顶管工程施工工艺技术探究

易 欢

（郎溪郎川水环境治理有限责任公司，安徽 宣城 242100）

随着城市化进程的加快，地下管道的建设越来越受到重视，而顶管工程作为一种无需开挖地面的敷设方式，具有不破坏地面、施工周期短、施工成本低等优点，因此在城市地下管道建设中得到了广泛应用。然而，顶管工程施工过程中存在着一些技术难点和问题，如顶管机的安装、调试、顶进、纠偏、注意事项等，这些问题直接影响着顶管工程的施工质量和效率。因此，对于顶管工程施工工艺技术的研究具有重要的现实意义和应用价值。

1 工程概述

本工程为我司投资的城区建筑工程项目顶管段部分，施工范围设计起点为：WBH3 号井；设计终点为：WBH6 号井。新建顶管管道下穿市政道路延伸至两侧民居道路内，局部穿越2-3 层民居。埋深9.48m～9.99m，顶管管线全长349m，共分为3 个顶管段，WBH6-WBH5顶管段185m，WBH4-WBH5 顶管段21m，WBH4-WBH3顶管段143m。管径为DN1800mm，流向自东向西。主要解决上下游河道连通后整段河流贯通问题。本工程采用泥水平衡卵石破碎顶管法施工，工作井净尺寸分别为WBH6：5.5*8.0m*10.49m方井、WBH4：6.5m*10.77m圆形井，接收井净尺寸分别为WBH5：4.5m*10.4m 圆形井、WBH3：4.0*5.0m*9.98m 的方形井。

2 施工准备工作

根据实际现场勘查，顶管穿越深度范围内主要涉及砾砂层，局部夹有粉质黏土。根据《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）判定场地环境类型为Ⅱ类。设计位置存在地上2-3 层建筑物和地下管线，环境较复杂。新建管道位于市政路两侧民居道路内，局部穿越民居，沿线也穿越该市政路。

施工前需进行推力计算及考虑中继间设置，根据设计图纸，工作井后背墙设计为整体式后背结构，锚喷墙+钢筋混凝土后靠背+后背铁。后背为钢筋混凝土结构，与锚喷墙及底板浇筑一体，宽度为5.0m，高度4.6m，厚度0.5m。后背墙主筋采用Ф16@200 钢筋网格（双层），混凝土强度C30。在混凝土后靠背前垂直地面放置后背铁，后背铁采用2cm 厚钢板，尺寸与混凝土后背墙相当。后背墙外土体的总被动土压力（KN/m）计算式。

将各项参数带入式中，求得总推力之反力R=9909 KN。安全系数取值1.3，经计算得出顶管采用5.0m*4.6m后靠背允许使用的最大总推力7622KN，即762T[1]。

根据《给水排水管道工程施工及验收规范》GB50268-2008，式6.3.4 进行推力理论计算：F=F1+F2；F1=πD2γP/4；P=γH0；F2=πDfkL。对于采用触变泥浆减阻技术的宜按综合摩擦阻力取值参考表选用，当触变泥浆技术成熟可靠，管外壁能形成和保持稳定、连续的泥浆套时，fk值可直接取16.0～20.0KN/m2。经计算WBH6-WBH5 井段所需的总推力为 2077.7T，工作井能承受的最大顶力为762T，选用的顶管机主顶缸为8台80T级油缸，可提供640T 顶力。顶管总推力大于设计的主顶缸总推力，因此需设置中继间继续顶进。顶进时为确保安全，当顶力达到中继间设计顶力的80%时，即需设置中继间，中继间设计总推力f=800T（由16 只50T 小千斤顶组成）。L1=（f*0.6-F1）/10.85=37.77m，L2=f* 0.8/10.85=58.98m。故本段顶管需设置中继间2 套。中继间设置位置为机头后40m 处一套，第一套中继间向后60m 处设置第二套。同上计算WBH4-WBH5 井段不需设置中继间。WBH4-WBH3 井段需设置中继间2 套，设置位置与前述一致。

施工计划依据监理单位审批通过的计划实施。现场指挥由施工单位项目经理担任，并抽调各部门精锐力量组成项目班子进行科学管理。人材机准备依据现场实际需求提前安排。管理人员需提前熟悉施工图纸，完成图纸审查及专项施工方案的专家论证工作。施工前应了解现状地下各种管线及障碍物的规格、位置，并与有关管线单位联系，要求其派员现场监护，需要时采取应急保护措施。

3 顶管施工工艺技术

3.1 施工整体安排

根据设计要求及工期需要，对本段顶管施工采用DN1800mm 管径泥水平衡卵石破碎式机械顶管。待工作井施工完成后，在WBH6 井单向顶进，待WBH6 至WBH5 段顶进完成后，再在WBH4 工作井向WBH3、WBH5 方向双向顶进。管材采用承插式Ⅲ级钢筋混凝土钢承口管，橡胶圈接口。

3.2 泥水平衡顶管施工

3.2.1 泥水平衡顶管施工原理

泥水平衡卵石破碎顶管工艺基本原理：泥水平衡卵石破碎顶管机在电动机转动下通过减速机、变速箱带动刀盘旋转切削土体，其中的滚刀由正反旋转的刀盘带动自转，靠滚刀的切削挤压，对卵石进行切削破碎，同时顶管机被主顶缸向前推进，被切削破碎以后的卵石进入泥水仓内，在泥浆的带动下随着管道排出，通过泥浆系统的排泥管，由排泥泵输送到泥浆水分离设备中。分离后的残石需处理，泥水被送至输水系统进行再循环利用。顶管机前端设有与工程土质相符的刀盘和破碎大粒径漂白砾石的切削滚刀。刀盘与机械动力腔之间设有破碎腔，能充分承受破碎碎石的压力和切割压力[2]。顶管施工时，由于部分顶段顶进长度长，需要设置中继间，具体位置由理论计算确定。

3.2.2 平面布置

施工范围内应安装围挡封闭、隔离，且需设置办公场所、监控室、仓库、配电间等设施。布置需结合现场实际情况要合理。管道顶进时，采用汽车起重机将管道吊起缓慢匀速下放。井内主要布置有后靠背、导轨、主顶缸、油泵动力站、钢扶梯等。

3.2.3 工作井加固

为保证工作井在顶管进、出洞处附近的土体稳定，对工作井壁外侧1.6m 内土体进行全断面注浆加固，采用由井外向内注浆的方式。注浆材料采用水泥水玻璃双液浆，浆液配比由现场试验确定，注浆后的土体无侧限抗压强度不小于0.8MPa。洞门处设置DN32，长度3.25m 的注浆导管，导管之间间隔0.2m，加固范围宽度6.0m、高度6.0m。向小导管内注入水泥+水玻璃浆液，注浆压力维持到 0.15MPa～0.20MPa。注浆24 小时后，使用风镐将洞门处的混凝土凿除，洞口为圆形，直径为2660mm。洞门处使用Φ22 钢筋将钢格栅内、外连接焊接牢固，然后切断钢格栅。在洞口处人工向前挖土400mm 左右，最后将钢筋、混凝土等杂物清理干净。

3.2.4 顶管设施安装

导轨安装工作尤为关键，安装的精度直接影响顶管施工质量。在工作井底部设置150×150mm 预埋铁，间隔100cm，需测量每根方木标高，使其与顶进坡度一致。将钢导轨焊接到预埋铁上，测量标高与导轨中线的偏差，顶标高允许偏差为0mm～3mm，中线为3mm，导轨内距为±2mm。用工字钢（30#）稳定导轨，工字钢一端与导轨焊接，另一端牢固地抵在工作井的侧壁上。

工作井施工完成后即可安装顶管设备，首先进行后背钢板的安装。顶管后背结构为：基坑锚喷混凝土+混凝土后背墙+后背钢板。后背钢板放置于后背墙前垂直地面上，钢板与后背墙之间的空隙用C30 混凝土浇筑填充。后背墙应垂直于顶管轴线，表面平直，可有效传递作用力避免偏心受压。后背安装最大偏差值为：水平扭转度：0.1% *后背宽度，垂直度：0.1% *后背高度。

现场吊装配置50T 汽车起重机，将顶管机缓慢吊入导轨上，前端距洞门墙400mm 左右。到位后，检查掘进机轴线与主顶缸轴线、顶进井轴线、导轨轴线是否一致。如发现偏位，需即刻调整，调整完成后进行系统连接调试。顶进过程中管道上方增加2.5T 配重，采用吊车进行吊装稳固。

3.2.5 顶进

初始顶管是顶管施工的关键阶段，其成败将决定整个顶管过程的成败。初始顶进分为以下几个步骤：（1）破洞。破洞前，在洞口设置防止土或砂层坍塌（注浆）的措施。（2）将顶管机入土。当封门破除时，启动顶管机的刀盘，用主油缸将顶管机慢慢推入土中。（3）将机头后面的混凝土管与机头管连接成一个整体，用于控制顶进段的标高和中线。此时，初始推进完成，需进行一次全面的测量，最终将测量数据绘成曲线，便于分析[3]。

在顶进施工需注意：（1）连续顶进不可长时间停顿。如果顶进间隔过长，地下水将会渗出，土拱也会坍塌，这将增加顶力。（2）检查第一段顶管标高、中线、坡度。顶升过程中连续测量。用水准仪测量标高，用全站仪测量中线。（3）如顶进时偏差过大，应立即停止顶进，纠正偏差。（4）顶进时控制顶进速度、掘进机工作效率，通过理论出土和实际出土的对比，核算出顶进中是否有土体超挖。（5）顶进时控制掘进机泥仓压力和润滑泥浆注浆压力不超过计算压力或规定值，不造成地面隆起。

在顶进过程中，操作人员可利用机头方向诱导装置进行纠偏，从而确保激光点位始终处于光耙中心位置。顶进前须严格遵循放样复测制度，同时做好原始记录，以确保测量无误。在顶进时，为避免工作井后面的仪座发生位移和变形，需及时复测和调整。顶进纠偏工作需勤测、勤微调，纠偏角度不得超过±3°。在初始推进过程中，主要由主顶缸控制方向，故需减缓主顶速度，且需不断调整油缸编组和机头纠偏。

纠偏——顶管工程关键工序。只有掌握纠偏方法，顶管轴才能达到设计要求。轴偏的原因多数为：泥水循环控制不当，使掘进面空化，导致机头掘进方向改变。

进洞前机头方位定位不准确等。可利用安装在机头的纠偏油缸伸缩，改变机头前端的前进方向后，在顶进过程中逐渐修正原设计的位置，从而获得纠编效果。根据光靶上激光点偏离的方向，向该方向延伸纠偏[4]。

管道顶进20m 后在管壁与石壁的缝隙间注入触变泥浆，形成泥浆套减阻。触变泥浆从前向后依次加入，顶进一段距离后及时进行补浆。为了使膨润土充分分散，泥浆拌合后停滞时间在12 小时以上。管道顶进时向管外压注触变泥浆，降低管道延程摩阻力。根据经验采用触变泥浆减阻，预计可减少顶力的30%。

3.2.6 出洞方案

为预防泥浆在出洞口和顶进过程涌入工作井，在洞口内提前安装穿墙套管一个(套管一侧带有法兰)，用于安装止水封板和橡胶止水圈。因在顶进过程中会造成橡胶止水圈磨损，须频繁更换橡胶止水圈。为有效防止更换外部橡胶止水法兰时地下水流入井内，可于洞口内侧设置一道橡胶止水圈[5]。

3.2.7 顶后处理

顶管结束后应及时进行泥浆置换。泥浆置换回填注浆加固完成后，立即进行地探雷达检测，检测顶管施工对土体是否扰动，确定松散土体、空洞的位置与规模。对雷达检测有空洞的位置，应及时进行补充注浆。补充注浆方式同泥浆置换方式。宜进行多次补浆以使沉降趋近于0，相邻混凝土管道之间的缝隙可使用石棉水泥填实。

4 保证措施

施工准备阶段由公司、项目部及班组三级成立安全小组，以加强现场安全管理。施工过程中，明确职责，落实责任，强化安全意识。通过安全作业措施、安全教育、交底、培训、应急预案等有效管理措施，使本工程杜绝重伤和死亡事故。施工前编制顶管施工质量保证措施，施工时严格按照规范及保证措施要求组织施工。因施工场地较小，工程性质及施工环境特殊，资源调配复杂、交叉作业等工程特点，编制针对作业形式、特殊工艺的文明施工管理方案，统筹部署文明施工。

5 结语

顶管工程是一种新型的管道施工技术，具有施工周期短、对地面破坏小、施工效率高等优点。通过对顶管工程施工工艺技术的探究，研究确定了顶管工程施工的关键技术，包括顶管机的安装、调试、顶进、纠偏、注意事项等。对顶管工程施工控制进行了研究，提出了相应的控制措施，以期为提高顶管工程施工的质量和效率提供借鉴。本文的研究成果对于顶管工程的施工具有一定的参考价值，也为类似工程提供参考依据，为我国建筑行业的发展提供技术支持和理论支持。