顶管施工关键技术概述

赵军帅 吴仕红

中国水利水电第八工程局有限公司 湖南 长沙 410000

1 概述

湘潭大道位于湘潭岳塘区总体规划内，道路起点与铁牛路相交，终点与岳塘路相交。为避免湘潭大道与岳塘路交叉口深达10m的开挖对交通正常通行、国防光缆、原人防地道、湘钢的高压电缆埋管等造成影响，采用顶管施工技术进行道路污水管施工。本工程顶管埋深在7.6～9.63m之间。顶管采用III级钢筋混凝土管，管节长度2m，直径D1200mm，全长200m，顶管施工采用人工掘进顶管工艺。

2 水文地质条件

根据地质勘查，该部位原始地貌属侵蚀堆积岗地、河流阶地地貌，第四系主要由冲积成因的粉质黏土层构成，上部覆盖有一层杂填土，局部覆盖有一层耕土，沿线民居房屋较多。地层自上而下为：杂填土、黏土、粉质黏土、圆砾等组成，且厚度不均、分布不连续。地下水主要见上层滞水及潜水，管道顶进时需穿过粉质黏土和圆砾层，局部区域有地下水。

3 地下管线分布情况调查

为避免顶管施工时破坏现有市政地下管网，施工前，应详细调查分析施工区域地下管网分布情况，包含地下管线的尺寸、位置、标高、走向、用途等。

（1）深入现场勘察，认真做好管线的摸底复核工作，掌握各种管线的尺寸、位置、走向、材质、用途，并实地用GPS测量仪器进行定位测量，并将管线位置标识在施工图纸中。

（2）结合现场勘察，联系各类管线的所属单位或个人，详细了解管线对顶管施工的影响，并结合现场实际情况，制定各种管线的保护措施及方案。

（3）顶管施工时，应严格按照已指定的管线保护方案、措施的要求对各类管线进行有效的保护，遇到未探明的管线时，暂停施工，待探明管线并制定了保护措施后方可继续顶管施工。

4 工具管选型及相关计算

4.1 工具管选型

工具管是顶管的关键，不同的工具管有不同的特性，应依据工程特点、地质管道埋深以及地面建筑物等情况，进行设计加工。

（1）工具管的设计需考虑其整体强度、韧角钢度、土仓容量、澎润泥浆反流阻止等要素。

（2）由于本工程顶管管道大部分处于粉质黏土中、部分处于杂填土中，需在工具管上部加焊20～25cm前沿，以防管内取土时管前土层坍塌。

4.2 顶管推力计算

顶管过程是一个复杂的力学过程，它涉及岩土力学、材料力学、弹塑性力学、流体力学等，顶管计算关键是计算顶管推力，顶管的推力等于顶管过程中管道所受阻力。

顶管总推力计算的经验公式：（D=1200mm）

F=F0+F1

F0=a*Pe*Bc2π /4

F1=RSL

F0-----初始顶力（KN）

F1-----管壁摩擦力（KN）

a-----综合系数，本工程取系数值2.0

Pe-----土仓的压力（kpa），Pe=150Kpa

Bc-----管外径（m），取1.4m

R-----综合摩擦阻力（kpa），本工程取值8

S-----管外周长（m），S=3.14×1.2=3.77m

L-----推进长度（m），L=78m

初始顶力：F0=2.0×150×1.4×1.4×3.14/4=461.58KN

管壁摩擦力：F1=8×3.77×78=2352.48KN

总推力：F=461.58+2352.48=2814.06KN=290T

结合现场实际情况，拟采用2个200T千斤顶（F’=400T）进行本工程顶管的顶进。

4.3 后座墙稳定验算

后座墙作为液压油缸顶升的支撑，需要有足够的刚度和强度，且要保证压缩变形均匀。本工程采用倒挂井作为顶进井，后座墙采用钢筋混凝土整体现浇结构。顶进井能够承受的最大顶推反力R等于基坑侧壁摩擦力R1、基坑底板之间的摩擦力R2及后座墙的反力R3之和。由于R1、R2较小，所以再本次计算过程中忽略，假定顶进支架的推力是通过后座墙均匀作用在顶进井后方土体上，后背土体的反力计算如下：

R3=αβ(γH2Kp/2+2cH√Kp+γhHKp)

R3-----后座墙之反力；

α----系数（取1.5-2.5之间），计算时取1.5；

β----后座墙的宽度（m），取4m；

γ----土的容重，按粉质黏土20.6；

H----后座墙的高度，按6m计算；

Kp----被动区土压系数（tg2（450+θ/2），θ按粉质黏土26.50，Kp=2.61；

h----地面到后座墙顶部土体的高度，取0.5m；

C----土的内聚力，按16.2Kpa计算；

由上可得R=R3=1.5×4×(19.5×4×4×2.61/2+2×34.3×4×1.61+19.5×0.5×4×2.61)=5704KN≈570T.

R=570T＞400T（设计最大推力）。

4.4 管道受压计算

顶管施工拟采用2个200T千斤顶（F=400T即4000KN）。

顶管采用III级钢筋混凝土管，直径D1200（即管内径1.2m），壁厚0.12m，混凝土强度等级为C50。

故顶管的承受压力的面积为

S=π（D/2）2-π（d/2）2=3.14×（1.44/2）2-3.14×（1.2/2）2=0.50m2

F=4000KN；

顶管承受的压力P=F/S=4 0 0 0/0.5 0=8 0 0 0 K N/m2=8000KPa=8MPa。

顶管混凝土为C50，其可承受的压力为50MPa。

根据计算，顶管承受的压力8MPa＜顶管混凝土可承受的压力50MPa。

故顶管钢筋混凝土管在受到400T千斤顶的顶力作用时，混凝土受力满足要求。

5 管道顶进施工

5.1 工具管进出洞施工

采用半封闭机头挤压顶进，能克服开放式开挖中存在的超挖、塌落问题，在施工安全性、触变泥浆注浆所需压力、顶进方向准确性等方面得到保证，另外其简易的机头结合传统的顶进动力，施工中调整灵活性较大。

顶管出洞是指机头和第一节管子从工作井中进入土中，开始正常顶进前的过程，是顶管中的关键工序，也是容易发生事故的工序。

由于出洞时顶管机未被土体包裹，处自由状态，而使顶头出洞的主油压顶顶力极大，顶管出洞对操作者熟练技术要求很高。若操作不当，会使各油压顶的行程不等，导致顶头和顶管偏离设计轴线。此时的上部土体难以对机头产生较大反力，对机头不能有导向约束作用，因此出洞顶进时需保证顶头和每节管子位置正确。

顶管进洞指一段管道顶完，顶管机头进入接收井，并作好顶管机后一节管与进洞口的密封连接的过程。顶管进洞前应检查工具管的位置，在接收井内侧定出工具管的位置，及时封堵管与接收井之间的空隙。

5.2 顶管施工工艺流程

顶管施工工艺流程见下图。

图1 顶管施工工艺流程图

5.3 顶管主要工序施工方法

（1） 顶管进洞

①准备工作：顶进前准备工作。把临时水准点、中线定好位置，准备测量校核使用。液压系统、顶进系统安装试运运行正常。检查后背加固是否牢靠，检查轨道安装是否牢固，吊装设备运行正常，吊具、吊索准备齐全。管内运土轨道、小车及连接螺栓备齐。②回镐下管：下管前，回镐至起点，断开管道内相关管路，切断管坑内所有电源，施工人员撤离危险区。注意插口朝前，承口朝后。在插口安装胶圈时要涂抹凡士林，以确保开镐顶紧管道接口时胶圈被均匀压缩，不扭曲、翻转，防止漏浆漏水。③采用25T吊车将机头吊至井内，平稳放在导轨上，保证管道与导轨之间接触严实，并接近洞口。开镐将导轨上的机头顶到洞口，使机头正面和洞外的土体紧密接触，即可顶机头进洞。④开镐顶进测量。顶管时测量数据及其关键，定期测量，实时校正，一般在下管前和下管开1 镐后都应测量。正常顶进时每顶进1m测1 次，测量采用激光经纬和水准仪配合进行。⑤将机头吊至地面上，运回到主顶坑，开始施工另一排顶管。顺序同上。

（2）正常顶进

①先顶后挖：即先将工具管顶进土层30～50cm，再将工具管内的土体破碎并装车外运。②顶进一节混凝土管后，回缩千斤顶，拆开水、电、气、通风，吊入下一节管段，调直对中，安装接头及止水材料，安装各顶铁，接通各管线，开动油泵顶进一个行程，测量，纠偏，安放顶铁顶进，直至放一节混凝土管，重复上述动作。③不顶不挖：在工具管内已无土体时，不得在工具管前超挖土层。④慢顶缓挖：如工具管前地层出现变化或遇障碍物则不得强行顶进，也不得将工具管内土体全部挖除。

6 特殊情况施工措施

6.1 防止地面沉降措施

（1）施工前应对工程地质条件和环境情况进行周密细致的调查，制定切实可行的施工方案，并对距离管道近的建筑物和其他设施采取相应的加固保护措施。

（2）应在顶管施工沿线按一定间距布设沉降监测点，用于监测顶管顶进施工期间的地面沉降量，根据监测情况及时采取相应的措施对路面的沉降进行处理。

（3）需要掌握顶进压力，保持顶进压力与前端土体压力的平衡。

（4）顶管顶进时，要严格遵守操作规程，及时进行测量，避免大角度纠偏。

（5）将顶管经过位置路面设置围栏，避免车辆经过或停留，横穿马路区域，在路面上放置钢板，降低振动，在不影响交通的前提下安全施工。

6.2 遇到地下管线等设施的保护与加固措施

本工程地下有给排水管，电力管线及电信管等纵横交错管线穿过，进行顶管施工之前需要探明各种地下管线，采取措施预先进行处理，以便于顶管工具管通过。

（1）对于沿线地下管线，在施工前应熟悉其具体位置及里程，实际施工时可能会发生地表沉降现象，所以施工到该位置时应放慢顶进速度，出现涌水流沙等会导致地表沉降的现象时，及时处理，以妥善保护沿线地下管线。

（2）遇到未知名的管线，应及时通知相关单位，并采用管线探测仪进行实地探测，对管线进行迁移之后才能继续顶进。

（3）注浆加固管线：对穿越地下管道的位置提前进行注浆，使地下管线周围土体固结，避免因顶管扰动引起管线下沉，损坏。

（4）减小顶管对土层的扰动：一是向管道外壁注泥浆，减少混凝土管道与土层之间的摩擦振动和达到泥浆支护土体的目的；二是掌握控制好顶管的轴线和高程偏差；顶管偏差越小越平顺，对土层的振动越小，反之就越大。

6.3 遇到地下障碍物的应对措施

由于施工现场的地质和地理情况，土体中可能埋有残留孤石、木桩基础、废弃混凝土基础等，一旦施工时遇到这些地下障碍物，将影响到顶管施工。

（1）施工前应先查明孤石、旧基础情况，是否发生冲突，以便根据实际情况提前制定出相应的处理措施。

（2）在施工中如果遇到孤石和废弃混凝土旧基础，采用风镐破除之后，继续顶进。如旧基础中有钢筋采用乙炔气割掉。

6.4 通过不稳定流沙的处理

①加密格栅网的布置；②不抽水，保持流沙的相对稳定；③少出土、多顶进；④在顶进过程中，应该随时注意工具管前端的土压情况，尽量保证工具管前端土体不发生流沙流泥和坍塌。

6.5 管道整体不均匀沉降的预防措施

如果遇到地质很差的地段，将可能出现管道不均匀沉降，这时必须在每段管道顶进完成后，从泥浆注入孔注入填充料，增加管外壁土体密实度，防止管道出现不均匀沉降的现象。

7 结束语

目前国内顶管技术地区差异明显，水平参差不齐，整个行业的规范化程度仍存在不足，并且缺乏专业人才。现有的管理与操作人员大多是从土木工程施工中转化而来，缺乏专业知识，缺少专业训练。本文作者呼吁管理单位和从业人员加强管理，重视推广先进技术的工作，努力提高施工水平、改善施工工艺。