市政给排水管道工程中的顶管施工工艺研究

引言：

随着我国城市化进程加速和地下空间开发强度增大，市政给排水管网建设面临日益复杂的施工环境挑战，传统明挖管道施工方式在密集建成区、交通干道和文物保护区等特殊地段实施困难，容易引发地面沉降、管线破坏等一系列工程问题，顶管施工技术因其对地面活动干扰小、环境影响低等特点，逐渐成为城市地下管道工程的重要选择，当前顶管施工在复杂地质条件适应性、施工精度控制和环境影响评估等方面仍存在技术瓶颈，亟需开展系统性研究，特别是在软土地基、高水位地区和既有管网密集区域等特殊工况下，如何保证顶管施工的质量安全和工程效益，成为市政工程建设领域亟待解决的关键技术问题。

1.市政给排水管道工程顶管施工工艺的特点

1.1 采用顶管施工可减少地面开挖，降低对交通的影响

顶管施工工艺在市政给排水管道工程中展现出显著的技术优势，其核心特点在于地下暗挖方式大幅减少地面开挖作业，有效降低对城市交通和地面设施的干扰，该工艺采用液压顶进系统将预制管节从始发井依次顶入土层，工作井开挖面积仅需满足设备安装和管节吊装要求，较传统明挖法减少地面开挖量达 80% 以上，在交通繁忙区域施工时，顶管作业面占地宽度可控制在6 米以内，保证至少双向两车道的正常通行，地面交通干扰指数降低至0.3 以下，施工过程中运用土压平衡或泥水平衡顶管机，精确控制掘进面压力在1.1 倍静止土压力范围内，确保地表沉降量不超过 15 毫米的严格标准。顶管轴线偏差通过激光导向系统实时监测，位置精度可控制在±30 毫米的高标准范围内，完全满足重力流排水管道 3‰ 的坡度要求，针对不同管径工程，可选用DN800 至DN3500 规格的钢筋混凝土管或玻璃钢管，单次顶进长度依据地质条件可达200 米以上，在穿越重要道路和建筑物时，采用微型顶管技术可将管径缩小至DN400，地表振动速度控制在0.5 厘米每秒的安全阈值内。

1.2 顶管工艺适用于长距离、大管径的给排水管道铺设

对于管径要求，当前顶管技术可满足DN800 至DN4000 的管道铺设需求，其中钢筋混凝土管节抗压强度达到C50 标准，接口采用F型钢承口连接，密封性能满足 0.2MPa的内压试验要求，在长距离施工方面，采用中继间技术配合润滑减阻系统，单次顶进距离突破300 米已成常态，最高纪录达800 米以上，施工过程中通过注入膨润土浆液使摩阻力系数降至 0.08 的理想水平，针对大管径工程，专门研发的多刀盘土压平衡顶管机配备 300 千瓦驱动功率，刀盘扭矩达到 800千牛米，可稳定掘进于N值超过 30 的密实砂层。管道轴线控制采用全站仪与陀螺仪组合定位系统，每顶进 50 米进行姿态校核，确保千米级顶进后的轴线偏差不超过管径的 1 倍，在特殊地质段施工时，调节掘进参数将推进速度稳定在 20毫米每分钟，同步注浆压力控制在0.3 倍土压力范围内，有效控制地表沉降在10毫米警戒值以内[1]。

1.3 顶管施工能有效穿越复杂地层

针对软土地层，采用土压平衡式顶管机可将开挖面支护压力精确控制在1.05倍静止土压力范围内，配合膨润土泥浆注入使地层孔隙水压力维持在200 千帕的安全阈值内，有效防止开挖面失稳，在砂卵石地层施工时，配备滚刀和撕裂器的复合刀盘能以 15 转每分钟的转速破碎粒径不超过管径三分之一的卵石，螺旋输送机将渣土排出的同时保持掘进面压力波动不超过 20 千帕，当穿越高水位地层时，泥水平衡顶管机通过循环泥浆系统将渗透系数控制在 1×10^∧–6 厘米每秒量级，确保开挖面稳定系数大于1.5 的安全标准。对于岩层与土层交界的复合地层，可变径刀盘系统能够根据岩石单轴抗压强度自动调节转速，在强度 80 兆帕的中风化岩层中仍可保持 10 毫米每分钟的稳定掘进速度，在富含地下水的砂性地层中，注入高分子聚合物改良土体，使渗透系数降低至 1×10^∧-5 厘米每秒，有效控制水土流失量在0.5 立方米每延米以内，沉降控制方面，采用同步注浆技术将注浆压力稳定在0.25 倍覆土压力，注浆量控制在理论空隙的1.2 倍，确保地表沉降量不超过12 毫米的严格标准。

2.市政给排水管道工程中的顶管施工工艺的应用

2.1 泥水平衡式顶管工艺在软弱地层中的应用

泥水平衡式顶管工艺在软弱地层中展现出卓越的适应性，其核心技术在于通过精确调控泥浆压力与物理特性实现开挖面的动态平衡，该工艺采用智能化泥浆压力控制系统，将泥浆舱压力维持在静止土压力系数的 1.1 倍至1.3 倍范围内，有效抵消软弱地层的主动土压力和水压力，施工过程中配置的高效泥浆处理系统通过旋流分离和振动筛分技术，确保循环泥浆的马氏漏斗粘度稳定在40 秒至50秒的最佳区间，同时控制含砂量低于 5% 的临界标准，针对高灵敏度软土特性，添加羟丙基甲基纤维素等聚合物改良剂，显著提升泥浆的造壁性能和携渣能力，使泥浆滤失量降至10 毫升每30 分钟以下的优良水平。在刀盘设计方面，采用辐条式结构配合可更换齿刀，刀盘扭矩系数达到 1.2kN·m/m³的强力标准，既能有效破碎软弱土层中的硬质夹杂物，又避免对周边土体产生过度扰动，同步注浆系统沿管节外壁均匀注入特殊配制的膨润土浆液，其剪切强度控制在 1.2N/cm²至1.8N/cm²的合理范围，既保证充填效果又避免对管节产生过大侧向压力，激光全站仪与惯性导航系统组成的复合测量体系，实时监测顶进轴线偏差，确保千米级顶进后的位置精度满足管径1%的严格标准。该工艺特别适用于含水率超过液限的淤泥质土层，通过维持泥浆比重在 1.15g/cm³ 至 1.25g/cm³ 的关键区间，成功解决了传统施工方法在软弱地层中易出现的开挖面失稳、地表过量沉降等技术难题，在穿越重要建筑物和地下设施时，优化掘进参数将地表沉降槽宽度系数控制在0.5 以下，最大程度降低了对周边环境的影响，泥水平衡式顶管工艺的这些技术特性，使其成为在软弱地层中实施市政给排水管道建设的首选工法。

2.2 土压平衡式顶管工艺在黏性土层中的施工控制

建立动态平衡的土压系统，将土舱压力严格控制在静止土压力系数的 1.05倍至 1.15 倍范围内，确保开挖面稳定同时避免地表过量沉降，针对高塑性黏土特性，采用泡沫剂与清水按特定比例混合的渣土改良方案，双螺旋输送系统的强力搅拌使改良后的渣土坍落度维持在15 厘米至20 厘米的理想工作区间，刀盘设计采用辐板式结构配备可更换齿刀，其扭矩系数达到 1.5kN·m/m³的强力标准，能够有效破碎黏土中的硬质结核而不破坏土体结构，施工过程中安装在土舱壁面的多组土压力传感器实时监测压力分布，将波动幅度控制在0.02MPa的严格范围内[2]。同步注浆系统采用特殊配制的膨润土浆液，其塑性粘度保持在25cP至35cP的最佳状态，确保环形间隙的充分填充和减摩效果，针对黏性土特有的刀盘结泥问题，创新采用高分子聚合物涂层技术，使刀盘表面摩擦系数降至 0.15 以下的优异水平，轴线控制系统整合全站仪与陀螺仪双重定位技术，将顶进偏差控制在管径 0.8% 的高精度标准内，温度监测系统实时跟踪渣土温度变化，调节推进速度使其稳定在30℃至35℃的安全阈值内，避免因摩擦升温导致土体性质劣化。

2.3 人工掘进式顶管工艺在短距离管道铺设中的实施

采用开放式工作面设计，配备专业支护系统，将开挖面稳定系数严格控制在1.2 至 1.5 的安全范围内，确保施工人员安全，在管径选择方面，适用于DN800至DN2000 的中小口径管道铺设，单次顶进长度通常控制在 30 米以内的合理区间，开挖过程中采用分台阶掘进方式，每循环进尺保持在 0.5 米至1.0 米的优化值，同步安装钢制支撑框架，其抗弯刚度不低于15kN·m²的技术标准，管节接口采用F型钢承口连接，运用橡胶止水带实现密封性能达到 0.15MPa的抗渗要求，针对不同地质条件，支护系统可灵活选用钢板桩、管棚或注浆加固等形式，其支护反力需满足1.8 倍土压力的安全系数。测量控制系统采用光学对中仪配合重锤线双重校验，将轴线偏差控制在管径 1.5% 的允许范围内，在软弱地层施工时，运用超前小导管注浆工艺，使加固区土体无侧限抗压强度提升至 0.3MPa的可靠标准，通风系统确保工作面氧气浓度维持在 19.5% 至 23% 的安全区间，同时将有害气体浓度控制在职业接触限值以下，人工掘进式顶管工艺特别适用于障碍物复杂的城市建成区短距离施工，人工精细操作可精准避开既有管线，其综合成本较机械顶管降低 30%以上，该工艺在管道转向控制方面具有独特优势，最小转弯半径可达 40 倍管径的灵活标准，能够适应复杂的管线走向要求，施工过程中产生的扰动较小，地表沉降量通常控制在 15 毫米以内的可接受范围，对周边环境影响轻微。

2.4 微型顶管工艺在狭窄空间地下管道安装的运用

微型顶管工艺在狭窄空间地下管道安装中展现出卓越的技术适应性，其核心价值在于通过微型化设备和精准控制技术实现最小环境扰动的管道铺设，工艺采用外径 200mm 至 800mm 的微型顶管机，配备高精度激光导向系统，将轴线偏差严格控制在 :±10mm 的精密标准范围内，在设备配置方面，微型顶管机驱动功率达到 15kW，推力维持在 50kN至 200kN的可调区间，能够适应N值在 5 至 25 之间的各类软弱地层，针对特殊空间限制，创新研发的分离式顶进系统将操作区域压缩至 3m×4m的最小尺寸，满足极端狭窄场地的施工需求，管道接口采用不锈钢卡箍连接，其抗拉强度保证在300MPa以上，确保管节系统的整体性和密封性。在沉降控制方面，同步注浆系统将注浆压力精确调控在 0.1MPa至 0.15MPa的优化区间，使地表沉降量控制在 5mm以内的严格标准，导向系统整合了陀螺仪和倾角传感器双重监测技术，将姿态角偏差限制在0.5 度的精密范围内，针对地下障碍物密集区域，采用电磁波探测与人工探孔相结合的方式，确保最小净距不小于0.3 倍管径的安全距离，微型顶管工艺特别适用于城市地下综合管廊支线、历史街区给排水改造等敏感区域，其工作面噪声等级控制在65dB以下的环保标准，振动速度限制在0.3cm/s的安全阈值内。

结语：

顶管施工工艺的研究与应用对提升市政给排水管道工程建设水平具有重要意义，深入分析不同地质条件和工程环境下的施工技术要点，形成系统化的工艺控制标准，将有效推动非开挖施工技术的发展与创新，未来应进一步加强智能化监测技术、新型支护材料和精细化施工管理的集成应用，不断提高顶管施工的适应性、安全性和经济性，本研究的成果将为城市地下管网建设提供重要技术参考，对促进城市基础设施高质量发展、保障城市水系统安全运行具有积极意义，同时也为类似地下工程施工积累宝贵经验。

参考文献：

[1]吴远存,翟晓强,程宝康,等. 市政给排水管道工程中的顶管施工工艺 [J].北方建筑, 2024, 9 (02): 100-103.

[2]杨志. 市政给排水管道工程的顶管施工工艺研究 [J]. 清洗世界, 2021, 37(12): 161-162.