坏河道等影响外，施工对图5中河道左侧居民生活影响也很大。新建管道沟槽位于2层居民楼门口，并隔断了河道与居民楼之间道路，对河道左侧居民出入影响较大。
定向钻拖拉施工方案：定向钻常用形式为造斜式拖拉法和二程式拖拉法[3]。采用定向钻施工时，管道管材采用HDPE管，新建管线不需破坏现状地面及河道驳岸，对已建管线及河道影响较小。检查井处仍采用钻孔灌注桩及高压旋喷桩作为基坑围护，在基坑内制作检查井，基坑围护工程量相对开槽埋管减小很多，工期相应缩短，经济性明显提高。但受限于以下原因，该方案最终未能实施：1）施工空间受限。造斜式拖拉法是目前使用最广泛的定向钻施工方法，但管线入土和出土段均需要一段造斜空间，一般为3~8倍管线埋深。从图5来看，河道右侧检查井后方居民楼距离较近，不具备造斜空间，造斜式拖拉法无法实施。2）二程式拖拉法理论与现实不统一，且很难找到实施单位。根据理论要求，二程式拖拉法工作井及接收井的内尺寸不小于4.0m×2.5m[4]，由此推算，每段管节为2m，管节之间热熔焊接，每个接头制作约半小时。新建管道长度约50m，管道需24个接头，仅焊接接头需12小时。而钻机拖拉形成的回扩孔基本可保持2小时左右，时间越长，越容易塌孔。在理论要求最小工作井及接收井尺寸下，管道未施工完成即可能发生塌孔。若要减少接头数，则需要加长井尺寸，长度约需加长至11m，保证管节长度为10m，接头数减少至4个，基本可在2小时左右将管道拖拉完成，而河道右侧与2层居民楼之间施工空间不足。另外，经多方咨询，未能找到曾经成功实施二程式拖拉管的施工单位。
微型顶管方案：从前文施工工艺描述可知，微型顶管在该案例中具备较多优势：1）对周边影响较小。微型顶管属于非开挖施工，下穿已建管线与河道时，不需破坏现状地面及河道，对管线及河道影响较小。钢桶沉井对施工操作空间要求不高，不会阻断河道左侧道路及居民楼大门，对附近居民影响较小。2）施工周期短。从沉井下沉到管道施工完成，仅需十天，相比于另两种施工方案，大大缩短了工期。3）经济性尚可。因工作井及接收井采用钢桶沉井作为临时基坑围护，相比于钻孔灌注桩及高压旋喷桩围护，工程量大幅降低。但该工艺目前流行于台湾地区，大陆还未引进摇管机及微型顶管等相关设备，且该工程中微型顶管数量不多，单价较高，总体费用基本与定向钻方案持平。待后续引进相应设备及技术后，微型顶管的经济性优势也将逐步得以体现。除上述优势外，微型顶管目前也存在如下问题：大陆缺少相关设计规范。从钢桶沉井的壁厚计算、下沉验算、抗浮验算到顶管顶力计算等各方面，目前大陆还没有相关规范可以作为设计指导依据。该案例中由甲方组织专家对微型顶管实施方案进行评审通过后，方才进行施工。
总体而言，在该案例中，从施工周期、对周边环境影响、对施工空间要求、经济性、可实施性等方面综合比较，微型顶管比开槽埋管和牵引管等传统施工工艺更具优势。最终该段管道采用微型顶管技术顺利实施，对周边管线及建筑物的监测也满足相关规范要求。
5 结语
综上所述，微型顶管作为一种新型的非开挖技术，为小直径管道的设计与施工提供了新的思路与理念。随着城镇化的不断推进，老旧管网改造或新建市政管线的实施都将面临着复杂的周边环境，实施难度也将越来越大。文中案例的成功实施，可以为以后的工程提供理论与施工经验，也让我们看到了复杂环境下微型顶管所具备的应用优势：1）施工周期短；2）对施工空间要求低；3）经济性较好；4）对周边环境影响小。
但目前微型顶管在大陆还存在以下问题：1）缺少相关规范作为设计依据；2）缺少微型顶管设备及相关技术人员。
参考文献：
[1]卢纯青.小口径顶管技术在市政污水管道施工中应用[J].福建建筑，2018，235（01）：73-76.
[2]何平.微型顶管技术在实际工程中的应用[J].工程技术研究，2017，09：37+39.
[3]DG/TJ08-2075-2010.管线定向钻进技术规范[S].上海：上海市建筑建材业市场管理总站，2010.
[4]排水管道定向钻进敷设施工及验收技术规范（试行）[DB/OL].上海：上海市水务局，2006.
作者简介：刘金（1986-），男，江苏常州，工程师，硕士，研究方向：结构工程
论文作者:刘金
论文发表刊物:《基层建设》2018年第22期
论文发表时间:2018/9/12
标签：河道论文; 管道论文; 导管论文; 顶管论文; 管线论文; 开槽论文; 黑管论文; 《基层建设》2018年第22期论文;