浅谈顶管施工技术的构成与步骤

焦长顺

（中国葛洲坝集团基础工程有限公司，湖北 宜昌 443002）

1 顶管施工技术的构成

完整的顶管施工大体包括工作井、推进系统、注浆系统、定位纠偏系统及辅助系统五个部分。

1.1 工作井

在需要顶进的管道一端修建的竖井称为工作井。工作井按其使用用途分为始发工作井和接收工作井。始发工作井是为布置顶管施工设备的工作井，一般设置有后背墙以承受施工过程中的反力；接受工作井是为接收顶管施工设备的工作井[1]。通常管节从始发工作井中一节节推进到接收工作井中，把顶管机吊起，当首节管道进入接收工作井时，整个顶管工程才告结束。

工作井中通常要设置扶梯、集水井、工作平台、洞口止水圈、后背墙以及基础与导轨等各种配套装置。

（1）工作平台

工作平台宜布置在靠近主顶油缸的地方，由型钢架设而成，上面铺设方木和木板。

（2）洞口止水圈

洞口止水圈安装在顶管工作井的出洞洞口，防止地下水和泥砂流入工作井。

（3）扶梯

工作井内需设置扶梯，以方便工作人员上下，扶梯应坚固防滑。

（4）集水井

集水井用来排除工作井底板处的地下水，或兼作排除泥浆的备用井。

（5）后背墙

后背墙位于顶管工作井顶进方向的对面，是顶进管节时为顶管工作井提供反作用力的一种结构[1]。后背墙在顶管施工中必须保持稳定，具有足够的强度和刚度。它的构造因工作井的构筑方式不同而不同。在沉井工作井中，后背墙一般就是工作井的后方井壁。在钢板桩工作井中，必须在工作井内的后方与钢板桩之间浇筑一座与工作井宽度相等的厚度为0.5～1m的钢筋混凝土墙。由于主顶油缸较细，若把主顶油缸直接抵在后背墙上，后背墙很容易损坏。为了防止这类事情发生，在后背墙与主顶油缸之间，需垫上一块厚度为200～300mm的钢构件，即后靠背。在后靠背与钢筋混凝土墙之间设置木垫，通过它把油缸的发力均匀地传递到后背墙上，这样后背墙就不易损坏。

（6）基础与导轨

基础是工作井坑底承受管节重量的部位。基础的形式取决于地基土的种类、管节的重量及地下水位。一般的顶管工作井常采用土槽木枕基础、卵石木枕基础及混凝土木枕基础。①土槽木枕基础：适用于地基承载力大而又没有地下水的地方。这种基础在工作井底部平整后，在坑底挖槽并埋枕木，枕木上安装导轨；②卵石木枕基础：适用于有地下水但渗透量较小、以细粒为主的粉砂土。为防止安装导轨时扰动地基土，可铺设一层100mm的碎石以增加承载力；③钢筋混凝土基础：适用范围比较广，适用于地下水位高、地基土软弱的情况。这种基础是在工作井地基上浇筑一定厚度的钢筋混凝土，导轨安装在钢筋混凝土基础上。它的作用主要有两点：一是使管节沿一稳定的基础导向顶进；二是让顶铁工作时能有一个可靠的托架。导轨一般采用型钢焊接而成，应具有较高的尺寸精度，并具有耐磨和承载力大的特点；导轨下方应用刚性结构垫实，两侧撑牢固定。基础和导轨是顶管的出发基准，应该具有足够的强度和刚度，并具有坚固且不移位的特点。

1.2 推进系统

（1）主顶装置

主顶装置主要由主顶油缸、主顶液压泵站、操纵系统以及油管等组成。①主顶油缸：主顶油缸是主顶装置的主要设备，工程中习惯称为千斤顶，它是管节推进的动力。主顶油缸安装在顶管工作井内，一般均匀布置在管壁两侧，油缸主要由缸体、活塞、活塞杆及密封件组成，其形式多为可伸缩的液压驱动的活塞式双作用油缸。②主顶液压泵站：主顶液压泵站的压力油由主顶油泵通过高压油管供给。③操纵系统：主顶油缸的推进和回缩是通过操纵系统控制的。操纵方式有电动和手动两种，前者使用电磁阀或电液阀，后者使用手动换向阀。④油管：有钢管、高压软管等。管接头的形式根据系统压力选取，常用的管接头有卡套式和焊接式。

（2）顶铁

顶铁是顶进过程中的传力构件，起到传递顶力并扩大管节端面承压面积的作用，一般由钢板焊接而成。顶铁由O形顶铁和U形顶铁组成。①O形顶铁：直接与管子接触的构件，通过该构件可以将主顶油缸的顶力全民断面地传递到管子上，用以扩大管子的承载面积。②U形顶铁：该构件是O形顶铁与主顶油缸之间的垫块，用以弥补主顶油缸行程的不足。U形顶铁的数量和长度取决于管子的长度和主顶油缸的行程大小。顶铁应具有足够的强度和刚度。尤其要注意主顶油缸的受力点和顶铁相对应位置肋板的强度，防止顶进受力后顶铁变形和破坏。

（3）顶管机

顶管机是在一个护盾的保护下，采用手掘、机械或水力破碎的方法来完成隧道开挖的机器[1]。顶管机安放在所顶管节的最前端，主要功能一是开挖正面的土体，同时保持正面水土压力的稳定；二是通过纠偏装置控制顶管机的姿态，确保管节按照设计的轴线方向顶进。目前的顶管机类型及特点见下表：

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（4）顶进管节

顶进管节通常包括钢筋混凝土管、钢管、玻璃钢夹砂管、预应力钢筒混凝土管等。钢筋混凝土管节长度有2 ～3不等，管接口形式主要是F形，接口在施工时和施工完成以后的使用过程中都不渗漏。钢管的长度根据工作井的长度确定，接口焊接而成，施工完后变成一刚性较大的管子。它的优点是焊接接口不易渗漏，缺点是只能用于直线顶管。玻璃钢夹砂管也可以用于顶管，一般顶距较短，目前仅用于中小口径，管节防腐性能比较好。预应力钢筒混凝土管在顶管工程中正在得到应用，由于管节能够承受较大的内压，所以适用于给水管道工程。

（5）中继间

中继间是长距离顶管中不可缺少的设备。中继间安装在顶进管线的某些位置，把这段顶进管道分成若干个推进区间。它主要由多个顶推油缸、特殊的钢制外壳、前后两个特殊的顶进管节和均压环、密封件等组成。顶推油缸均匀地分布于保护外壳内，当所需的顶进力超过主顶工作站的顶推能力、施工管道或者后座装置所允许承受的最大荷载时，需要在施工的管道中安装一个或多个中继间进行接力顶进施工[1]。

1.3 注浆系统

注浆系统由拌浆、注浆和管道三部分组成。①拌浆：拌浆是把注浆材料加水以后再搅拌成所需的浆液；②注浆：注浆是通过注浆泵来进行的，它可以控制注浆压力和注浆量；③管道：管道分为总管和支管，总管安装在管道内的一侧，支管则把总管内压送过来的浆液送到每个注浆孔去。

1.4 纠偏系统

纠偏系统由测量设备和纠偏装置组成。常用的测量装置就是置于基坑后部的经纬仪和水准仪。经纬仪用来测量管道的水平偏差，水准仪用来测量管道的垂直偏差。机械式顶管有的使用激光经纬仪，它是在普通经纬仪上加装一个激光发射器而构成的。激光束打在顶管机的光靶上，通过观察光靶上光点的位置就可判断管子顶进的偏差。纠偏装置就是纠正顶进姿态偏差的设备，主要包括纠偏油缸、纠偏压动力机组和控制台。对曲线顶管，可以设置多组纠偏装置，来满足曲线顶进的轨迹控制要求。

1.5 辅助系统

辅助系统主要有输土设备、起吊设备、辅助施工、供电照明及通风换气等。输土设备因顶进方式的不同而不同。土压平衡可以采用有轨土车、电瓶车和土砂泵等方式出土；泥水平衡可以采用泥浆泵及管道输送泥水。起吊设备一般分为龙门吊和吊车两种。龙门吊优点是操作简便、工作可靠，缺点是转移过程中拆装比较困难。吊车的优点是转移方便、灵活。辅助施工根据土质条件不同而不同，常用的辅助施工有井点降水、高压旋喷、压密注浆、双液注浆、搅拌桩、冻结法等。供电照明分低压供电和高压供电。通风换气是长距离顶管中不可缺少的一环，否则可能发生缺氧或气体中毒的现象。

2 顶管施工技术的步骤

顶管施工技术主要包括施工准备、顶进设备安装、顶管机井内就位、顶管机出洞、管节顶进、管节拼接等步骤。顶管施工技术的详细步骤见下流程图：

3 结语

顶管施工是一项比较专业和复杂的施工技术，也是目前市政管道建设广泛应用的技术。顶管施工技术的构成和步骤是顶管施工技术最基本、最基础的知识，必须对顶管施工技术的构成和步骤有足够的认识和理解方能熟练掌握顶管施工技术。本文根据自己的工程经验，尽量详细的论述了顶管施工构成的各部分概念、类型及控制重点，同时以流程图的方式陈述顶管施工的步骤。希望管理顶管施工的人员通过本文能够快速、全面的掌握顶管施工技术，从而指导顶管工程施工能够安全顺利进行。