顶管法施工技术在市政工程中应用初探

顶管法施工技术在市政工程中应用初探

张建文1张海东2程莉莎3

1宏润建设集团股份有限公司上海200333；2杭州路桥集团股份有限公司杭州310022；3杭州市西湖区城建服务中心杭州310008

摘要：顶管敷设管道技术由于它不需要开挖面层，能穿越地面构筑物和地下管线及公路、铁路、河道，在近年得到广泛的应用。本文就顶管技术在市政工程中的应用作了简要论述，阐述了顶管的施工工艺，论述了长距离顶管施工需要注意的几个问题及控制措施，并展望以后顶管法日渐成熟，可成为市政建设中的一种常用工艺。

关键词：市政工程；顶管法；施工技术；探讨

一、引言

随着城市建设速度的不断加快，城市中的管网不断加密、加深。对于市政管道施工，传统开挖置管存在要求施工场地面积大、地面基本无障碍物以及对周边环境影响大和安全性差等缺点。而顶管解决了以上难题，成为了一种流行的市政管道施工方法。

近年来，顶管施工法由于其对交通干扰少、噪音以及震动小、对施工周边的影响很小、可以在很深的地下敷设管道、可以安全的穿越铁路、可以穿越障碍物等诸多特点在市政工程中得到了广泛的应用，尤其是随着中继接力顶进技术的出现使顶管法具备大管径，长距离顶进作业的能力，可以应用于长距离穿越江河、湖泊及地面交通设施等的地下管道的敷设工程。

二、顶管工艺施工技术的基本原理及适用条件

顶管法又称为非开挖管道敷设技术，它具有不需要开挖面层，就能穿越地面构筑物和地下管线及公路、铁路、河道的特点，相比开挖敷设技术，投资和工期将大大节省。顶管法施工是借助主顶油缸及管道间中继间等的推力，将工具管或掘进机从工作坑内穿过土层一直推到接收坑内吊起。与此同时，也就把紧随工具管或掘进机后的管道埋设在两坑之间。对于长距离顶管，由于主油缸的顶力不足以克服管壁四周的土体摩阻力和迎面阻力，常将管道分段，在每段之间设置由一些中继油缸组成的移动式顶推站即中继间，且在管壁四周加注减摩剂以利于长距离管道的顶推。

1.顶管施工与开挖施工法相比，具有以下优点：（1）开挖部分仅仅只有工作坑和接收坑，而且安全、对交通影响小；（2）在管道顶进过程中，只挖去管道断面部分的土，挖土量少；（3）建设公害少、文明施工程度高；（4）在覆土深度大的情况下，施工成本低。

2.与开挖施工法相比较，顶管施工存在以下不足：（1）曲率半径小而且多种曲线组合在一起时，施工就非常困难；（2）在软土层中容易发生偏差，而且纠正这种偏差又比较困难，管道容易产生不均匀下沉。

顶管法施工一般是在中心城区已无法进行架线、开槽埋管来作业施工时应用，管径一般在Φ80～Φ600之间。在污水管道直径大于Φ600mm时，施工现场无法采用明沟开挖埋管施工而管道沿线又无其它建筑物基础时，也可使用顶管法施工。

三、顶管的施工工艺

（一）基本原理

顶管施工技术是一种管道敷设技术，无需开挖地面，在巨大推力的液压千斤顶作用下使管道穿越土层，达到预先设计的位置上，这就称为顶管工程。

（二）工艺流程

测量放样→工作井制作→后背墙施工→工作坑底板、导轨设置→下管→接口→测量→挖土→出土→顶进→较测→接长车道→顶进。

（三）工艺要点

1.工作井制作

由于工作井是施工顶管的入口，人员设备经常位于其中，为此必须做好井壁支护。根据水文地质条件，常用沉井、钢筋混凝土井壁、钢板桩、木桩等对其井壁进行支护。工作井施工时根据工作设备及人员合理选择井的尺寸及支护形式，同时做好集水井，用于排除施工中集水，保证地下水位在工作坑底30cm以下。

2.后背墙施工

后背位于工作井后部，是顶进施工时千斤顶的支撑面，承受顶进时的水平反力。后背虽是临时构筑物，然而这一构筑物却具有十分重要的作用，必须安全可靠。它至始至终承受着千斤顶的后座力，为此对后背施工应有如下要求：①足够的强度和稳定性，不致因顶力大而坍塌；②后背壁面平整，垂直于顶管中轴线，以便安装；③后背应一致，压缩均匀，以免顶力大时后背倾斜；④顶管的后背面积一般为8m2左右，高2m~2.5m。

3.工作坑底板、导轨设置

（l）底板中心线：要与顶管顶进线路中心线一致。

（2）平整度：底板要有较高的平整度，以减小顶进起动时的顶力，否则，过大的起动顶力会将底板拉断或被顶进顶管带走。

（3）光滑度：底板需要光滑，以减小摩擦力。

（4）抗滑能力：底板要有充分抗滑能力，以保证在涵体顶进起动时不会随之被带走，可在浇筑底板前往坑内抛以片石，略加夯实使片石插入土中，然后浇筑混凝土使片石与底板成为一整体。

（5）仰坡：为防止顶管在顶进过程中扎头，一般底板设有坡度为1%左右前高后低的仰坡。

（6）导向措施：为控制顶管起动后空顶阶段的方向，在底板两边距顶管位置5cm~10cm处设置混凝土方向墩，以便于导向。

4.减小顶进阻力的措施

在工作面前壁上，对于一定的土层和顶管尺寸，其迎面阻力为一定值，为此对于减少顶进阻力常从减小管壁的摩擦力来考虑。顶进时以膨润土为主要材料的泥浆作为润滑介质，将其灌注在管壁外围，使管节在泥浆套中前进，能大幅度降低顶推力。同样条件下比不用泥浆的顶进方式平均降低顶力50%~70%，且还能利用泥浆的压力防止塌方，发挥液态支撑作用。

5.下管

将工作坑上面的管节吊装于工作坑内的导轨上，称之为下管。常用方法有：压绳下管法、卷扬机下管、龙门架下管。

6.稳管与接口处理

顶进前需将管节在导轨上稳好，即每下一节管，都要检查一下管节的高程和方向是否符合设计要求，管节是否完全贴卧于导轨上。管节稳好后，对正管口并垫上油毡或麻辫圈，在管内用胀圈和木楔将管节连接起来，使接口成为刚性连接以避免在顶进中受力后产后错口，保证顶进过程中管节高程和方向的准确度。

7.挖土

顶管一般采用人工挖土的方式，顶进时管节的方向和高程的控制，也主要取决于挖土的方法。走向发生偏差时要用不同的挖土方法加以较正。对于不同的土质，挖土的操作要求各有不同。①土质良好时，管顶以上的土能形成土拱，因此管端可不安装刃脚，并允许在管前超挖10cm~30cm后再顶管；②土质差易坍方，不能形成土拱时，管前超挖量宜小，并随挖随顶；③管节下部135。范围内不应超挖，土弧要与管外壁吻合，保持原状土地基；④土质好时，管顶超挖量也不得大于15mm；在重要建筑物和铁路下及土质差时均不得进行超挖；⑤对顶部地基不允许下沉的地段，管节四周一律不准超挖。

8.出土

从工作面挖掘下来的土，一般先通过管内水平运输至工作坑，再垂直提升到地面运走。土运到管外的工作坑后，由地面设置的卷扬机、龙门吊或其他机械将土提升至地面运走。

9.顶进

顶进要坚持“先挖后顶、随挖随顶”的原则，事先应检查顶铁安装是否平直，以防顶进时产生偏心荷载，顶铁崩出伤人。

顶进的程序为：安装顶铁→启动油泵→管节向前运动→千斤顶的行程结束后关闭油泵→油泵回油→加顶铁→下一行程开始。

顶进中应注意事项：①密切注意油泵压力表的变化情况，如发现压力骤然增大时，应立即停泵检查原因；②千斤顶活塞的外伸长度，应控制在规定的行程范围内，不要超出，以防损坏设备；③要连续顶进，不能长时间停顿。顶进间隔时间过长时，地下水渗透量增加，土拱易坍塌；④将顶速控制在适当范围内。过快，产生偏差后不易纠正；过慢，即当管节顶进速度小于工作面保持稳定的时间时，则易坍方。

四、长距离顶管施工需要注意的几个问题

长距离顶管的施工中，受管径大小、顶进机械、施工技术条件和环境因素等多方面的影响和限制，容易出现一些问题，必须引起足够的重视。

1.顶力不足。顶管的顶力是随着顶进长度的增加需要不断增加，但是又受到管道强度的限制，不能无限增加，对于普通顶管法而言只是在管尾施加顶力进行推进，其顶进距离受到限制。因此，在长距离顶管施工中必须解决在管道强度允许范围内如何施加顶力的间题。目前有两种方法，采用润滑剂减阻和中继接力技术。一般顶管施工中常用的润滑剂减阻采用的是减阻泥浆，即在顶进时，通过工具管及混凝土管节上预留的注浆孔，向管道外壁压人一定量的减阻泥浆，在管道外围形成一个泥浆套，减小管节外壁和土层间的摩阻力，从而减小顶进时的顶力。中继接力技术指的是将长距离顶管分成数段，在各段管道中间设立中继环分段承担顶进力，顶管施工后割除中继环钢护套及油缸，恢复管道通径再逐段对接管道并做好密封处理。

2.推力不足。长距离顶管施工还受到后座所能承受推力大小的制约，一般情况下，顶管工作坑的后座所能承受的最大推力以顶管所能承受的最大推力为计算条件，只验算工作坑后座是否能够承受最大推力的反作用力。但是，有的情况下，油缸的推力往往并不是均匀的作用于后座，推力的合力作用点或高或低于后座被动土压力的合力作用点，造成设计后座抗推能力不足。因此，为使后座能够承受较大的推力，工作坑应尽可能深点，后座墙也尽可能埋深大点。

3.顶进方向失控。顶管施工中管轴线可能为直线，也可能是曲线，无论是直线和曲线，顶进施工中都必须确保管道按设计轴线顶进。如果顶进方向失控，会导致管道弯曲，顶力急剧增加，顶进困难，甚至无法继续施工。因此，必须有一套能准确控制管段顶进方向的导向机构。顶进施工中的方向控制，主要是通过反复测量，不断检查和纠偏的过程来实现。

4.塌方。在软土地基或地下水位较高的土层中顶进施工时，顶进面上容易发生塌方，塌方不仅会导致管道受力情况恶化，造成管道方向失去控制，给施工带来许多困难，还会危及地面建筑物的稳定。在深层顶管中，制止坍方实际上是控制地下水的问题。

五、长距离顶管施工技术措施

长距离顶管工程具有顶进距离长、顶管埋置深、地质条件差和施工环境复杂等几大特点，对顶进施工的控制要求比较高，顶进过程的施工控制是整个工程非常重要的环节。

（1）穿墙。穿墙是顶管施工的主要工序，包括打开穿墙管闷管，将工具管顶出井外，安装好穿墙止水几个过程。穿墙后工具管方向的准确程度将直接决定了管道的方向，也会影响到管道拼接工作。因此在穿墙前，应先在墙管内事先填满经过夯实的黄粘土，以免地下水和土大量涌入工作井。打开穿墙闷板后，应迅速将工具管顶进，同时做好穿墙止水，防治因穿墙管外侧的土体暴露时间过长而产生扰动流变。

（2）纠偏与导向。顶管顶进过程中，发生管道偏离设计轴线时必须利用一定的机构来调整管端方向，主要控制顶进方向和高程。以往纠偏工作大多是当管道头部偏离了轴线后才进行，但这时管道已经产生偏差，管轴线也出现了一定程度的弯曲，纠偏往往比较困难。顶进施工中的方向控制，最主要的在于做好预防控制措施，在导致方向偏离的若干因素中，顶力不平衡是一个主要原因。加强顶进系统的检查和监控，消除顶力不平衡的现象，防止管道的偏位。

顶进过程中，在管道中心线、工作井与建立地面、地下结构物间建立了测量控制系统，控制点设在不易扰动、视线清楚、方便校核的地方，并加以保护，必要时每点增设两个以上便于校核的攀线桩。工作并内设置由地面水准点引入的临时水准点，每次顶进作业交接班时进行仪器高程的校对与调整。顶进轴线由设计管道中心通过经纬仪测定引入井内，然后对中观测。测量仪器架设在工作井后部，仪器支架保证水平牢固，其上设置棚架保护，测定轴线偏差采用激光经纬仪，测定标高采用水准仪。

顶管施工中为保证施工精度，还加强了对测量系统控制，掘进机出坑前认真测定工具管刃口的轴线和标高，并调整至规范允许范围以内，做好原始记录。交接班时交清本班的测量记录，仪器对中情况，并交清管道轨迹和纠偏趋向，便于接班班组施工作业。每个顶程结束后进行全线复测、绘制管道顶进轨迹图（含高程、方向、顶力曲线）。

施工测量时一旦发现顶进偏差，随时采取纠正措施。顶进纠偏采用调整正面开挖部位范围和深度的方法，也采用了调整纠偏千斤顶的办法进行编组操作，若管道偏左则千斤顶采用左伸右缩的方法，反之亦然。对于高程和方向同时发生偏差，先纠正偏差大的一项。当偏差较大时，先分析其发展成因及发展趋势，控制偏差不继续扩大。纠偏遵循分次逐步纠正，勤调微纠的原则。若偏差超过质量标准规定，应停止顶进，研究有效措施，经处理后再继续顶进作业。

（3）局部气压平衡。顶管在流砂层和流塑状态的土层顶进，有时因正面挤压力不足以阻止坍方，则易产生正面坍方，不仅增加出泥量，还可能造成地面沉降，管轴线弯曲，给纠偏带来困难。为解决这类问题，在顶进施工中采用局部气压平衡的原理，局部气压的大小视具体情况而定，一般土层以不坍方为准。

（4）触变泥浆减阻。为减少长距离顶管中管壁四周摩阻力，在管壁外压注触变泥浆，形成一定厚度的泥浆套，使顶管在泥浆套中顶进，以减少阻力。触变泥浆由膨润土和水搅拌而成，配合比为1：8。泥浆经搅拌后存入储浆箱，通过注浆机经管道输送至混凝土管注浆孔，注入土体形成泥浆套。

（5）中继接力顶进。在长距离顶管中，只采用触变泥浆减阻单一措施仍不能完全解决顶力不够的问题，还可采用中继间接力顶进技术，即通过在管道中间设置中继环，分段克服摩擦阻力，解决顶力不足问题。当顶进长度超过100m时，在机头后设置一只中继间。中继间由前壳体、千斤顶及后壳体组成。前壳体与前接管连接，后壳体与后接管连接，前后壳体间为承插式连接，两者间依靠橡胶止水带密封，防止管道外水土和浆液倒流入管道内。每只中继间上安装10个、每个顶力为30t的千斤顶，千斤顶沿圆周均匀布置。千斤顶的行程为28cm，用扁铁制成的紧固件将其固定在前壳体上。钢壳体结构进行精加工，保证其在使用过程中不发生变形。中继间壳体外径与管节外径相同，可减少土体扰动、地面沉降和顶进阻力。当管道顶通以后，拆除千斤顶及各种辅件，外壳与管节内壁之间的间隙用细石混凝土填充。

（6）其他技术措施。在顶管施工中，还须重点加强以下几个方面的工作，如顶管施工前，对照已有资料查清施工区域的管线分布，采取相应的保护措施以保证通讯、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；顶管施工前详细调查了解工程沿线地质和水文条件，对于不良地质区段采取针对措施；在顶管穿过淤泥层、腐植层时，加强对有毒气体的检测与防护，保障施工人员的健康和安全。

六、结束语

顶管施工在市政工程中，特别是深覆土大管径的管道工程和交通繁忙的城市主干道改造工程中尤显重要。顶管工艺的施工从技术上讲是完全可行的，相对于开槽埋管从社会效益与经济效益上来讲更具有优越性。从根本上改变了城市管网乱挖现象；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。可以预见未来的管线铺设技术将以顶管工艺为支撑。

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