基于顶管法的综合管廊施工关键技术研究

万磊

摘要：顶管法是地下综合管廊暗挖施工的主要形式之一，能较好的解决传统的开挖施工所产生的诸多弊端。文章在阐述顶管法基本原理和优势的基础上，结合南京市江北新区综合管廊项目，对施工关键技术分三阶段进行细化研究，重点明确了顶进推力的计算、优化了管节接口防水构造，分析了J0-J1区间沉降观测值，并针对性的总结了顶管施工中易出现的问题，提出应对措施，旨在为类似顶管法施工提供借鉴参考。

Abstract： The pipe jacking method is one of the main forms of underground excavation of underground integrated pipe gallery， which can better solve many disadvantages caused by traditional excavation. On the basis of expounding the basic principles and advantages of the pipe jacking method， combined with the integrated pipe gallery project in the Jiangbei New District of Nanjing City， this article studies the key technologies for construction in three stages， focuses on clarifying the calculation of jacking thrust， optimizing the waterproof structure of the pipe joint interface， analyzing the settlement observation values in the J0-J1 interval， and summing up the problems that are prone to occur in the construction of the jacking pipe， and proposes countermeasures， to provide reference for similar construction with pipe jacking method.

关键词：顶管法;综合管廊;顶进推力计算;管节接口防水

Key words： pipe jacking method;integrated pipe gallery;Jacking thrust calculation;pipe joint waterproof

中图分类号：TU990.3                                   文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）14-0141-03

0  引言

顶管法施工技术最早应用于19世纪末美国北太平洋铁路建设中，随后相继在英国、德国、日本等国家发展起来。20世纪50年代我国北京和上海开始应用顶管法施工，北京首次在铁路线路下顶进钢筋混凝土管节，而上海则在穿越黄埔江时顶进了钢结构管节。直到20世纪90年代，我国开始在多个城市应用顶管法施工并取得成功，如表1所示。此后，顶管法施工技术才真正意义上得到了实质性的发展与进步。

顶管法施工是通过一系列机械设备将各类管节依次从始发顶管井，利用掘进机头和顶进推力穿越土层至接收井的暗挖管线施工方法，主要应用于软弱土地层，在不阻断交通、不破坏既有道路和植被的前提下穿越地表及地下障碍物，具有机械化程度高，工期短，造价低，无噪声、绿色环保等显著优势。

1  工程概况

南京市江北新区综合管廊二期工程位于国家级江北新区核心地段及其周边地区的18条路段下，建设总长度53.41km，工期五年。入廊管线包括有燃气、电力、通信、给水、雨水、空调热力管等十余种类型。

顶管法施工主要集中在A2+568-A3+585范围内，共计五段，直线长度约1公里，需下穿丰子河、浦滨路、浦口大道、鎮南河路及上穿地铁10号线。管节为钢筋混凝土材质，强度等级C50，抗渗等级P8。管节内径尺寸包括3.6m和2.4m两种，如图1和表2所示。

2  施工关键技术

2.1 施工前准备阶段

2.1.1 顶管井施工

本项目J0-J5共计6座顶管井，其中J0井为“方型井”，J1-J5均为“圆形井”（如图1所示）。顶管井采用钻孔灌注桩+高压旋喷围护形式。以J3井为例，按“分层开挖”原则，其主要施工顺序为：放坡开挖→灌注桩施工→高压旋喷桩施工（止水帷幕+地基加固）→一次开挖→冠梁施工→二次开挖→围檩施工→三次开挖→垫层施工（钢筋凝土+素凝土+碎石）→内衬施工。

此外，顶管井井壁需进行初始洞门凿除，即先在洞门范围内打4个深1.2m探孔，观察孔内渗水情况;然后由上往下分层凿除混凝土、切除钢筋，清理工作面;最后，在洞门周围安装止水圈密封橡胶板，提高洞口止水效果，防止外部水土涌入顶管井。（图2）

2.1.2 顶进推力计算

顶进推力的计算是现场施工顺利进行的关键，计算结果将直接影响到千斤顶的规格数量及组合、后靠墙的尺寸设计和最大顶进长度等。顶力设计过大会造成后靠墙过厚、中继间过多等问题，造成浪费，增加成本;顶力设计过小则会造成顶进缓慢或中断。

目前，各类顶进推力的计算方法多种多样并不统一。本项目选取最长距离段进行顶进推力F估算，具体如下：

F=πD1Lfk+NF

其中：D1—管道外径;L—管节设计顶进长度;fk—管节外壁和土的平均摩擦力（kN/m2，触变泥浆减摩擦后，取2kN/m2），NF—顶管机迎面阻力。

封闭机头的迎面阻力：

NF=（π/4）Dg2×rs×Hs

其中：Dg—机头外径;rs—淤泥质粉质黏土容重（取17.5kN/m3）;Hs—管节覆土深度。

经过顶进推力的计算，最终确定最大顶进推力F取12333kN。

2.1.3 顶管机选型与安装

本项目根据管径的不同分别选用？准4350和？准2910两种泥水平衡式顶管机。此种顶管机是集机械、液压、电控、激光和测量等多种现代化技术于一体的暗挖管廊顶进设备，其在土层中利用自身系统平衡切削接触面的土体压力，自动化程度高，配备操作人员少，安全可靠。

顶管机共包括千斤顶、基座、机架和后靠墙四部分。顶力由顶管井允许顶力和管节允许顶力共同决定，且千斤顶要沿管节中心轴线方向左右对称布置，确保受力均匀;基座必须正确定位，牢固，顶进过程中不变形、不沉降;机架通过高强螺栓在工作井内拼装完成，其上两根轨道必须等高、平行;后靠墙中心与顶进轴线重合，且需表面平整，满足顶进工作要求。

2.1.4 顶管管节接口防水

顶管法施工的管节接口连接处是防水薄弱环节。本项目创造性的在管节连接处应用“F型承插口+两道0型聚异戊二烯密封橡胶圈”接口构造措施，解决了传统接口处止水效果差、無法做到事前检测的问题。管节在安装到位顶进施工前和施工完成，应分别进行两次打压试验，打压压力为0.6MP，稳定恒压3min。（图4）

2.2 施工过程阶段

2.2.1 触变泥浆控制

利用注浆泵将由膨润土、水和掺合剂三种材料按一定配比混合而成的触变泥浆压至管节与土体的缝隙中，通过触变泥浆良好的流动性，减小顶管顶进过程中的摩擦阻力，压浆按照“先压后顶、随顶随压、及时补浆”的原则，确保顶进的顺利进行。此外，触变泥浆还能在一定程度上控制沉降。

2.2.2 顶进过程控制

在顶管正常顶进过程中，需重点控制顶进速度、出泥量、动态纠偏等参数。顶进速度，初始值一般应控制在10mm/min，正常工作时则可控制在20-30mm/min;出泥量，理论上切削下来的土体混合转化为4倍体积的泥浆，防止超挖或欠挖，正常情况下出浆量控制在理论出浆量的98%～100%;动态纠偏，利用四个动态纠偏千斤顶，通过激光经纬仪的激光束照射在位于钻掘系统的光靶上判断是否发生顶进偏差，操纵液压纠偏系统，调节掘进系统机头产生偏摆，确保顶进方向的正确性。

2.2.3 中继间控制

中继间是将长距离管线分成若干短距离，采用接力逐段顶进的方式增加顶进距离的长距离顶管施工重要措施。中间继的设置位置和数量应根据总顶进推力和管材允许顶进推力来共同确定，一般用钢材制作，沿环向设置千斤顶。其中，每个中继间只负责前面区间的管节顶进，后面区间的管节由下一个中继间负责。

2.2.4 地表沉降控制

以J0-J1区间为例，顶管施工由J0顶管始发井开始，依次经过1#-7#监测点，最终达到J1顶管接收井，共97.86m，7个沉降监测点。

根据图6可知，1#、2#和7#监测点位于地层较坚固区域，顶进过程中沉降速率较小;3#、4#和5#监测点位于地层软弱区域，顶进过程中沉降速率较大。现场管理人员可根据实时沉降监测数据对顶管的顶进推力、顶进速度等进行及时调整，确保顺利顶进，必要时可对局部监测点加密布置。

2.3 施工结束阶段

顶管顶进施工结束后，管节与土的孔隙应及时注入固化泥浆替换之前的触变泥浆，利用之前的触变泥浆注浆系统及管路实现浆液置换，以防后期引起地面不均匀沉降。固化泥浆注浆要求为：42.5级普通硅酸盐水泥，压密注浆水泥浆液水灰比1：1，经过压密注浆的加固注浆压力0.3～0.5MPa。

3  结论

当前，顶管法施工现场应重点关注以下几方面：

①顶管进出洞门极易出现流砂、流泥等现象，造成顶进失败。在顶进前，应做好洞门加固和防水处理，做好事前防控。

②顶进过程中不可控制因素多，经常遇到未知障碍物的影响，使得顶推力出现异常值，造成机头过载烧坏。在顶进前，应仔细研究地勘报告，必要时增加测点的数量，准确预估顶推力。

③管节安装过程中，防水胶圈易产生脱落、错位、破损等问题。在接头安装时应做好胶圈完整性和气密性检测。

④易引起地面不均匀沉降，需时刻观察地表沉降变化情况。当遇到软弱地层时，应加快顶进速度，快速通过该地层，减少停留时间。此外，应及时调整机头前进方向，避免过程中出现“抬头”和“低头”现象。

4  展望

随着我国城市地下空间开发利用的持续加快，顶管法施工技术的发展将迎来新的历史机遇。在管节方面，向大口径管和新材料管节方向发展，提升管节空间利用效率;在顶进距离方面，向长距离顶管发展，将微电子、工业传感、实时控制、液压技术综合应用于顶管机械。

参考文献：

[1]王雪，王成虎.国内外顶管施工技术对比分析[J]施工技术，2017，12（46）：1018-1023.

[2]赵明，姚喜民.如何选购顶管掘进机与液压顶推机械[J].工程机械与维修，2011，2：158-161.

[3]祁峰，沈晔.长距离顶管减摩措施探讨[J].特种结构，2007，4：99-101.

[4]吴建军.顶管法在污水管网中的应用技术研究[D].重庆交通大学，2013.

[5]雷升祥.综合管廊与管道盾构[M].中国铁道出版社，2017.