摘要：顶管施工技术凭借自身施工的优越性，在管道铺设施工中得到迅速推广。文章结合施工案例，在了解该工程施工背景概况的基础上，指出了顶管施工中所遇到的具体难题，深入研讨了该长距离、小口径引水钢管顶管施工技术的应用，旨在为类似工程提供参考借鉴，促进我国顶管施工技术水平提高。
关键词：顶管施工；引水管；土层结构；施工技术
顶管施工是一种不开挖或者少开挖的管道埋设施工技术，在穿越城市建筑、公路、深埋等重难、复杂施工条件时，有其独到的优势，能够达到最小破坏和最大保护环境的施工效果。随着当代经济规模的扩大及基础设施的不断兴建，这种施工方法的优越性得到进一步的体现。但是顶管技术也有缺点，如施工时间较长，工程造价高，技术难度大，不易掌握等。为此，文章将通过具体的施工案例，就具体工程的顶管施工技术作详细分析。
1 工程概况
某引水管经过施工论证需采用顶管施工技术进行作业。工程实际引水管径为1400mm，引水管由取水泵房经大堤、支流最后穿越河内进行取水作业。该河大堤实际高程为23.2m，而管道实际高程在10.50～11.50m之间，顶管与河支流交叉处埋深为2m左右；其他区域埋深11～16m。在设计过程中，分别采用φ1400×24mm以及φ1400×20mm两种不同型号的顶管，属于长距离小口径顶管施工。
2 引水钢管顶管施工特点及难点
（1）顶管管径过小。
由于在顶管施工过程中顶管管径较小，因此除了照明以及进泥管和通风管等专用设备所占用的有效空间之外，可以利用的管道空间只有1米，因此无法在管道中设置轨道，所以在整个施工过程中的运输都依靠人力进行科学作业，这种施工环境下的技术难度很高，尤其是在顶进距离达到600米之后，施工过程会更加艰难。
（2）一次顶进距离长，是顶管施工中的难点之二。
现阶段我国长距离小口径引水钢管顶管施工的最长距离为760m，而本文所研究的施工工程一次顶进作业的有效距离最大为1125m，所以这是我国一次顶进施工过程中所取得的重要技术突破。但是这项施工技术由于对施工过程中的后靠结构以及主顶推力要求很高，因此系统很难满足施工的具体要求，故科学设置接力注浆系统以及中继环，在施工过程中具有重要的作用。如果一旦系统设计不科学，则会导致顶管施工无法顺利进行。
（3）顶管的管道长细比过大，顶管顶进时的管道稳定性差是顶管施工中的难点之三。
（4）测量控制难度大是顶管施工中的难点之四。
在施工地质测量过程中，需要使用到激光测量器，但是其实际的激光发射距离只有500米，而针对500米以上的顶管施工，在施工作业之前需要相关的地质勘察技术人员进入顶管内转站进行针对性测量分析，因此大大提升了测量的技术难度。
（5）地质情况复杂是顶管施工中的难点之五。
结合该顶管施工过程中的具体实践报告，顶管在施工中经过复杂的施工地质层，由于这类型的施工地质层具有一定的高压缩性，因此这两大不同土层之间的固结速率以及渗透性较差。除此之外，在顶管施工过程中还会持续穿过诸如硬砂层、古窑迹、姜结石等一系列复杂土层，因此施工技术难度较大。
（6）由于该顶管施工过程中会经过河支流，因此穿越的土层厚度只有2米，在顶进过程中，如果技术操作不当，则会导致施工故障出现。
3 顶管施工技术分析
3.1 科学选择与设置掘进机械及中继环
泥水平衡顶管施工工法是机械化顶管施工的主要方法之一，本文结合该工程施工的实际背景情况，顶管掘进的机械设备为遥控式的泥水平衡顶管掘进机。隔板装于顶管刀盘周围，从而构成泥水压力仓。在施工过程中，需对泥水进行不断施加压力并将其送入泥水压力仓，有效提升施工结构的稳定性。与此同时，需将经过切削的泥砂输送到顶管中。由于φ1200遥控式泥水平衡顶管掘进机系统的科学运行需要受到计算机编程信息控制，因此操作过程灵活，而且该机型结构相对稳定。在针对顶管进行科学选择时，顶管由4根双级等推力油缸与可调速液压泵站组成，推力、行程分别为2000kN与3.5m。由于采用主顶装置无法进行一次顶进施工，因此在施工过程中需要通过继环进行接力顶进施工，结合施工实际情况，需在管道中设置六个中继环，其主要设置于顶管机尾部后30m、180m、360m、540m、720m、900m处，中继换的总顶力为5000kN。具体的力学性能参数计算分析如下：
（1）长距离小口径引水钢管顶管施工中全管阻力与顶管机摩阻力计算：
长距离小口径引水钢管顶管机正面摩阻力为：
Ff＝π（D2/4）f1 （1）
在上述公式中，顶管机正面摩阻力采用Ff表示；
本施工工程中的长距离小口径引水钢管顶管机外径D=1.448米；
本工程长距离小口径引水钢管顶管机正面与土层摩阻力f1=500kN/m2。
则长距离小口径引水钢管顶管机正面摩阻力：
Ff＝（D2/4）f1π
＝3.1415×（1.4473/4）×500
＝822.981（kN）。
因此该引水管外壁摩阻力为：
Fh＝LhDπf2 （2）
上述公式中，
顶管机外壁与土层摩阻力采用Fh表示；
本工程顶管机长度Lh取4.5m；
顶管机外壁与土层摩阻力通过f2表示；
本工程粉质粘土的面积取20kN/m2。
则长距离小口径引水钢管顶管机管外壁摩阻力（3）
Fh＝3.14LhDf2
＝4.512×1.4475×π×20
＝409.221kN。
则该小口径引水顶管外壁与土层摩阻力：
Fo＝LoDπf3
在上式中，钢管外壁与土层摩阻力采用Fo表示；
本工程钢管长度Lo取1125m；
本工程钢管顶管外壁土层摩阻力f3取6kN/m2。
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则长距离小口径引水钢管顶管外壁与土层摩阻力
Fo＝LoD3.14f3
＝1125.12×1.4491×π×6
＝30690.371kN
则该长距离引水管外壁与土层间总阻力：
Ft＝Ff＋Fh＋Fo （4）
在上述公式中，钢管外壁与土层间总阻力采用Ft表示。
则长距离小口径引水管外壁与土层间总阻力由以下公式计算得出：
Ft＝822.97＋409.204＋30690.362
＝31922.521kN。
（2）＃1～＃6中继环顶力计算。
＃1中继环设置在顶管机后30m，
由Fh＝LhDπf2 得：
F1＝30×1.448×3.14×6
＝818.410kN
在＃1中继环后150米部位处科学设置＃2中继环，
通过计算公式Fh＝LhD4.14f2 可以计算得到：
F2＝150.12×1.4480×π×6
＝4092.051kN
间隔180米的部位分别设置＃3～＃6中继环，
通过计算公式Fh＝LhD3.14f2 进一步得到计算结果：
F3（F4、F5、F6）＝180×1.4481×π×6
＝4910.461kN
（3）长距离小口径引水钢管顶管顶力计算：
当技术人员将第一个中继环启动时，长距离小口径引水钢管头部总阻力为：
822.961＋409.201＋818.411＝2050.571kN小于5000kN，符合长距离小口径引水钢管顶管顶力要求。
＃2～＃6中继环阻力F2～F6＜5000kN，满足长距离小口径引水钢管顶管顶力标准。
＃6中继环长距离小口径引水钢管顶力为6138.071kN，后座主顶油泵承担此顶力，符合长距离小口径引水钢管顶管顶力要求。
长距离小口径引水钢管顶管设备总顶力为200×4＋5000×6＝38000（kN）＞Ft＝31922.52kN。
经分析计算，该长距离小口径引水钢管顶管设计方案科学、可行。
3.2 顶管施工中对触变泥浆系统进行科学选择
通过科学选择触变泥浆系统，能够减小顶管施工摩擦力，同时还可保证土地结构具有一定的稳定性，避免地面发生沉降。在本施工工程中，主要利用全管段补浆与机头压浆两种技术方式进行作业，一边顶进施工一边压浆施工，然后将4个压浆孔均匀设置在机头尾部，在顶管顶进过程中需要及时进行压浆作业，将压浆孔均匀设置在机头后的3节钢管管节中，并将4只压浆孔呈90°环形设置在管节中，采用φ50镀锌管作为压浆总管，然后使压浆孔与压浆软管相连接，并将单向阀设置在压浆孔中，从而防止堵塞注浆孔，压浆配合比例具体为膨润土：CMC：纯碱：水＝400：2.5：6：850。
4 顶管施工质量控制
为保障施工质量，技术人员需要不断总结经验，提高施工质量，针对施工中经常出现的问题进行处理，防止施工过程受到影响。
4.1 顶管施工中的轴线控制
由于在施工中会产生技术误差，因此会导致施工顶管的管道轴线出现弯曲情况，究其原因主要受到了管道管壁与土体之间的巨大摩擦作用，从而出现摩擦阻力。实践证明，管道弯曲度越大，土体与管壁的摩擦力越大。因此，在施工过程中需对轴线的波动范围进行控制，特别需要重点对管道出洞之前的100米轴线距离进行严格控制，坚持勤测及勤纠的施工原则，发现错误及时纠正，这对于纠正施工中的技术误差具有重要作用。具体而言，技术人员可以采用一定的设备进行测量，要确保施工顶管的顶进速度与出泥量保持一致，从而便于对轴线以及顶力进行更好的控制。
4.2 顶管施工中的注浆系统控制
在顶管顶进作业过程中，技术人员要保证机头尾部的压浆及时迅速，保证泥浆套完整而有效。在施工过程中需结合实际对压浆量与补压浆次数进行控制。
如果顶管顶进作业过程中，由于顶管太长，因此一次性压浆很难到位，因此需要进行接力传输浆液。本工程主要将三个浆接力站分别设置在管道中，这些不同的浆接力站主要对机头至200m、200m至600m及600m以后的压浆工作进行控制，通过将一套高扬程压浆泵设置于井上，从而确保浆液能够向管内蓄浆池送浆。在压浆作业过程中，必须要注意对浆泵的压力进行密切观察及合理控制。由于触变泥浆具有很好的结构稳定性，因此可将其作为减摩泥浆使用。此外这种泥浆还具有很好的触变性以及稠度，所以在施工过程中要保证泥浆中的水分稳定，而且确保泥浆不凝固。在对泥浆的粘稠度进行配合时，需要结合泥浆穿过的不同土层的实际情况进行科学调整，从而使泥浆能够充分满足不同地质条件的施工要求，充分发挥其良好的减摩作用。在具体的减摩过程中，为了不断减小摩擦阻力及有效填充空隙，需在施工过程中结合“先压后顶，随顶随压，及时补浆”的施工操作原则进行作业[6]。
4.3 顶管施工中的停顿时间控制
如果施工中顶管的实际长度在800米以上，则很难对其顶进方向及管壁摩擦力进行科学控制，此时一旦顶管机停止运行，则需要间隔大约12小时才能恢复，此时会使摩擦阻力大大增加，因此要合理控制设备的停顿时间。除此之外，在顶管施工中可定期对施工设备进维护，从而减少其运行故障。
4.4 顶管施工中顶管穿越薄覆盖层的质量控制措施
在本工程施工过程中，顶管需要经过河支流下方，由于该顶管比河流支流的实际高程低2m，因此这一高度无法满足施工要求。在施工时可能会导致顶管“抬头”现象出现，因此为了避免这一情况出现，技术人员主要通过将石袋与砂袋抛于顶管上方的河床中，然后保证顶管上层的河流顶高不断增加。再者，当顶管在顶进过程中进入到河底时，需在垂直方向增加一个向下的俯角，但需对俯角进行严格控制，经过上述措施处理后，在施工过程中顶管施工顺利实施，并未出现任何异常现象。
5 结束语
总之，顶管施工作为一种现代化管道铺设施工方式，可以有效减小施工过程中带来的破坏和影响，在各种各样的施工项目中得到运用，面对的施工情况也是千差万别的。但是，万变不离其宗，顶管施工技术的原理都是一样的，我们要根据工程的实际施工情况，全面做好安全技术管理工作，严格按照施工规范进行控制，严抓过程质量控制，确保每项工作的细节落实和质量控制，以不断提高我国顶管施工技术水平。
参考文献：
[1]张振.长距离顶管穿越复杂地层触变泥浆优化与应用[J].城市建筑，2015（15）：276-277.
[2]吕广梁.浅析顶管施工技术在市政给排水工程中的应用[J].建筑工程技术与设计，2016（12）.
论文作者:丁一航
论文发表刊物:《基层建设》2018年第7期
论文发表时间:2018/6/19
标签：顶管论文; 小口径论文; 阻力论文; 过程中论文; 土层论文; 钢管论文; 泥浆论文; 《基层建设》2018年第7期论文;