顶管施工技术在市政污水管道工程中的应用研究

田 飞

（上海崇明市政工程有限公司，上海 202150）

0 引言

顶管施工技术是常用地下管道施工技术之一，在市政污水管道系统建设中得到了广泛应用。该技术以千斤顶为施力设备，将掘进机和工具管等关键设备有效顶入土层，并由施工人员结合工程实际情况以及施工标准要求，通过机械掘进或者人工掘进等方式达到有效穿越土层，并在土层之中完成管道的埋设，并将地下管道顶进到接收井处的目的。

与常规的开槽埋管相比，顶管施工除顶管井的开挖须在地面进行外，整个顶进过程基本在地下完成，不仅可以将土方挖掘量有效降低，从而节约土方挖运及地面扬尘等造成的附加施工成本，而且可以最大程度地降低施工对各类地面活动如交通通行等的影响。此外，顶管敷设可容许的管道直径范围较广，允许埋置深度大，在大管径雨污水管的施工中有较大的优势。本文结合某市市政污水管道工程，研究顶管施工技术的应用，为确保其技术价值的实现积累经验。

1 工程概况及施工要求

1.1 工程概况

本文以某市市政道路污水管道工程为例，对该项目中顶管施工技术进行探讨。根据项目需求，该项目须敷设多条污水主管，其中DN1000 管道1410m，DN1200 管道750m，这两种污水主管均采用顶管施工，按照管道的实际分布情况，共须分为14 个顶程进行顶管施工。顶管管材统一采用“F”型钢承口式钢筋混凝土加强管，楔形橡胶圈接口。为了保障施工质量和施工安全，采用钻孔灌注桩、SMW 工法桩作为围护，三轴搅拌桩及高压旋喷桩作为止水帷幕，并对顶管接收坑进洞位置及坑底采用压密注浆的方式进行顶管井基坑及顶进过程中局部位置的加固。

1.2 施工要求

顶管施工是该项目的施工重点，必须做好通盘的考虑和周密的安排。首先，结合工程需要对顶管施工技术的工艺流程进行明确；其次，对工作井、设备安装、顶管始发顶进作业、中部顶进作业、管节安装、接口处理等各方面施工做出全面布置，关键工序实施旁站监督，并结合实际情况对施工工序不断优化，一旦在顶进过程中遇到各类问题，必须快速响应，及时解决。整个顶管施工过程应操作规范，以确保施工稳步推进，施工质量及施工安全有保障，为后续使用奠定基础[1]。

2 顶管施工注意事项

进行正式施工前，首先须落实好测量放线工作，采用“一放二复”的方式做好每个放样点的复核，确定放样点精准无误后，方可进入到工作井施工，进行设备安装等后续工序。一切准备就绪后，顶管设备出洞，正式进行顶管顶进。对初始顶进、中部顶进及顶管进洞等工序应结合实际情况有序进行。一旦开始顶进，必须做好弃土运输。顶进过程中应密切监测顶进方向，如果发现偏差超出范围时必须及时纠正。出洞时，应将下管以及接口处理做好。为确保顶进精度，在顶管进洞后应进行全线测量，并及时对洞口进行加固处理[2]。

3 顶管施工技术要点

3.1 工作井施工及设备安装

3.1.1 工作井施工

该项目须设置工作井8座，接收井6座。据地勘资料显示，该项目某区域污水管道埋置区域两侧广泛分布有居民楼、厂房、河道等，且现状道路两侧均存有大量地下管线，周边环境复杂。顶管施工所在深度范围地质主要为杂填土及粉质黏土夹薄层粉土或粉砂。综合以上情况可知，该项目工作井及接收井（以下统称为顶管坑）拟采用SMW 工法桩+内支撑或高压旋喷桩+钻孔灌注桩+内支撑的型式作为围护，以有效避免地表或井体沉降、围护渗水等，从而保障施工质量及施工安全。此外，针对具体施工过程中可能出现的冒浆等施工问题，将采用对喷嘴孔径适当缩小、适时调节旋喷压力等措施进行解决[3]。

工作井围护施工与工作井开挖施工应密切配合，在做好井内降水后即可进行基坑的开挖。开挖采用挖掘机为主、人工配合为辅的方式进行，开挖中应做好钢支撑、圈梁等支撑体的布置，确保基坑稳定。挖到基坑底部后应采用压密注浆进行封闭。

3.1.2 设备安装

完成工作井施工之后，进行顶管设备的安装。在准备好与顶管施工有关的所有设备后，先在路面上进行空压机组、注浆润滑设备、泥浆处理设备、泥浆制备设备等的安装，后逐个吊运至基坑内进行设备对接；并对冷却系统、供电系统等进行调试，特别是对供浆泵以及地面管路等进行正确设置。然后将顶进轨道、顶管反力座、顶管机、排泥泵、污水泵等设备安装到竖井内部。为防止顶管切口正面泥水流到井内，同时防止地下潜水侵入竖井内淹没设备，应在洞口设置止水装置，采用两道橡胶止水法兰，橡胶止水圈采用氯丁橡胶或三元乙丙橡胶，必须用粘结剂牢固粘结在插口槽上。

3.2 顶管始发顶进作业

结合地层实际情况对顶管掘进参数进行设置后，实施顶管的进洞始发顶进作业。在对洞门密封位置进行观察核验后，结合实际情况对刀具位置进行调整。在刀盘舱之中，施工人员不仅要逐步推进顶管机，还要对刀盘、刀具、洞口密封实际情况等各方面进行持续观察，必要时可涂抹一定的黄油，并严格按照径向方向对洞口密封扇形压板进行调整，通常是基于实际需求逐步调大。同时，整个推进过程要合理控制好泥水压力、泥水流量及顶进速度，尽量匀速顶进。顶进过程中，按照泥水流量、刀盘电流等参数的变化，及时对刀盘转速进行必要的调整；如遇到断处，刀盘切削时间适当延长，以保持刀盘的正向阻力稳定，避免出现顶管机出现位置偏移的情况。此外，在顶进的过程中，根据实时测量的结果，对顶进姿态、轴线位置进行及时校正，确保顶管顶进过程中不会偏离轴线位置[4]。

3.3 顶管中部顶进作业

3.3.1 开挖面泥膜构建

该项目是通过泥水加压平衡的方式平衡顶进中的压力，以确保掘进施工有序开展。随着顶管的不断推进，在泥水循环的作用下，其开挖面上将构建一层泥膜，可以充分保障开挖的稳定性。顶管机内采用三级泥水处理系统对泥水进行处理，即在泥水分离设备的作用下，对泥浆渣土进行初次筛选，筛除粒径大约5mm的固相颗粒，并在振动筛的作用下完成泥块以及碎石的分离。剩下的固液混合物进入到泥浆沉淀槽，通过渣浆泵处理之后进入旋流器，以进一步分离粒径不低于45μm的固相颗粒。固相颗粒分离完成后，水含量如果比较高，需要借助振动筛进行处理，降低水含量之后集中堆放。旋流器分离出来的泥浆，由二级旋流器接着处理，最终将粒径高于25μm的固相物成功筛除。最后，由压滤机设备对泥浆中的颗粒进行分离，当泥浆成功转化为清水之后，及时将其存入泥浆箱，以备后期循环利用转化为开挖面泥膜[5]。

3.3.2 切土与顶进施工

完成泥膜构建后，在刀盘驱动之下做好切土，匀速顶进并让顶进系统平稳过渡进入中部顶进环节。整个过程必须通过压力密切监视开挖量，避免出现超挖或欠挖的情况，否则可能引发地层下降或地层隆起等问题，甚至破坏周边建筑物承载力。

由于泥水平衡式顶管开挖施工中，泥沙的排出方式是随循环泥水流出，设进（出）浆流量为Q，进浆比重ρ1，出浆比重ρ2，掘进速度ν，盾构直径为D，围岩比重ρ3，正常掘进动态平衡可表示为：

Qρ2-Qρ1=ρ3υΠ(D/2)2

围岩比重由前期土工试验测得，进出浆液比重则通过比重计进行实时监测，以对出顶时的挖土量变化进行估计，并与预设开挖量进行对比，为实际顶进的参数调整提供依据，确保开挖量符合掘进速度的需要[6]。

3.4 管节安装及管道接口处理

该项目管节之间采用“F”型钢承口连接，并增加楔形橡胶圈做密封处理。由厂商负责完成专用钢筋混凝土加强管的生产以及养护。在安装管道之前，必须对管道表面及接口进行全面检测，特别关注表面是否存在破损现象以及成品管槽口与钢套环的尺寸误差是否在允许范围内、橡胶密封圈是否有凹坑、裂纹、承口插入面是否光滑等，确保无误才能进行使用[7]。

3.5 纠偏与沉降控制

顶进环节必须要做好实时测量以及对顶管偏差进行纠正。经过测量之后，如果发现误差，需要对已经顶进完成的管道进行逐步纠偏，严禁强力纠正，以避免出现管道扭转、偏移、变形等情况。

3.5.1 管道偏差预防与纠正

管道轴线位置与工具管刀盘、主油缸等如未保持平行，随着顶进过程的持续，管道扭矩会逐渐积累增大，如不及时纠正将导致管道出现扭转；在顶管施工过程中，当管道内部设备组合或位置布设不合理，也会出现这类问题；此外，地质条件的突然变化，如管道两侧地质差别突然增大也会可能会导致管道偏位。为避免出现管道偏位，首先应对顶管设备安装精密度进行有效控制，确保管道轴线保持平行以及主油缸的稳固性，必要时对偏差进行有效控制。

在施工过程中，严格按照预定流程进行；并以重量对称分布为基本原则，对管道内部的设备进行合理布设，以有效避免管道扭转问题。此外，针对已经存在的扭转力，应适当施加外力进行平衡纠偏。当顶距小于15m 时，建议通过主压千斤顶的方式，对管道轴线偏差进行校正，让偏差处于允许范围[8]，如表1所示。

表1 顶管允许偏差范围

3.5.2 导轨偏移纠正

结合工程实际情况，一般按照图1 对导轨进行设置。导轨如果刚度不足或没有充分固定，一旦受到外力作用或震动，大概率会出现偏移；此外，如果工作井的井底板发生了变形或者是受损，又或者顶进后座不够稳固，当顶进产生作用力时，顶管轴线与主顶油缸之间的平行度将迅速出现变化，这时将不仅会出现位置偏移，还会导致导轨受损。此时可以将硬木、钢板、型刚等作为垫木，在导轨下面整平并紧密地放置，或者是直接用型刚或者是钢板在导轨上进行焊接，均可以增强导轨稳定性，从而有效控制偏移问题[9]。

图1 导轨安装示意图

3.5.3 后靠背变形与位移偏差控制

后靠背如果采用单块厚钢板制作或后靠背管口以及后预留孔处没有垫实，将会因刚度不足导致后靠背出现位移或变形，甚至出现损坏的情况。在作业过程中，如工作井采用钢板柱支护，也将可能由于被动抗力、覆土厚度等不足，造成钢板桩位置偏移，进而导致后靠背位移或变形等。基于此，应选择刚度满足实际需求的钢结构，如工字钢叠加成墙的形式，对后靠背后的洞口进行设置，并将管口、洞口等垫实；此外，还应对后座墙后侧的土体加固，如采用压密注浆或在地面上放置钢锭等方式，均可有效增加地面负荷，避免产生偏差[10]。

3.5.4 地面沉降控制

由于施工深度大，将不可避免地遇到地下水的问题。在处理地下水的过程中，一方面应做好降水，但降水时必须对地下水位进行有效控制，降水以满足施工需求为宜，无需过度降水，否则将导致周边地面的沉降；另一方面，时刻关注掘进面的状态，保持泥水压力的稳定，匀速排土，避免因排土速度不均匀导致顶管整体施工效率低等问题[11]。

4 结束语

当前，将管道埋置深度加大，采用大管径雨污水管以满足远期排水需求的方法已经越来越多地应用于雨污水排水施工中。而对于较大深度位置的管道埋设，顶管施工技术则由于对埋置深度、复杂地质条件的适用性，已得到越来越多的应用。本文结合某市市政污水管道工程，研究顶管施工技术的应用，应用证明，顶管施工技术适用性广的前提是明确当地水文和地质情况下，制定科学合理的地基加固及顶进方案，并根据施工现场实际情况，对顶管施工具体参数进行不断的优化和调整。