广州地区顶管施工技术可行性分析

广州地区顶管施工技术可行性分析安关峰①黄仕元②刘学山③前言顶管的技术特点广州地区地质特点广州地区管网特点顶管施工应注意的问题1.中国地质大学工程学院，430074；广州市政集团，510060②日本ISEKI海外部③广州市建设科学技术委员会办公宝510030)摘要：该文详尽分析了目前顶管技术特点、发展趋势、广州地区地质特点、管网系统特点，认为目前在广州地区进行大规模管网施工的情况下，为了达到最小破坏和最大保护环境目的，采用顶管施工势在必行。另外，本文还提出了顶管施工中值得注意的问题。关键词：顶管，管网，施工安关峰中国地质大学工程学院，广州市政策团博士后主要从事岩土工程施工、数值访真和城市情息化研究工作AnGuanfeng，EngineeringSchool，chinauniversityofGeosciences，GuangZhouMunicipalEngineeringGrouPABSTRACT：Theanalysishasbeenmadeofthetechnicalcharacteristicanddevelopingtrendofpipe-jackingandtheengineeringgeologicalconditionsandtheprinciplesofPiPelinesdistributionhere．Ontheabovebase，thepipe-Jackingconstructionmustbedevelopedquicklyandwidelyinordertoprotecttheenvirronmentatmostandspoilitatleastinfrontofpipelinesconstructioningreatscale．Inaddition，theProbemswhichareworthyofbeingPaidattentiontoareproposedinthepaper．Keywords：Pipe-jacking，pipelinenet，construction1．前言我们生活在一个日新月异，科学技术高度发达、又紧张忙乱的都市生活方式的世界上。人们比以往更多地渴望在都市的良好环境下得到休息，更多地满足与协调他们的需求。当今时代我们城市现存的许多设施不能满足发展的需要。需要提供更好的污水处理系统，自来水、煤气、电力和通讯设施尤其需要工程技术人员安全的安装管道并且使城市的破坏减至最小，非开控技术将完全能解决这些难题，提供安全及经济的施工方法。非开挖技术在不稳定及饱和土层中以最小的破坏和最大的保护环境等方面解决了城市施工中的难题，并在应付最恶劣的地下土壤条件中有丰富的经验，任何地方都能提供最经济、准确、支全、快速而可靠的解决问题的方法。非开挖技术的出现为创建都市的安宁环境造就了勃勃生机。非开挖技术是近几年才开始频繁使用的一个术语，它涉及的是利用少开挖和不开挖技术来进行地卜管线的铺设或更换的知识、工艺和应用。而顶管技术是非开挖技术重要的组成部分。由于该技术适用范围较广，但在广州地区应用甚少。故本文着重讨论这一技术。2．顶管的技术特点这种技术具有许多优势，但如今我们所了解的仅是其中的一小部分，其潜力是无法预测的，设备的施工能力和应用在不断发展。顶管技术在经济、生态和环境上又有许多优点，但仍有许多待人们认识，这正是为什么必须使用顶管方法来进行地下管线施工的原因。与其它技术相比，顶管技术起步较晚。但是值得注意的是在最近20多年中，顶管施工技术无论在理论上，还是在施工工艺方面，都有了突飞猛进的发展。顶管技术是极为更要的一种都市铺设管道的施工手段，采用顶管施工法铺设管道具有如下得天独厚的优势：（1）顶管施工是顶管铺管技术的一种，其在国外已广泛使用，在国内也己逐渐普及。于不开挖地面，所以能穿越公路、铁路、河流，其至能在建筑物底下穿过，是一种能安全有效地进行环境保护的施工方法，堪称为环境保护施工时的环境保护。（2）顶管施工不开挖地面，故而被铺设管道的上部土层未经扰动，管道的管节端不易产生段差变形，其管寿命亦大于开挖法埋管。（3）采用房下顶管施工法能节约一大笔征地拆迁费用，减少动迁用房，缩短管线长度，有很大的经济效益。（4）顶管工艺不仅仅用于管线铺设，它还具有灵活的排管施工方式。更为重要的是顶管施工作为一种工艺，它不仅仅铺设管线，它在管棚施工方面也具有优势。管棚施工是指在地下构筑物施工前，先利用密排的钢管作成各种断面形状的管棚，对地面建筑物在施工过程中起到保护作用或者是为了达到某种特殊要求而采取的一种辅助施工措施。下图是采用顶管施工的常用各种横断面的管棚[1]（5）顶管施工范围的扩大，顶管机械的性能越来越适应各种土质。顶管特别适用中小型管径管道的非开挖铺设。与其它非开挖设备相比，其具有独特的优点，参见表l。表1顶管与其它非开挖技术的对照表比较项目气动矛水平定向钻机械顶管盾构施工管材钢管钢管、PVC管、PE管钢管、钢筋混凝土管、复合管、PE管、陶管盾构管片管径50—300mm50—600mm200—3000mm3000mm以上一次施工距离20—40m一般100m左右，特大型1km左右管径＜800mm；130m左右，管径≥800mm；1km以上500m以上适用土质软土，在混合层中困难一般土，在砂砾，岩层中困难粘土，砂砾至岩层全土质均可软土为主平衡地下水不能困难好(且不用井点降水)能控制地面沉隆不能不能好(顶进面有压力管理)能(需有相当的深度)机械原理采用压缩空气、冲击型先钻进，后扩孔回拖前面刀盘切削土体，后方顶进前面刀盘切削土体，顶进机头后设置管片施工速度(同土质比)500mm—2m／min2m—5m/min70mm—200mm／min10mm—50mm／min施工精度施工中无诱导地面方向有诱导激光定位，机头纠偏(绝对偏差；上下±50mm，左右±30mm以内)机内测量曲线施工不能用钻管前方导向板任意曲线，曲率半径可小于50m任意曲线占地面积小较小管线两头需分别设置工作井和到达井大穿越对象穿一般通路穿路，过河(须设置管内导向)穿路、过河、市区房下顶管过河、市区穿越用途电缆、通信、煤气、自来水支管电缆、通信、天然气、自来水管所有管线，包括重力流的下水、污水，雨水管线地下铁道、隧道设备价格10一40万元100一300万元约100万元以上约500万以上顶管发展新方向是更新旧管道技术，例如由于人口量的增加，原有的河水管道需要在原来位置的基础上进行扩径，而且不能影响正常的居民排污，这时需要采用更新旧管道技术。另外，在顶管机前方安设探查前方管线或障碍物的探查仪，使得顶进施工时可提前采取防范措施。（跳转至卷首）3．广州地区地质特点尽管顶管机械性能超凡，技术先进。但是在采用该施工技术进行施工时，首要做的事情是深刻了解广州土质特点。针对土质选用合适的机械。广州地区地质条件复杂，主要原因是地层比较多，在管线线路上地层经常发生变化，这无疑增大了顶管施工的难度并常常使技术人员措手不及。针对地层变化的情况，首先归纳总结出广州地区第四系地层的特点(表2)，然后选择适应多种土质的顶管设备。表2广州地区第四系地层一览表厚度土层描述1—4m河流相沉积中粗砂，粉细沙，局部含少量淤泥1—16m广州南部为三角洲相沉积七层主要为淤泥，下部为含砂淤泥，局部夹含淤泥细沙，产腐木，贝壳，蚝壳等，淤泥含水量最大。广州北部为河流相沉积土层为从灰黑色粘土，亚粘土，局部夹薄细砂层，含腐木。4—18m河流相沉积土层为粉砂，细砂，中砂，棚砂，砾秒，局部底部为砾石层，上部分有淤泥。风化粘土沉积土层为红黄、红白、黄白等杂色粘土，粉质粘土，底部含砂砾。4—18m三角洲相沉积土层为淤泥、淤泥质粘土、下部含砂产腐木河流相沉积土层为白色黏土，高岭、粉质粘土，含丰富腐木泥炭沼泽相沉积土层为泥炭层，有机质粘土层2—16m河流相沉积土层为粉砂，细砂，中砂，粗砂，砾砂，局部底部为砾石和角砾石堆积洪积相沉积土层为砾石和角砾石，含砾黏土，含砾砂层，分选层，砾石棱角分明，大小混杂。从表2可看到各类地层中含砂、含砾的地层较多。这一点不同于上海软土。此外新鲜基岩、基岩风化带在地表出露很多，所以顶管施工中还有可能遇到风化岩石类介质。此外广州地区地卜水位较浅，所以顶管施工过程中地下水问题不容忽视。顶管机械选型必须综合考虑到地层变化和止水、防水等问题。必须明确的是日本ISEKI公司制造的系列顶管设备在破碎砾石、卵石、风化岩石、硬岩方面以及止水方面具有很强优势。（跳转至卷首）4．广州地区管网特点市政工程建设，切忌短期行为。在城市管网施时，许多城市都存在每条马路反复开挖的现象，严重防碍了市区的交通，困扰了居民生活，缩短了路面的寿命。配套的电讯、供屯、自来水、煤气、排水、路灯、城市坐标、候车亭、广告箱、路牌、电话亭、保安亭等诸多设施都要挖路才上。广州在这方面的问题显得比较突出。广州五年来开挖道路lOO0多宗，总长800km以上，影响路面达128km2。目前还有300多个住宅区、3000多个建筑工地的配套工程需要挖路。广州每年管线开挖的长度，数量相当巨大。仅仅2000年一年时间，广州市开挖的管线长度就达到778km。广州市区管网有如下特点：1、在老城区各种管网相互交错，很多管线地下位置不明。2、广州最近几年建设的管网由于未能充分考虑地区经济发展的容造，使得铺设的管线不能满足发展的要求，所以造成在相同位置不同深度不断埋设相同功能的管道的现象从而引发各种施工问题。3、广州市在进行进路扩建、改建、新建的同时需要埋设大量雨水管线、河水管线，按照规划原则各种管线的位置基本在机动车道下面（图1)。4、为满足城市发展的需要，城市供水管道均排污管道的铺设量非常大，故需要领繁穿越道路、河浜、各种建筑物。先进的顶管设备与顶管施工工艺可以比较好的解决市政管线铺设所遇到的困难。（跳转至卷首）5．顶管施工应注意的问题在顶管施工过程中常会遇到如下值得注意的问题：1.工程地质和水文地质条件沿管线土层变化频繁，所以在顶管施工前必须了解土层的变化情况：此外对于要经过回填土地段，需要提前加固处理，以防顶管施工后地表有过大的下沉。2、有毒气体的检测与防护顶管施工的地层一般会通过淤泥层，腐烂动、植物体会在地下形成有毒气体聚集体，危害施工人员的健康和生命，所以有人员在顶管内操作的情况下，需要定时监测管内有毒气体含量，采用通风装置予以解决。3、超前探查地下管线尽管先进的顶管设备具有在施工时探查前进路线不远距离管线的能力，但是采用在地面提前查明地下管线仍是值得开展的，这对于保证通讯、电力、上水、排水、煤气等其它管线安全运营，确保公众正常生活仍有必要。4、穿越建筑时对基础的探查顶管在建筑物基础下施工时，需要明确施工施工路线上所遇到的基础类型，对于部分基础顶管顶进前可采取托换、加固措施。5、顶进计算顶进计算其一包括准确计算顶进推力，根据计算结果选定相应的油缸类型和确定中继间的分布；其二是工作井设计，根据计算得到的最大顶力，提出工作井的加固方案。6．基本结论鉴于以上顶管技术分祈、广州地区地质特点分祈以及广州地区管网的特点分析，我们认为在广州地区选择合适顶管机械进行顶管工艺的施工从技术上讲是完全可行的，从社会效益与经济效益上来讲是巨大的。我们所需要做的工作无非是针对广州土层特点选用相应的顶管设备进行施工。不可更改的是历史，着意刻画的是未来。我们认为为了从根本上改观广州市的管网乱挖现象，从政策法规方面予以规范是完全必要的；另外一方面从切实做到保护环境入手，加大推广顶管施工技术力度势在必行。我们可以预见未来的管线铺设技术将以顶管工艺为支撑。