水利工程顶管施工技术应用研究【论文】

水利工程顶管施工技术应用研究
摘要：顶管施工技术的“非开挖”或“少开挖”特性，已经广受工程设计、施工人员的青睐。

本文从顶管施工技术的产生背景、主要原理、施工前中期的测量准备工作、顶管工作坑的设置方式、降低顶进过程摩擦阻力的有效方式、应用于水利工程中时的顶管施工技术作业流程等方面对该技术进行了详细介绍，以供参考。

关键词：顶管施工技术；水利工程；摩擦阻力；测量准备
引言
顶管施工技术是一种非开挖或少开挖的管道埋设施工方式。

笼统来说，在工作坑内，使用顶进设备，借助其在特定方向产生的顶力，降低管道与土壤间的摩擦力，从而将管道从目标坡度“顶”入土中，最后将土方运走。

此种技术由于无需或少量开挖，不会对工程所在地的道路及其他重要设施的周边环境造成破坏，因此已经广泛应用于建筑工程、道路桥梁工程以及水利工程。

1水利工程中应用顶管施工技术的产生背景及主要原理
在水利工程施工中，地下管道的安置、更换长期以来严重困扰着设计人员。

频繁的开挖不仅费时费力、造成极大的成本支出，还会严重影响工程建筑主体下方的土层环境，一旦出现问题，将会严重影响工程整体质量。

面对此类问题，盾构施工法应运而生，以更加先进的顶涵作业，革新了工程主体结构的顶进支护结构方式，并将明挖开槽转变为暗挖盾构支护，极大地降低了施工过程对交通造成的影响。

而顶管施工技术在盾构施工法的基础之上，得到了进一步的改进。

应用于水利工程、桥梁隧道工程、地下管线铺设时，无需开挖面层，即可穿越诸多障碍物。

其主要原理为借助主顶油缸和管道间、中继间的推理，将作业工具管甚至是掘进设备沿着工作井内部直接穿过土层，一直推到接收井所在位置后，执行吊起操作。

与此操作同时进行的，是将紧随工具管与掘进设备后方的管道埋设在工作井和接收井之间，最终通过非开挖的方式达到成功敷设地下管道的目的。

2施工前中期的测量准备工作
在水利工程中应用顶管施工技术时，必须重视导向问题。

一般来说，顶管的距离越长、口径越大、导向工作的困
难性就会越高。

在施工前期，应该工作管道的顶进方向，一旦出现偏差，将会严重影响施工质量。

具体流程如下：首先，在靠近建筑体后墙的平面位置进行详细计算后，设置顶管工作坑。

如果水利工程规模较小、施工距离较短，可以采用样线法，将初始位置、终端位置的线路相连，确认顶级管道的“行驶”轴线后，执行打桩定向作业。

如果顶进距离较长，可以在经纬仪等辅助工具的作用下，确定轴线。

其次，将敷设工作坑平面的导轨作为顶进管道的基准。

为了保证后续作业的精准程度，进行导轨安装作业时必须反复确认，直至满足“牢固”、“水平”等要求，同时还应注意导轨的中心线与顶管的轴线“完美重合”。

最后，以第一根正确顶进的管道作为起点，通过吊装的方式，将之放置于导轨之上。

此时可以启动油泵，正是开始顶进作业。

在此过程中，必须时刻注意中心线与轴线的重合情况，一旦出现偏离必须即刻调整。

水利工程周边环境较为复杂，地下土层很容易出现各种突发情况，因此在顶进过程中，必须采用良好的检测方式，使管道按照预定线路前行。

达到一定的行进距离后（以1m 作为分隔），进行降准测量，务必保证行进方向不会出现任何偏离。

总体来看，在水利工程中应用顶管施工技术，很容易出现行进放线偏离预定线路的情况，因此，必须及时进行纠偏作业。

常见的纠偏方式可以分为短距离人工法和长距离机械法：①施工人员可以将顶管偏离方向的土层清除干净，
此举能够使偏离区段土壤对顶管的作用力失衡，在调整油缸端的顶点位置后，即可达到纠偏的目的。

②采用机械方式，在工具管的顶头以及钢管的环圈断面上设置独立运行的液压系统。

此举能够使工具管具备活络顶头的功能性，一旦出现偏离现象，受到异常作用力后，压力表上的读数会出现偏差，从而及时发现偏离现象。

通过针对性改变油缸压力的方式，可以对偏离的导管进行“导正”，从而完成纠偏[1]。

3顶管工作坑的设置方式
顶管工作坑作为顶管施工技术的核心操作场所，必须维持安全、稳固的工作状态。

如前文所述，水利工程周边的土层环境不可控性较大，工作坑的大小、应用的支护设备等需要经过精确计算。

一般来说，工作坑的实际尺寸与顶管的各项参数息息相关。

（1）进行平面参数确认时，应该按照下列公式进行计算：工作坑宽度=顶管外径（m）+2×套管两侧操作宽度（1.5m）+2工作坑两侧支撑板装厚度（0.25m）工作坑长度=单一顶管长度（m）+油缸长度（m）+后靠墙厚度（0.5m）+顶管外留的焊接长度（0.5m）+引出土环长度（m）+顶头等特殊工具管长度（m）（2）进行断面位置确认时，应该按照以下公式进行计算：断面位置务必与水平方向保持垂直状态，在此基础上，开发深度=地坪至顶管顶部的深度
距离（m）+平铺槽钢的深度距离（0.25m）+混凝土基础厚度（0.35m）+顶管的截面直径（外径，m）（3）进行后靠墙确认时，应该充分考虑顶管的深度，否则在巨大的反作用力下，容易对水利工程的地下建筑结构造成冲击。

此外，墙面必须保持90°的垂直状态[2]。

（4）布置操作面。

首先，使用混凝土，在工作坑的地步浇灌厚度在30cm以上的土层。

其次，在土层上方铺设两层以上的槽钢，同时还应注意对水平面的矫正。

再次，沿着顶进轴线设置一组导轨（一般来说，导轨之间的距离应该在顶管外口径的60%～70%之间）。

之后，选用一组或两组油缸（双数），将之放置在升降调节架上，并执行固定作业。

最后，在顶坑的前端预留1m左右的工作坑，用来焊接导管。

4降低顶进过程摩擦阻力影响的有效方式
执行顶进作业时，地下土层与顶管外表面必然产生较大的摩擦阻力。

随着顶进距离的提升，导管的长度、质量均会增加，故而作业时间越长，产生的阻力越大。

为了提升顶进作业效率，需要通过合理方式降低摩擦阻力的影响。

常见的方法为：①在工具管中接入水管，采用环喷等方式，是水均匀覆盖在顶管外表面。

当水分深入到土层后，土层的坚硬程度必然降低，从而起到降低摩擦阻力的作用。

此种方式仅适
用于短距离作业，一旦距离加大，效果将会显著降低。

②执行长距离顶进作业时，可以使用出边润滑剂，从顶管的外壁压入，接触泥浆之后，能够极大地降低摩擦阻力。

触变式泥浆润滑剂的配置方法如下：以质量计，水、石碱、膨润土的比例应该大致满足4：1：1，此比例无需严格控制，只要大致满足即可。

根据顶管施工实际案例的相关数据可知，受水分影响而形成的泥浆，阻力如果达到30N/m2，添加泥浆润滑剂之后，摩擦力的下降幅度接近70%。

③在顶进管道中以串联的方式安装一定数量的接力环。

此举的目的在于将长顶管分为多个接力环段，在其周围布置油缸。

当接力环上的油缸启动时，处于后置未知的顶管能够切到支撑底座的作用，从而使顶管先前推进。

此种方法的原理在于，将长距离顶管收到的摩擦阻力进行“分割”，类似于多人分处线路的不同位置，无需人移动，实现物品传导的过程。

然而此种方式需要消耗大量的机械动能，成本较高[3]。

如图1所示，为长距离顶管接力环的安装示意图。

5水利工程中应用顶管施工技术的主要作业流程
上述四点主要介绍了顶管施工的各项要素，再具体作业时，应该严格执行如下流程：（1）预先检查油泵、油缸、液压系统、供电系统等是否处于正常工作状态。

特别是供电
系统，容易受到水利工程周边湿润环境的影响，必须仔细检查。

（2）操作顶管时必须循序渐进，不可操之过急。

（3）顶进过程中必须时刻注意油缸活塞杆的行程，按照预先设计方案，行程数设定在1m左右。

如果油泵压力表中的相关数值出现异常浮动，则必须即可暂停作业，待查明原因后，方可继续。

（4）务必及时清理土方，保持“顶进-清土-顶进-清土”循环进行。

如果出现“闷顶”状况，将会严重影响顶进质量（若工程规模较小，顶管外口径在300cm以下，则可以根据实际作业环境进行闷顶）。

（5）顶管施工应该连续进行。

一旦施工间隔超过一定期限，土层坚硬程度必然提升，导致阻力大幅度增加。

6结语
在水利等工程施工中，“非开挖”的设想虽然早已出现，但得以实现并受到广泛应用的时间较短。

其主要作用为纠正管道在地下延伸的偏差。

很多大中型管径的开挖施工“动静”极大，稍有不慎即会对周边环境造成破坏，故而具有“不开挖地面、不拆迁、不破坏工程主体建筑物、不影响管道段差变形”的顶管施工技术能够从经济性、环保性等方面，为诸多工程项目提供更加合理的解决方案。

参考文献
[1]石荣钢.研究顶管施工技术在水利水电工程中的应用[J].建材与装饰，2019（33）：293-294.
[2]王小焕.顶管施工技术在水利水电工程中的应用[J].珠江水运，2019（19）：85-86.
[3]石振军.顶管施工技术在水利工程中的应用[J].科技创新导报，2018，15（8）：40，42.。