穿越道路顶管施工技术浅析

□喻金钟（河南省水利第二工程局）

穿越道路顶管施工技术浅析

□喻金钟（河南省水利第二工程局）

顶管施工是一种暗挖施工方法，是在顶管工作井内安装千斤顶，采用高压油泵供油，提供水平推力，将待顶管节一节一节由工作井（起点端）顶推至接收井（终点端），从而达到非开挖暗敷管道的目的，在隧道或地下管道穿越铁路、道路、河流或建筑物等各种障碍物时应用较多。随着南水北调配套工程的开展，近两年水利工程中顶管施工也较多，借此与广大读者一起探讨、学习。

顶管;施工;技术

1 工程概况

某施工标段为给水管道安装工程，其中给水管道需要穿越市郊几条非主要交通道路，穿越道路段设计为过路顶管施工，顶管采用DN2200钢筋混凝土Ⅲ级管，壁厚220mm，单根长度为2.50m，许用顶力按照相关规范的规定不超过9800kN。混凝土套管内穿DN1600给水钢管，单处顶管的最大穿越长度为60m。

2 地质及地下水位情况

管道沿线场区属冲积倾斜平原，地势较为平坦。工程场区揭露地层主要为第四系全新统冲积成因的重粉质壤土（alQ14）和上更新统冲积成因的重粉质壤土（alQ3）。其中，上更新统中的粉细砂分布较广泛，见于整个标段下部，最大揭露深度约13.20m。

工程区地下水主要为第四系松散土类孔隙潜水，水位埋深6m左右。

3 顶管施工

由于被穿越道路的路面高程为48.00m，顶管混凝土管中心设计高程为42.45m，可计算得出混凝土套管上部至路面的覆土厚度在4.20m左右。地下水位位于混凝土管底以上0.80m左右，施工前打降水井对穿越范围段进行降水，以满足无水作业要求。

根据顶进长度、混凝土管道内径、地质条件及地下水位等因素进行综合考虑，该工程采用人工挖掘式施工方法进行施工。

3.1 施工工艺流程

顶管施工工艺流程如下：测量放线→开挖工作坑→工作坑支护→后座墙制做→导轨安装→工作平台搭设→顶进设备安装→下管→挖土→顶进→测量校对→接口→压浆

3.2 测量放线

按照施工设计图纸的要求及测量坐标控制点，用全站仪测设出混凝土管道中心线的位置，确定混凝土管道穿越的中心桩、施工带边线桩、工作坑、出土坑的位置及尺寸并撒上白灰线。

3.3 工作坑设置

3.3.1 工作坑设置

工作坑设计为矩形，工作坑短边与长边之比通常为2：3，矩形工作坑底部尺寸应满足下列公式要求：

式中：B—矩形工作坑的底部宽度（m）；D1—管道外径（m），本工程2.64m；S—操作宽度，可取2.40～3.20m，本工程取2.80m；L—矩形工作坑的底部长度（m）；L1—顶管掘进机长度，当采用管道第一节管作为顶管掘进机时，对于钢筋混凝土管，不宜小于0.30m，钢管则不宜小于 0.60m，取 0.40m；L2—管节长度（m），取2.50m；L3—输土工作间长度（m），取2.50m；L4—千斤顶长度（m），取1.50m；L5—后座墙的厚度（m），取1.00m。

经计算，矩形工作坑的长度按8m，宽度按5.50m进行施工，深度根据后座墙的高度另进行计算。

根据施工现场土质情况，为防止工作坑其他三面坡面坍塌，在坑壁四周用浇筑混凝土墙的方式进行加固处理，并与后座墙利用网面钢筋连成整体，对后座墙也起到了加固的作用。工作坑底板铺筑一层30cm厚混凝土，同时在坑角位置设置一个0.50m×0.50m的矩形集水坑。

为了防止雨水进入工作坑，在工作坑四周用土填筑成2.00m宽、1.50m高挡水土埂，并在适当位置设置集水坑，用水泵及时排除明水。

3.3.2 顶管后座墙设置

根据现场土质情况，另设整体式后座墙，后座墙的整体强度需保证在设计顶进力作用下不被破坏，后座墙尺寸需经过计算确定，材料采用现浇钢筋混凝土，内置双层钢筋网片。后座墙完成后加垫30mm的厚钢板组成装配式后座墙，满足顶管的最大顶力，后座墙应与管道轴线垂直，允许偏差为5mm/m。

3.3.3 顶力计算与后座设计

3.3.3.1 管道的总顶力计算

计算管道的总顶力时，综合考虑管节材质、顶进工作井后座墙结构的允许最大荷载、顶进设备能力、施工技术措施等因素。当计算的总顶力大于管节允许顶力设计值或工作井允许顶力设计值时，应设置中继间。

式中：Fp—顶进阻力(kN)；D0—管道的外径(m)，取 2.64m；L—管道设计顶进长度(m)，按60m计算；fk—管道外壁与土的单位面积平均摩阻力(kN/m2)，采用触变泥浆减阻技术，查有关表格，本项取值9kN/m2；NF—顶管机的迎面阻力(kN)；本工程采用人工挖掘式，根椐顶管机迎面阻力计算式：NF=π（Dg-t）tR；式中：Dg—顶管机外径取2.70m；t—刃口厚度，取0.25m；R—挤压阻力，本项取值400kN/m2。经计算NF=770（kN）；

可得，顶进阻力 Fp＝πD0Lfk十 NF=4479+770=5249（kN）

小于混凝土管道的许用顶力9800kN，满足要求，不需要设置中继间。

3.3.3.2 后 座墙尺寸设计

整体式后座墙应根据顶力的大小、合力中心的位置、坑外被动土压力的大小来决定整体式后座墙的宽度、高度和厚度。假设整体式后座的被动土压力的合力中心与顶力反力的合力中心在同一条线上。在此，用反推计算的方法：先确定后座墙的宽度及高度，并计算该尺寸下所能承受的顶力，并与最大顶进阻力相比较进行选择的方式确定。

根据后座墙能承受的顶力计算公式：

式中：B—整体式后座墙的宽度（m），取5.50m；K—安全系数，取1.50；γ—土的重度，取18kN/m3；H—整体式后座墙的高度，取5.00m；KP—被动土压力系数，查表得2.66；C—土的内聚力，取7.00kPa；h—整体式后座顶的覆土厚度，经计算为3.50m。

代入上式可得出宽度5.50m，高度5.00m的后座墙能承受的顶力=5685kN，大于顶进阻力5249kN，满足要求。整体式后座墙的厚度可根据主油缸的布置，通过结构计算来决定，一般在0.50～1.60m范围内。

3.4 顶管设备选择

3.4.1 井内顶管设备及安装

选用两台顶力为3000kN的液压千斤顶，千斤顶固定在支架上，并且与管道中心线的垂线对称，其合力作用应该在管道中心的垂直线上，位置位于管道总高下约1/4处。其它设备包括：导轨、千斤顶架、替顶分压环、后承压板、操作平台、爬梯等。并用吊车将上述设备吊入工作井中。

3.4.2 工作井地面设备

工作井的地面需布置一系列与顶管施工有关的设备：空压设备、液压设备、泥浆站、起重设备等。

3.5 管前挖土与顶进

3.5.1 管前挖土

管前挖土是控制管节顶进方向和高程、减少偏差的重要作业，是保证顶管质量及管上构筑物安全的关键。

3.5.2 下管

将第一节管放到已经安装好的导轨上，测量管子中心及前端和后端的管底高程，确认安装合格后方可顶进。第一节管作为工具管，其顶进方向与高程的准确，是保证整段顶管施工质量的关键。因此，必须认真对待此项工作。

3.6 顶进

顶进开始时，应缓慢进行，待各接触部位密合后，再按正常速度顶进。回缩时，油路压力不得过大，速度不得过快，挖出的土方要及时外运。

启动千斤顶，将管顶进，每节管分4次顶入，原则上每次顶入0.60m，千斤顶行程终了，复位千斤顶，加塞垫块后复顶。第一节套管顶入工作面后，使其预留约0.30～0.50m的管子在导轨上，在下一节套管顶进前起稳定作用，下一节套管在导轨上与第一节套管接口处内外部均用钢制套环作接口连接，这样可以保证混凝土管道顶入后接口处平整，沉降均匀。套管切入土层后，应自上而下分层开挖。

3.7 测量与纠偏

管道顶进过程中，应遵循“勤测量、勤纠偏、微纠偏”的原则，控制顶管前进方向和姿态，并根据测量结果分析偏差产生的原因和发展趋势，确定纠偏措施。

在顶第一节管时，以及在校正偏差过程中，每顶进300mm，测量不应少于一次；管道进入土层后正常顶进时，每顶进1000mm，测量不应少于一次。进入接收工作井前30m应增加测量，每顶进300mm，测量不应少于一次。纠偏时增加测量次数。

3.8 顶管施工通风措施

为了确保混凝土顶管内操作人员供氧充足，防止土层中的有害气体及挖掘作业过程中产生的粉尘等危害作业人员健康，应对混凝土管内进行通风作业，根据顶管顶进长度，拟采用鼓风机通风措施。

3.9 顶管施工记录与管理

在一个施工段的管子顶进过程中，管道一直处于动态，加强顶进施工中的动态管理，是提高顶进质量的保证；顶管施工记录则是反映管道在顶进过程中动态情况的依据，施工过程中要认真填写顶管施工记录并存档。

4 质量与安全控制措施

严格控制顶管轴线偏差，执行“勤测量、勤纠偏、微纠偏”的施工方法。严格控制管道接口的密封质量，防止渗漏。

吊装区域非操作人员严禁入内，吊装机械必须完好，把杆垂直下方不准站人。各种电动机械设备必须有可靠有效的安全接地装置，方能开动使用。由于管道内的空气湿度较大，因此，采用24～36V低压照明电，低压电须通过变压器降压。灯具采用防水防爆灯具，并设置漏电保护系统，确保用电安全。连接千斤顶的高压油管接头应加防护套，以防喷油伤人。

5 结语

在穿越道路顶管施工中，后座墙的设计、顶进过程中的注浆减阻措施和轴线、高程的测量控制对确保顶管施工的质量起到关键性的作用，在施工过程中应加以重视。

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2014-02-17

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