低净空环境下顶管桩施工技术研究

杨 磊

（上海隧道工程股份有限公司,上海市 200232）

0 引言

目前，我国主流的植桩工法主要为钻孔取土植桩法和中掘植桩法，但是传统植桩机的工作都需要平坦的地表，打桩机的桩架占用空间和施工高度都比较大，无法解决低净空环境下围护结构打设的施工难题。静压植桩机通过夹住数根已经压入地面的桩，将其拔出，阻力作为反力，利用静载荷将下一根桩压入地面。该植桩工法虽然适合狭窄地段以及低矮空间的施工环境，但该工法压桩反力比较大，在上海及类似地区施工，钢管桩内土塞一般仅1/2桩长，存在一定挤土效应，且难以通过实时纠偏确保达到高标准的垂直度要求。

在新建工程项目地下空间向大面积、深层次、全局化发展的同时，既有建筑地下空间的缺位成为影响城市发展的短板。在上海，历史建筑区域作为城市最为活跃的重要区域，地下空间的不足导致严重的停车困难和配套商业面积受限，如何通过地下空间的配置让老建筑发挥新作用是当前的重要课题。其次，经过近二十年轨道交通与商业经济的快速发展，大量地铁设施及商业、办公建筑的建成，使得中心商务区局部商业总量、商业格局和人流量发生重大变化，使得中心城区部分既有建筑地下空间无法适应周边商务、商业中心的发展需求，给其功能定位带来挑战，需要加速地下空间的开发与整合利用。但是，在既有建筑内部和下方进行开挖，上部结构是否安全、如何支撑成为关键问题，且与既有建筑本身的结构、基础型式、场地地层条件密切相关。另外，施工所需的开挖平面、竖向空间都较狭小，施工设备尺寸、作业环境、施工方式、作业效率等与常规地下工程不同，面临新的挑战。因此，研究一种适应于上海软土地层典型区域低净空环境下新型围护结构，对解决既有建筑条件下地下空间微扰动开发的需求显得尤为重要。

基于此，本文将传统钻孔钢管桩技术和顶管技术结合，创新一种能同时满足低净空、大深度和复杂地层成孔要求的新型顶管桩施工工艺，实现对周围环境的微扰动。该工艺的研发将为上海典型区域既有建筑拓展地下空间、提升功能和可持续发展，提供有效的技术储备。

1 顶管桩系统概况

常规的，上海一般桩基持力层为⑦1-2粉砂层，故本次顶管桩设计深度50 m，实际顶进深度30 m。

本次顶管桩施工原理为：（1）通过顶管桩设计深度计算获得最大顶进反力（桩侧摩阻力与桩端阻力之和）；（2）设计顶进平台尺寸，使其混凝土自重满足最大顶进反力要求；（3）浇筑顶进平台，并预留顶管始发钢护筒；（4）顶管机头组装完成后定位于钢护筒内，安装顶进装置；（5）机头顶进，焊接钢管节于机头后方，多次顶进钢管节至设计桩深；（6）机头回收并灌注混凝土成桩。

需要说明的是，本次顶管桩施工采用的钢管节外径为1 000 mm，壁厚20 mm，单个钢管节长为1.5 m，后续可根据实际工程需要调整相应尺寸大小。实际顶管机头如图1所示。

图1 1 m垂直顶管机头

顶管机由顶管机头和外径为1 m的外壳体组成，包括切削刀盘、液压驱动马达、撑靴、进排浆泵等。机头的顶进和回收功能主要通过撑靴与外壳体之间的连接和分离来实现，并在机头的后端安装三个接近开关用以判断刀盘的转动状态，确保机头回收时刀盘处于初始位置。切削刀盘由3个“梭子”形状刀盘组成，刀盘绕自身形心自转的同时，绕驱动装置公转。3个“梭子形”刀盘切削土体的过程中，3个刀盘本身自转起到搅拌棒的作用使土体分散，避免土体固化成块状影响排浆效果。其工作原理如同行星搅拌机，另外三刀盘绕驱动装置公转可以实现切削全断面。最终，切削断面外径1 010 m，略大于壳体外径。另外，泥沙排浆泵安装于机头内部，可与机头共同进退。

独立设计的顶管机液压控制系统以PLC闭环控制为核心，通过控制阀组的通断或开度实现输出量的监测和反馈，从而对千斤顶压力或位移进行高精度控制。

顶进装置设计较为简单，主要由步进式油缸、压板、顶进导轨和管节平动装置等构成，通过16只可承受顶进反力最大可为150 t的地脚螺栓将顶进装置固定于试验平台。

PLC控制操作页面设置在中央控制柜内。操作界面主要分为主操作界面和故障报警显示界面。其中，主操作界面包括送浆泵电机、排浆泵电机和刀盘电机（锁紧油缸和推进油缸）的操作，还有电机各参数的显示以及推进行程、推进速度和刀盘转动标记点的显示，方便操作人员进行试验实时监控操作。

2 顶管桩成套施工工艺

现场施工所需面积尺寸为20 m×10 m，设置顶进平台、材料堆场、操作室、废浆处理系统等。顶进平台尺寸为10 m×5 m×1.2 m，由C35混凝土浇筑成型，总重150 t。平台内预埋内径为1 030 mm的钢护筒以及用于固定顶进支架的地脚螺栓和测试埋件。其中钢护筒作为顶管机头始发平台，须结合垂直度测量仪和重锤多次校核确保其垂直度。

组装完顶管机头以及配套液压和电器设备后，调试机头刀盘检测装置、刀盘正反转状态以及机头集中润滑状态，并将保护平台焊接于机头后方后连接初始泥浆管路。随后将机头吊至钢护筒内，并调整机头垂直度。关键问题：初始机头和管节因自重会出现下沉现象，故顶进压板和钢管节需要增加简单的快速销轴连接装，限制其位移。

将1号管节焊接于0号管节之后，调试机头工作状态。并将顶进装置吊机头上方，用地脚螺栓固定之后连接液压、电控、泥浆等系统，设备安装完成。

如图 2所示，以顶进平台为界安装脚手架，净高4.0 m，用以模拟实际低净空施工条件，准备顶进。

图2 施工现场总布置图

后续施工步骤如下：

（1）启动顶管机，待切削刀盘转速均匀后，调整进、排浆泵速度使泥浆循环连续且正常。

（2）千斤顶开始顶进，并结合进、排浆效果调整机头顶进速度。

（3）当步进式油缸达到最大行程后，解开用以固定压板和千斤顶的卡环，使千斤顶行程回缩至零后锁紧卡环，继续顶进至前一管节到位。

（4）解开连接于机头的油路、泥浆管路后，将其穿过下一管节，并通过管节平动装置将管节运送至前管节之上，焊接前后管节。

（5）重复上述1～4步，直至机头顶进至设计桩深。持续顶进过程中，在机头后方安装激光测点，通过激光垂直度测量仪监测机头顶进位置，并在压板和管节间安装垫块实现桩身的垂直。

（6）通过3个接近开关把刀盘回缩在壳体范围内，油缸回缩使撑靴与壳体分离，并向桩内灌满泥浆以稳定桩底土体后，将机头吊离桩身，边吊离边拆除浆管直至机头回收完成。

（7）将浆管连接后插入至桩底，向桩身内灌注混凝土，边灌注边提拉浆管至桩身灌满混凝土，成桩结束。

3 施工对周围环境影响的数据分析

为定量明确顶管桩整套施工工艺对桩周环境的影响，如图3所示布置测点，重点监测地表土体沉降、土体水平位移和竖向位移以及桩底土体扰动。其中，地表沉降通过水准仪监测，土体水平位移监测采用测斜法，土体竖向位移采用磁环法，桩底土体扰动采用深层沉降标测量。

图3 测点布置

监测结果显示：

（1）地表沉降方面，本次共顶进20个钢管节，单个管节顶进引起的地表隆起和沉降都在2 mm范围内；机头回收造成的地表沉降（≈2 mm）位于断面3左侧，而混凝土灌注引起的地表最大隆起量为1.52 mm，位于断面2左侧；成桩结束后地表最大隆起为1.32 mm（断面3右侧），最大沉降量为0.73 mm（断面1右侧）。

（2）土体径向水平位移方面，当顶进至设计深度时以及机头回收后，土体径向水平位移都位于地表，分别为3.3 mm和3.1 mm；混凝土灌注成桩后，最大水平位移为2.97 mm，位于埋深11.5 m处。

（3）土体竖向位移方面，成桩结束，土体竖向向上位移和向下位移最大分别约为13 mm和8 mm。

（4）桩底土体扰动方面，机头顶至设计深度，桩底土体竖向向上位移0.09 mm，量值较小；机头回收后，桩体土体失稳回涌，桩底土体向下位移1.42 mm；混凝土灌注成桩后，桩底土体受挤压后向下位移0.53 mm。

综合以上量值进行考量：顶管桩引起的挤土效应较不明显，未来可应用于群桩或者密集桩工程；土体竖向位移和地表位移较小，对上方既有建筑沉降控制较为良好。

4 顶管桩施工优化方案

（1）机头优化

管节顶进过程中，大颗粒石块易堵塞出浆口，故对垂直顶管机头的刀盘搅拌装置进行改进，将刀盘上的搅拌板去除，在刀盘和机头前端之间增加防土塞结构。

（2）反力系统多样化

为适应围护排桩的施工需求，钢管桩压桩装置可设计成抱压式液压静力压桩结构，以提高空间的使用效率和施工效率。

（3）同步灌注混凝土

机头回收过程中，为确保桩底土体稳定不坍塌，可利用泥浆管作为混凝土输送管道，实现同步灌注混凝土。

（4）承压水地层旋喷加固

顶管桩施工前，可利用MJS等高性能旋喷技术对设计桩底位置的土体（承压水地层）进行加固，增强其强度与抗渗性，确保机头回收时桩底土体稳定。

（5）防突涌密封装置

洞口防突涌密封设计可从两个方面入手。具体为：安装洞口止水装置，施工期间作为临时阻水装置，抑制承压水突涌；通过注浆孔压浆，填充结构底板和顶管桩之间空隙，实现永久性止水。

此外，还可以通过桩侧预留注浆管置换顶进过程中的润滑泥浆，提高摩擦承载力，进一步提高工法的性价比。

5 结论

本文从顶管桩机头、顶进装置和顶进控制系统设计出发，将成套的顶管桩施工工艺进行介绍，包括场地布置、设备安装调试、以及机头顶进、回收和混凝土灌注成桩等过程。结合现场监测数据，证明了上海典型软土地层顶管桩施工对周围环境的微扰动。最后，本文基于机头优化、反力系统设计、混凝土同步灌注技术、承压水地层加固以及洞口防突涌设计等5个方面对顶管桩施工工艺进行优化。

本次顶管桩施工技术的研究为上海典型区域既有建筑拓展地下空间、提升功能和可持续发展，为深层地下空间的开发，提供有效的技术储备。