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摘要：由于水利工程建设涉及到了大量复杂的地形环境，而传统地面开挖施工技术早已无法满足新时期水利工程建设提出的新要求，但顶管施工技术具有开挖量小、安全性高、对交通运输及周边环境造成的影响小等优点，因此在水利工程建设中必须大力推广顶管施工技术。基于此，简要分析顶管施工技术的特点及其在水利工程建设中的应用原则，结合水利工程建设中顶管施工的前期准备工作，研究水利工程建设中顶管施工技术的具体应用，围绕着测量工作、顶管安装、洞口止水、注浆控制、施工纠偏等多个角度探讨了顶管施工技术的应用要点。
关键词：水利工程建设；顶管施工技术；应用
水利工程建设与我国民生发展存在密切的关联，提高水利工程建设的施工水平已成为推动现代化城市发展的必然选择。其中顶管施工技术无需大面积开挖即可完成管道铺设工作，这项隐蔽性的施工技术在水利工程建设中体现出了较高的应用价值，有助于避免地面建筑物和地下基础设施遭到破坏，在道路拥挤的城市化发展进程中也具有明显的应用优势，因此在水利工程建设中广泛应用顶管施工技术具有重要现实意义。
１顶管施工技术的特点
近年来我国城市地下管道的数量和种类正不断增加，如电力管道、通信管道、天然气管道都有着广泛的分布，但在水利管道铺设或整改中使用传统施工技术很可能影响地下设施或其他管道，无法充分满足现代化城市快速发展的新要求。而顶管施工技术的应运而生不但能省去地面开挖的环节，有效避免地下开挖对社会秩序、地面生态环境造成的影响。最重要的是，这项施工技术还能使得其他种类的地下管道得以正常使用，这也是传统开挖施工技术所无法比拟的优势。在管道铺设地面明开挖工艺中顶管施工技术具有明显优势，如顶管施工技术可以将立体交叉取代为平面交叉，有效避免地面临开挖可能对便道修建或现有交叉道路通行造成的影响，进一步节省周边房屋加固或拆迁的施工流程，以免对现有河道断流断航或维护、迁移各类管线，最大限度地降低顶管施工期间造成的各种不利影响。在管道铺设明开挖施工中，通常需要对地面上的管道、原有房屋、交通便道进行迁移，或者对现有河道安设坝头，其中产生的泥浆水、扬尘、噪声等污染将会严重危害周边环境。但科学设计顶管施工方案即可避免施工水泥浆、扬尘、噪音等污染对周边环境造成的影响，并取得良好的环境保护效益。站在顶管施工工艺的角度分析，顶管施工成本比地面明开挖施工的成本高，但管道铺设地面明开挖施工需要在河道打坝、管网维护、交通便道修建、房屋动迁等方面花费大量成本，一旦面临停产损失补偿将会花费更多的费用。因此，顶管施工技术带来的经济效益更高，极大地节约了工程投资成本。另外，应用顶管施工技术可以有效延长管道使用寿命，顶管的管节之间不易发生变形断错的情况，在实际施工中对管壁土层造成的扰动影响也相对较小，因此顶管施工的管道比开挖埋管的管道有着更长的使用年限。最后，由于地面明开挖施工还需要完成打坝、管道维护、交通电道修建、房屋加固及拆迁等一系列的流程，其中涉及到大量复杂的现场协调、行政审批等环节，而建设单位、施工单位也需要投入大量人力、财力资源，但顶管施工主要在地下完成相关工作，整个作业面相对较小，从源头上避免了地面明开挖施工中涉及到的风险问题［１］。
２水利工程建设中顶管施工技术的应用原则
在水利工程建设中必须严格按照国家规定的施工要求和标准，充分考虑施工现场地面以下、地上管线、其他建筑设施等综合情况，精准定位工作井的位置与管道轴向，从源头上避免后期施工出现调整工作井与管道位置和方向的情况。在实际施工中再次调整工作井位置与管道轴向很可能加大各方协调的难度，甚至产生大量人力、财力损耗，并对工程投资与施工进度造成一定的影响。布置管道时，应避免管道轴线折弯的情况发生，以免影响过水流量，通过保证管道布设的平直性来减少水资源损耗。如遇特殊情况不得不折弯管道，则需要提前进行流量测算或调整管径，以此保证过水流量的稳定性。在管道布置过程中还需要避开桩基础的军用设施、景观建筑，并针对排污、煤气、通讯、电力管线等多个影响要素制定相应的解决方案。控制管道上层的覆土厚度时，应充分考虑顶管施工对上部建筑物可能造成的影响，在保证现场作业人员的生命安全的基础上满足施工设计所需的覆土厚度要求。确定工作井的位置时必须考虑管道的整体走向，将工作井与接收井之间的距离控制在２００ｍ以内，以便于更好地操控施工轴线偏差与摩阻力，从而有效避免中继间布置过多，甚至发生缺氧事故，真正为现场作业人员提供一个优质的工作面环境，切实提高现场施工效益和施工效率。在单向顶进施工中还需要在下游一侧布置工作井，并将这项工程项目视为永久工程。与此同时，选择工作井位置时还需要保证现场交通条件的便利性，确保施工场地与周围建筑物保持一定的间距，以免工作井施工对周边环境带来沉降影响，结合周边建筑物的结构、地质情况、施工方法以及工作井深度科学计算预留距离的大小。但需要注意的是，选定工作井位置时不应考虑居民集中生活区、单位工作区，以免对周边居民的正常休息和办公造成不利影响，甚至拖延工程项目整体的施工进度。
３水利工程建设中顶管施工的前期准备工作
在水利工程建设中应用顶管施工技术时必须做好前期准备工作，围绕着顶进设备、工作井位置、管道高程及走向等多个要素设计施工内容。首先，全面勘测地形地物情况。在顶管施工中必须保证工作井位置以及管道轴向布置的合理性，充分了解现场施工环境的地形地物状况，在全面掌握管道走向、交通情况、地下基础、建筑物结构等基本信息后科学制定施工方案。在顶进施工正式开展前还需要提前对地面建筑物做好加固保护工作，从根本上预防实际施工中可能发生的安全隐患，确保工作井位置避开公共交通场所的同时，还需要避免其对周边环境造成的不利影响，最大限度地保证现场施工的通畅性。对顶管施工中的工作坑进行选择时，应从多个角度着手考虑各种影响因素，如土质较软、地下水丰富的施工区域可以将沉井施工作为工作坑，而沙性土区域则可以选择钢板桩坑。若施工区域的土质条件较为优质，则可以选择钢板桩工作坑。若施工区域与建筑物之间的距离相对较短，则需要选择特殊的施工工作坑，有效避免其对地下管线造成破坏，甚至出现水土流失的情况而延误施工周期。但在有限的施工区域内，应尽可能减少工作坑的使用数量。其次，全方位检查地下管线的高程和走向，积极与管线所属单位现场确认管线布置图纸，以免管道高程、轴线设计与公用管线相矛盾，在降低施工难度的同时提前采取科学可行的防护措施，以此保证煤气、排水、供水、电力、通讯等管线建设运营的安全性。再次，积极开展水文地质勘察工作，充分了解工程沿线水文条件与土质变化后，才能制定下一步的工程设计方案。对于流砂、淤泥、沼气工段中涉及到的勘测点还需要做好加密处理，通过这种方式保证应对方案设计的可行性。其中回填土地段还需要提前采取加固处理，从而有效预防地面下沉的情况发生。最后，严格按照施工流程办理行政审批手续［２］。在顶管施工中应积极协调管线、道路、建筑等设施之间的关系，提前办好行政审批所需的手续，以此为水利工程建设中顶管施工的顺利进行奠定良好基础。此外，相关技术人员还需要对管道周边与地基内部岩土进行全面考察，尽可能在管道周边选择一定数量的考察区域，从而在此基础上深入挖掘有利于工程施工的重要资源。
４水利工程建设中顶管施工技术的具体应用
水利工程建设中的顶管施工通常需要涉及到多道复杂的作业工序，其对施工技术应用、设备操作也提出了较强的专业性要求，在实际施工中还可能出现大量不确定的影响因素，从而导致整个施工过程潜在多个方面的安全隐患，因此更需要从以下几方面着手把控顶管施工技术的应用要点。
４.１测量工作
在水利工程建设中应用顶管施工技术的前提在于保证测量工作的精准性，尤其需要测量顶进前的设备安装、顶进中的管线高程与方向以及顶进后的复测等数据。在顶管施工作业中技术人员可以将不同施工环节中涉及到的数据信息进行有效整合，并将具体的参数信息标注到施工方案中，如地质条件、管道直径等。由于不同施工方法带来的施工效果不同，因此技术人员还需要结合工程概况选择适合的施工方法，避免其与后续施工工序发生冲突。另一方面，在顶管作业中还需要保证施工工序安排的合理性，确保各施工工序相互独立。由于顶管施工需要用到一定量的机械设备，因此施工队伍还需要重视机械设备选择的合理性，确保其符合实际施工要求与现场地质条件。首先，根据总平面设计图与坐标方位科学布设控制网，尽可能选择易于校核、便于保护、视线清晰的位置作为控制点位，以此为后续的轴线顶进测量提供一定的便利［３］。
４.２管材选用
由于管道数量众多且使用周期相对较长，因此在管道材料选择过程中必须严格遵循安全性与稳定性原则，结合实际情况选择适合的管道材料。当前现有的管道材料有着多个不同的种类，在生产质量、加工质量上也存在明显差异，因此设计人员应根据管道施工要求，以钢制管材为首要选择，切实提升管道使用的安全性及使用寿命。在水利工程建设中通常需要用到钢管、钢筋混凝土等管材，其中钢管顶管本身具有质量小、密封性优良、强度高的优点，极大地提高了运输、吊装环节的操作难度。而钢筋混凝土的密封性、抗渗性相对较差，必须结合水利工程建设要求有针对性地选择适合的管材，以此保证水利工程建设中的顶管施工质量。
４.３顶管安装
在水利工程建设过程中必须保证顶管安装位置选择的合理性，由施工人员精准控制操作平台安装的高度，并在实际安装过程中考虑各种影响因素可能带来的干扰，如地下水、复杂的地质环境对顶管安装造成的影响。由于顶管施工作业大多需要在淤泥、砂或黏土层中开展，且施工现场中的管道直径也相对较大，因此施工队伍需要熟练运用起重机、千斤顶等大型机械设备，同时结合实际施工要求配备水泵、电力等辅助机械设备。另外，由于顶管施工的工作任务相对较重，因此相关技术人员还需要提前布置现场环境，提前确定机械设备所在位置，同时准备注浆技术所需的配套材料［４］。
４.４顶管施工
在顶管施工中必须考虑泥浆的黏稠程度和压力值，要求施工人员在顶进过程中细致观察周边土质情况，有针对性地调整泥浆的黏稠程度。在此过程中还需要控制机械设备的顶进速度，动态化监测泥水压力值，确保其被控制在施工允许的范围内。在顶管施工中不仅需要注意地下施工，还需要实时观测地表状态，全方位把控顶进作业的施工进度。在实际施工中还需要控制地表沉降值，以防沉降范围过大而影响工作面的稳定性，甚至发生严重的坍塌事故。另一方面，泥水压力值过大会出现地表隆起的情况，因此相关施工人员必须结合工程要求科学调整泥水压力值。在长距离顶管施工中，当处于地下水位以上的地层保持相对稳定的状态时，可以在顶管作业中选用敞开式顶管机、土压平衡式顶管机等，但在不稳定地层、地下水位以下开展顶管作业时，则需要结合地质条件选择适合的土压平衡式顶管机、泥水平衡式顶管机。
４.５洞口止水
在顶进施工中应尽可能扩大管节外径井的预留洞口，确保顶进施工中的管子能顺利出入接收井洞口和工作井，必要时可以利用止水封闭措施处理其中预留的间隙，以免流砂和地下水通过间隙渗入井内，甚至引发上部坍塌等严重的安全事故，对地下管线及周边建筑物的使用安全造成不利影响。最重要的是，采取止水封闭处理措施还能避免顶进施工中压注的润滑泥浆出现大量流失的情况。
４.６降低摩擦阻力带来的影响
在水利工程建设中应用机械顶管技术时必须充分考虑摩擦力带来的影响，尤其在顶进距离过长的前提下，当导管质量增大时，机械设备面临的摩擦阻力也会随之增加。基于此，在实际施工中相关工作人员必须将摩擦力控制在最小范围内，将水管接入工具管，使得顶管外部始终保持湿润的状态，进而通过湿润周边土层来降低摩擦力。但需要注意的是，这种方法只能用于距离短、工期规模小的水利工程建设中，在长距离顶管施工中很难取得明显的应用效果。在长距离、大规模的水利工程施工中，可以在顶管外壁使用触边润滑剂，通过这种方式有效降低摩擦阻力。按照４∶１∶１的比例混入水、石碱、膨润土即可形成润滑剂，并在实际施工中体现出良好的润滑效果。在顶径管道中可以加入接力环，并在中间设置油缸，将油缸启动后即可充分发挥后置顶管的支撑作用。这种方式主要适用于长距离的顶管施工，有助于分解顶进过程中产生的摩擦力，但这种方法需要耗费大量成本，因此需要结合工程施工要求科学运用这种方法［５］。
４.７注浆控制
在水利工程建设中开展管道施工的关键在于减少顶进压力，通过注浆控制来降低阻力，在注浆管道外壁形成一个降低顶进摩阻力的泥浆润滑套。其中工具管外壁应控制在２～５ｃｍ以内，并确保其尺寸略微超过管外径，从而有效减小管外壁摩阻力。在此过程中应避免直接碾压管体与上层之间的部位，而是将压入的泥浆填充到土层空隙内，以此在中间部位起到良好的支撑作用。这种方式可以有效提高顶进作业效率，并在短时间内快速增加顶进管路的距离，因此中间介质在顶管顶进过程中可以起到良好的支撑、润滑作用。在顶进施工中配置触变泥浆时必须保证掺和剂、水、膨润土等材料配比的均匀性，按照特定的比例混合配置触变泥浆，其中水的占比最高，掺和剂的含量相对较小，并且泥浆性能主要与掺合料的质量有关。衡量顶管使用价值及泥浆制成时，通常需要综合考虑触变性指标以及ｐＨ值、稳定性、失水量、黏度、比重等５个数据指标。此外，在顶进作业中必须严格把控注浆压力和注浆量，以免注浆压力和注浆量不达标而无法有效控制摩阻力，甚至引发地面塌陷等安全事故，而过大的注浆压力和注浆量又会导致顶管凸起，甚至冲破地面。在顶进施工中还需要保证注浆操作流程的规范性，禁止随意终止泥浆泵作业，如遇特殊情况需要立即暂停顶管。当顶进作业结束后要立即更换水泥浆，避免泥浆固结体积下降的同时，还需要防止填充管外产生空隙。最后，由于长距离顶管施工所需的时间相对较长，一旦泥浆失水将无法保证触变泥浆的效用，因此需要沿着管道进程科学布置补浆孔，以便于及时补充新泥浆。当注浆止水处理工序完成后，施工队伍还需要实行穿墙工序，确定浆液与自然土达到固结状态后即可开展穿墙施工。在前期准备工作中，需要在工作坑内放入工具管并将其固定，同时全面清理洞前遗留的硬块与杂质。
４.８施工纠偏
目前大多施工队伍主要通过千斤顶来纠正顶进施工的偏差值，当管道右侧区域出现偏差值时，施工队伍可以利用千斤顶机械设备采取右伸左缩的方式进行校准，若另一侧区域出现偏差值，同样可以实行与之相反的校准工序。在施工纠偏环节必须本着微动、勤调、勤测的原则，一旦机头偏离设计轴线立即采取纠偏处理，根据工具管的轨迹和斜率综合确定纠偏量及其校正方案，并在顶进过程中及时完成纠偏操作，禁止顶进结束后再纠偏。除了满足顶进施工深基坑、机械设备以及临时用电操作等常规安全要求之外，还需要结合顶进施工特点注意以下几点事项：１）控制管道通风。对工作井及各类管道进行维护管理时，现场作业人员很可能面临地下有害气体侵蚀而引起的伤亡事故。特别是顶管施工位于氨气、沼气等聚集区时，将会严重损害现场施工人员的身体健康，因此必须充分利用现有条件实时监测顶管内有害气体的含量，通过安设通风装置来创造一个良好的作业条件。目前较为常见的通气形式主要包括鼓风型式、抽风形式、鼓风抽风组合形式，其中鼓风型通气法具有出口气体射程长、灰尘吸收能力强、安全性能良好的优点，但这种通气方法的通风距离相对较短，而驱散后的混浊室内空气也会通过整条管线直接传到工作坑内；２）积极引进防爆型电器。在易燃气体区域开展顶管施工时，应积极配备防爆开关、照明、电器等设备。当新增管节吊装完毕后，必须先通风再通电，确保现场施工区域内保持通畅的空气流通，并针对通风设备可能发生的故障配备相应的自动断电装置；３）保证顶进施工的连续性。一旦顶进施工中的顶管停顿，很可能导致设备损坏、顶力增大，甚至影响整个工程项目的顶进速度和施工质量，因此必须连续完成整个顶进施工流程；４）针对地下管线与周边建筑物做好保护工作，重点关注沉降问题。在顶管施工正式开展前，必须全方位勘查地表沉降区域内的地下管线、地表建筑物，在沉降适应允许的范围内采取科学可行的监测、防护措施，同时实时监测该区域内的构筑物、建筑物裂缝、沉降情况。一旦发现某一点位出现不均匀沉降的特征，还需要在该处铺设沉降观测点，并将每日监测频率控制在１～３次左右。对于已出现裂缝的构筑物或建筑物，应精准测量裂缝的长度、宽度，详细记录观测变化数据。最后，建设单位、施工单位应与公共管线的主管单位保持联系，与主管单位共同进行监测或者委托第三方监测。
５结语
目前非开挖施工技术尚未在水利工程建设中得到广泛应用与普及，这种施工方法可以有效避免地表结构遭到破坏，最大限度地保障周边环境及居民的正常生产生活。与此同时，在水利工程建设中应用顶管施工技术还能有效减轻施工人员的工作负担，实现最大化的经济效益和环保效益。但在水利工程施工中必须做好前期准备工作、科学选材，综合考虑顶进过程中机械设备可能受到的摩擦阻力影响，以免其影响水利工程整体的建设效果。
参考文献：
［１］王宁.顶管施工技术在水利水电工程中的应用［Ｊ］．建材发展导向，２０２２（１６）：５４－５６.
［２］秦蒙.水利管道工程中顶管施工技术分析［Ｊ］．江西建材，２０２１（０６）：１７６＋１７８.
［３］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.
［４］张瑞.水利管道工程中的顶管施工技术分析［Ｊ］．智能城市，２０２１（２０）：１５５－１５６.
［５］达云玲.顶管施工技术在长距离水利管道工程中的应用研究［Ｊ］．黑龙江水利科技，２０１９（０７）：１３８－１４０.
作者:李晓楠 单位:东阿县水利局