顶管施工技术在城市给排水工程中的应用

郑传厂

（中交四航局第二工程有限公司 广州510230）

0 前言

东莞市水生态建设项目位于闹市区，地下管线错综复杂。顶管施工作业范围小，具有对交通出行影响小、管线迁改工作量少、经济指标高等优点，故顶管施工比传统明挖施工更具有良好的社会效益与经济效益，在市政管网工程中应用广泛。

1 工程概况

东莞市水生态建设项目某截污管网工程中顶管设计长21.5 km，某道路顶管施工总长1 122 m，采用DN800 的 混 凝 土Ⅲ管，管 底 埋 深4.5～5.4 m，坡 度0.2%～0.5%，工作井内径7.0 m，井壁厚55 cm，接收井内径4.0 m，井壁厚45 cm，均采用抗渗P6 且C30 的现浇混凝土。工作井及接收井四周均布置2 排φ600@500止水帷幕桩。

2 顶管施工方法

2.1 机械设备选型

2.1.1 顶管机选型

根据地勘报告及现场土质实地调研综合分析，采用泥水平衡掘进机。该顶管机主要包括刀盘切削装置、动力装置、液压装置、纠偏装置、泥水装置、电气操作系统、显示装置等。设备样式如图1所示。

图1 顶进设备示意图Fig.1 Schematic Diagram of Jacking Equipment

2.1.2 主顶装置

主顶装置采用2 只200 t 液压千斤顶，并排布置。顶进过程中调整轴线，主要依靠主顶装置上的活动底架，该底架一般采用［8槽钢焊接。

2.1.3 顶进设备安装

顶进设备主要包括液压装置和传力装置两部分。设备布置得是否合理，直接关系到施工顶进的效果，因此，安装前应对液压装置进行单体实验，检查液压装置各零部件是否工作正常。安装好全部液压装置后，必须进行检查调试，确保能正常运转。

2.1.4 压浆设备安装

压浆设备应优先考虑在工作井附近处组合安装，主要是便于施工作业方便。该设备主要包括过滤池、沉淀池、2台泥浆泵、1台螺杆泵组成，再配置2寸白铁管将沉淀池的螺杆泵与顶进中管节的压浆管连接。

2.1.5 基坑导轨安装

本工程顶管顶进导轨采用25B 双拼槽钢焊接而成，焊接坑位置导轨断开，内衬墙处设置延伸导轨。

2.2 管道顶进施工

顶管工作井内各项准备工作就绪后且设备试运转正常，即可开始顶管施工。施工顺序：沉井施工➝测量放样➝顶机设备安装➝凿洞门➝安装密封圈➝开泵顶进➝出泥浆➝管道贯通➝拆机➝安装检查井➝回填夯实［1，2］。

2.2.1 凿洞门

通过测量放样，确定洞口具体位置后，采用风镐对洞口进行凿除。凿除洞门的混凝土渣块需及时从底部清理干净，确保施工作业面的操作空间。

2.2.2 后座墙

后座墙施工一般采用C25 素混凝土浇筑，尺寸为高3.5 m，宽3.2 m，厚0.5 m，并进行力学参数验算。为把顶镐的反力均匀传递至后座墙，顶管施工前，在后座墙外侧面加焊1块钢板，钢板强度、刚度及稳定性须满足施工需求。

2.2.3 安装止水橡胶圈

在洞口侧壁先安装带法兰的钢套管，用于固定止水橡胶圈及止水封板，其作用是防止出洞口及顶进过程中泥浆涌入工作井内，同时也可防止地下水进入井内。

2.2.4 下管

现场采用16 t 轮胎汽车吊或小型龙门吊下管。当首节混凝土管吊装至导轨上时，通过测量管的中线、前后端管底标高，来校核导轨位置的准确性。

2.2.5 顶进、出土流程

泥水平衡掘进采用全自动的泥水输送方式，在机舱内将挖掘的泥土和泥水不停地搅拌形成泥浆，然后通过泥浆泵、泥浆管抽排至沉淀池及过滤池循环利用。工作井周边配套设置沉淀池，积攒的沉淀余土通过挖掘机装运，外运至弃土点。掘进过程中相关参数控制，主要通过PLC 全自动操控台控制泥水仓压力及流量值，从而达到泥水平衡效果。若机头土仓内泥水压力远大于压力控制值时，地面会隆起；若泥水压力远小于压力控制值，地面会下沉或沉陷。鉴于顶进过程中会出现上述现象，所以控制掘进速度与出泥的速度相当关键［3-5］。

2.2.6 测量与纠偏

⑴中心线测量：在地面上先用莱卡全站仪TSO6放样出顶管方向桩，然后通过棉绳挂吊锤将工作井边的两方向投引到井底部。在工作井中用DSJ3-Z 激光水准仪照准两吊锤，读取前端的中心尺刻度，当被顶的管道缓缓复位时，中心尺刻度相重叠，则说明顶进按设计方向进行，若尺的刻度未重叠，则其差值为偏里设计方向差值。

高程测量：将附件的水准基准点引设至工作井内，在顶铁上面架设激光水准仪，测量管的前端底部高程。

⑵顶管纠偏：顶进过程中若发现敷设管道位置与设计偏差＞10 mm，应通过操作机头的纠偏千斤顶进行纠偏。主要通过DSJ3-Z 激光水准仪的激光束照射在掘进靶上的位置，纠偏的角度一般控制为2.5°，能通过上下左右4个方位分别进行纠偏。一般情况下每次纠偏角度不大于0.5°，从而实现管道铺设方向的调节（见图2）。

图2 纠偏示意图Fig.2 Deviation Correction Diagram

2.3 顶管力学参数确定［6，7］

2.3.1 顶力计算

考虑到顶管经过不同地质，以最不利的情况计算分析，管道埋深5.4 m，顶进最长距离120 m，顶管顶力计算如下：

式中：F为总推力；Fl为迎面阻力；F2为掘进阻力；D为管外径，取0.96 m；P为土压力控制值；f为管材外表面综合摩阻力的平均值，当顶管穿越淤泥层，f=0.3 t∕m2；当顶管穿越素填土层，f=0.4 t∕m2；当顶管穿越粉质粘土层，f=0.5 t∕m2；当顶管穿越砂层，f=0.8 t∕m2；L为最长顶距，取值120 m（取相对不利条件，穿越砂层考虑）。

式中：K0为静止土压力系数，取0.65；H0为地面至顶管机中轴线的高度，取最大值5.0 m；γ为管道埋设该土层土的重力密度，根据地质勘察报告分析，粉质黏土γ=19 kN∕m3，即γ=1.9 t∕m3。

取泥水平衡顶管施工段最大的顶进阻力进行验算，得知总推力：F=18.94+289.38＝308.32 t，则F=3 083.2 kN。

2.3.2 后座土抗力计算

本工程后座墙采用整体式组合钢板结构，主要采用现浇混凝土加钢衬板。后座墙是顶力的反作用力支撑结构，应有足够的强度和刚度且压缩变形小。因此后座墙的承受力必须满足传递最大顶力的需要，故应进行强度和稳定性验算。

根据《顶管施工技术及验收规范》［8］要求，假设千斤顶的顶力是由后座墙均匀地传递在工作井的后方土体上，需对后座土抗力R进行验算，确保顶进过程中后座墙能安全可靠。

式中：R为后座土抗力（kN）；α为系数，取1.5～2.5，本次计算取2.0；B为后背墙的宽度，取3.2 m；γ为土的重度，取19.0 kN∕m3；H为后座墙的高度，取3.5 m；Kp为被动土压系数，取3；c为土的内聚力，根据地质勘察报告及现场踏勘综合分析，该土质为中砂，c=0；h为原地面至后座墙顶部土体的深度，计算得出h=3.25 m。

故后座土抗力R=2.0×3.2×（19×3.5×3.5×3÷2+0+19×3.25×3.5×3）=6 384 kN＞计算总推力P=3 083.2 kN，满足顶管施工要求。

2.3.3 管材允许顶力计算：

式中：N为管材允许顶力（kN）；η为不同管材的折减系数，按规范取值为0.8；f为管材的纵向抗压设计强度（MPa），f=25.3 MPa；A0为管材环向最小截面面积（m2），A0=0.180 9 m2。

N=1 000η fA0=1 000×0.8×25.3×0.180 9=3 661.42 kN＞计算总推力P=3 083.2 kN，可满足要求。

3 监测点布置

井坑开挖过程中，为确保井坑周边土体及支护结构的稳定，需对井坑周边土体沉降、水平位移等项目进行监测。顶管施工过程中，为确保现有建筑物及顶管上方路基土体、过路管线的安全，需对施工过程建筑物进行监测及施工区域巡查，监测项主要有原地面沉降和水平位移监测等。该道路由为交通要道，须重点监测顶进路径L∕5 范围内的机动车道路面沉降，该沉降观测点一般按每2 m 布置1 个，中间每3 m 布置1个。监测平面布置如图3所示［8-10］。

图3 井坑及路面监测平面示意图Fig.3 Monitoring Plan of Well Pit and Pavement

4 总结

本文以东莞市水生态建设项目顶管施工为例，主要从施工工艺、测量控制、纠偏控制、顶力及后座墙的相关力学参数计算等方面阐述了顶管施工的过程控制，从而保证顶管施工质量。在城市的繁华街区或交通要道，顶管施工优势更突出，减少了城市管道乱挖的现象，确保市容市貌干净整洁。