矩形顶管下穿运河施工安全管理与措施研究

［摘 要］随着国家基础设施建设的不断推进和城市化进程的加快，矩形顶管技术在城市地下空间开发中的应用愈来愈广泛，其凭借着节能高效、对周边环境影响小等优势，大大提高了工程建设的施工效率，有效降低了施工成本。但是矩形顶管在施工过程中存在的安全风险也不容忽视，基于此，本文以任城经济开发区综合管廊及高压线路迁改-A段项目为例，通过对本项目顶管下穿运河施工过程中存在的问题和管理措施进行分析，希望能对今后顶管施工安全有所帮助。

［关键词］大断面矩形顶管；下穿运河；安全生产管理；措施

［中图分类号］TU99文献标志码：A

近年来，随着城市地下道路、管线等基础设施建设的不断发展，顶管机的使用越来越普遍。但市政工程作业环境的复杂性、施工作业场所的局限性，对顶管施工安全管理提出了更高要求。如何保障项目建设“零事故、零伤害”，是值得所有安全监督管理人员深思的问题。

1 项目背景

任城经济开发区综合管廊及高压线路迁改-A段项目位于山东省济宁市任城区，该项目以柳行路与安顺路相交处北侧为起点，向东先后下穿老运河、京杭大运河（梁济运河），终点接居和路。主要建设内容包括3.4km高压双舱管廊和160km长的电缆布设和电气安装。

该项目顶管施工为单仓双线顶进（顶完一侧后再进行另一侧顶进），全线共存在顶管地段4段，依次分别为下穿既有市政公路、国道、老运河、京杭大运河。其中，下穿运河段落共分为两部分：下穿老运河顶管段长度291m，单节管廊为3.7m×3.7m矩形结构，长度2m，覆土厚度为10.25～12.31m；下穿京杭大运河顶管段长度625m，单节管廊为4m×4m矩形结构，长度2.5m，管廊覆土厚度为9.104～22.486m。

2 顶管施工方法

2.1 泥水平衡式顶管机工作原理

泥水平衡式顶管机在泥水舱内注满膨润土泥浆，在开挖面上形成不透水的泥膜，利用泥浆作为开挖面的支护材料，并通过控制泥浆压力以平衡作用于开挖面的土压力和水压力来保证开挖面的稳定。泥浆的压力控制取决于气压腔内的气体压力。气压腔的泥水平衡式顶管机可以在设定好泥浆进出口流量后，单独调整气压来实现控制泥浆压力，便于操作。刀盘切削下来的土砂在刀盘旋转和搅拌机的作用下与新鲜泥浆均匀混合，并以泥浆形式输送到地面，然后通过泥水分离设备进行分离，形成可运输的渣土和可重新利用的泥浆。分离后的泥浆在经过质量调整后重新输送到开挖面的泥水顶管机中来保持压力平衡。

2.2 土压平衡式顶管机工作原理

土压平衡顶管机在土舱和螺旋输送机内充满切削下来的渣土，依靠顶管机推进油缸的推力给土舱内的渣土加压，进而使土压作用于开挖面以保持其稳定。土压顶管机的支护材料是渣土本身。土压顶管机适用于黏土、中软岩到卵石等地层。

3 顶管施工安全风险分析

3.1 地质水文条件复杂

京杭大运河顶管施工段地下水的补给来源以大气降水入渗和附近河流的地表水体的渗漏以及地下水的侧向补给为主，排泄方式以人工开采为主。地下水位随季节及气象周期呈周期性变化，水位年变幅一般在2～5m。老運河顶管施工段，土细砂黏聚力小，透水性强，顶进施工时若采取合理措施极易发生流沙、管涌及塌方现象。

河下顶进时密封不当渗漏水、地下障碍物处理难度大；顶管机压力控制不当易造成冒顶；管顶覆土深度较浅时，顶管机易上浮，甚至会在顶进过程中引起管涌，导致人员淹溺、设备报废，造成不可估量的损失。

3.2 危大工程时间跨度大

顶管施工自开始至结束先后经历土方开挖、基坑支护降水、起重吊装、顶管顶进、基坑回填等施工步骤，时间跨度大，暴露时间长。顶管施工的顺利进行离不开工作井、接收井的稳定性，在方案实施阶段，基坑开挖、支护、降水、监测工作失误，会直接导致坍塌事故的发生。工作井、接收井完成后，临边防护、人员上下梯笼的缺失，会导致高处坠落、物体打击。顶管机选型不合理、施工组织不协调、场地布设无章法将更会直接导致整个施工过程的延长。

3.3 特种设备、大型机械设备集中

一方面，大断面矩形顶管机头、管节吊装通常采用大吨位起重设备，在下放、起吊过程中由于空间有限、视线受阻，若无信号工指挥操作，容易发生起重伤害。另一方面，顶管长距离顶进需设置中继间，顶管机设备性能可靠是施工重点，施工过程中若出现异物缠绕、刀盘磨损严重等情况，人员需打开刀盘进入工作面进行维修，增加了施工安全风险。

3.4 有限空间作业

顶管施工穿越淤泥层、旧河道等不良地质区域，易形成甲烷、一氧化碳等有毒有害、易燃易爆气体积聚或者含氧量不足的空间。顶管内部与外界相对隔离，出入口较为狭窄，自然通风不良，若未能进行有毒有害气体监测，做好强制通风措施，作业人员进入顶管内部易造成中毒和窒息事故。

3.5 影响市政管线、构筑物

在城市更新过程中，市政管网愈加复杂，临近管线作业是顶管施工不得不面对的一个严峻问题，影响或破坏既有管道可能会导致城市居民生活带来不便，甚至可能会酿成安全责任事故。顶管路径下穿或临近建（构）筑物基础时，若不采取精准科学的加固措施，容易造成地面道路塌陷导致交通事故、构筑物的开裂甚至倒塌。

3.6 临时用电

顶管施工工作井及其周边临时用电设施主要包括起重机械、顶管机、基坑降排水设施、照明等。工作井底部、管廊内不可避免地存在积水和潮湿环境，如不采取相应措施容易导致触电事故发生。

4 顶管施工过程中采取的安全措施

4.1 推进“6S”管理

顶管施工作业场地固定、人员相对稳定，是推行“6S”管理的首要选择。“6S”管理是指在生产作业现场环境开展整理、整顿、清扫、清洁、素养和安全为内容的管理活动，是标准化管理的重要组成部分，能更好地改善现场生产的环境、规范工序流程、提高作业效率、确保作业安全。

第一，整理：通过前期规划，科学合理布局，确保现场整洁开阔，畅通有序。做到规范施工区域的整理，施工中产生的余料及闲置设备要明确区分，及时将无用的物品清除现场，做到空间活用，塑造整洁有序的工作场所。本项目顶管作业场地在施工前进行合理的规划，按照不同功能划分地面和地下分区。地面分区包括管节存放区、起重吊装区、顶管操作室、泥浆制备区、泥浆沉淀池等；地下分区包括管节暂存区、顶进区、应急物资区、小型机具区等。

第二，整顿：区分功能，定置摆放，进行统筹归类管理。一是进行功能区分，周转材料、工具、设备以及其他物资分类存放，确保物资出库互不干扰；二是对成品、半成品等物资标识清楚，减少积压，标准是能迅速找到所需物品；三是做到“三通一平”，标识明显，确保施工现场整齐规范。

第三，清扫：分区负责，齐抓共管，营造安全文明施工环境。一是自我约束，从个人做起，坚决制止现场乱倒、乱放、乱停的行为；二是建立清扫制度，划分责任区域，明确责任人，安排轮流值日；三是做好监督奖惩，做到每日检查，反馈督促，共同打造良好的施工作业环境。

第四，清洁：保持整洁，形成标准。将顶管施工段落打造为项目的安全标杆示范区域，树立“逢检必查，逢查必过”的典范，化被动为主动。做到建筑垃圾、生活垃圾不隔夜，每日工完料净场地清，使现场始终保持完美和最佳状态。

第五，素养：培养习惯，塑造精神。培养高素质员工，强化执行力。一是有效利用每日“晨会”制度，加强员工文明素养教育，施工现场人员要统一着装、佩戴胸卡，规范仪表和言谈；二是结合生产经营的实际，抓好管理制度等内容的学习，增强员工综合素质，使现场安全、质量等各项制度得到严格落实，从而提高整个项目的综合管理水平。

第六，安全：安全第一，预防为主，综合治理。一是定期开展风险辨识，明确顶管施工各个阶段、各个部位的各类风险，制定并落实相应的控制措施；二是加强对过程中隐患的排查治理，按照“五定”原则，及时消除各类隐患，实现项目安全管理正向循环；三是开展应急演练，提高全体人员自救互救能力，在做好事前控制的同时做好事后处置的准备。

4.2 掌握地质水文条件，做好全过程监测

根据勘察报告内容，结合现场实际情况，对顶管路径进行综合分析，如有需要及时进行补测，作为编制专项施工方案的重要依据。工作井和接收井洞口破除前，应在始发井和接收井端头设置应急降水井。洞口破除后洞口位置要及时安装止水圈，管节承插位置设置止水胶条。顶进过程中同步注浆，保证防水效果。京杭大运河顶管段工作井深27m，是高压管廊项目最低部位，工作井上、下部和四周设置排水系统尤为重要，提前设置排水沟、积水坑，配备充足水泵、堵漏材料。遇到突发涌水情况，可通过应急降水井抽水紧急降水及时封堵或进行人员撤离。

4.3 制定专项施工方案，组织专家论证

根据《危险性较大的分部分项工程安全管理规定》（中华人民共和国住建部令第37号）要求，工作井、接收井等基坑开挖、支护降水工程属于超过一定规模的危险性较大的分部分项工程，必须编制专项施工方案并经专家论证通过后实施。现场严格按照方案施工，在工作井基坑施工过程中，要加强监测，如发现异常立即停止开挖，根据基坑支护体系和周边环境的监测数据，调整施工顺序和施工方法［1］。同时应采取有效的降排水措施，开挖至基底后要及时封闭，不得长时间暴露。工作井、接收井周边设置排水沟、挡水坎，安装防护栏杆、人行通道，并在现场重点区域设置电子围栏，发生人员误入等异常情况立即启动声光报警，确保安全监管切实落地。顶管施工中严格控制施工荷载，控制周边堆载，并应符合《建筑深基坑工程施工安全技术规范》（JGJ311-2013）等规范要求，避免超载及局部超载对顶管坑造成的失稳影响。项目在老运河工作井顶进过程中持续观察出渣情况，发现出渣中存在建筑垃圾、淤泥质土等于地质条件不符情况，通过调整顶进压力、刀盘速度等方式，有效防止了刀盘卡死、机头偏转。

4.4 做好顶管机械选型

顶管机的性能及其与地质条件、工程条件的适应性是顶管施工成败的关键，所以采用顶管机法施工就必须选择最佳的顶管机施工参数和最适宜的顶管机［2］。

由于该段管廊在施工时需横穿现有京杭大运河、老运河，考虑其通航条件、场地限制及地质原因，分别采用了泥水平衡、土压平衡顶管机两种机型进行顶进施工。其中，下穿大运河顶管段兼具“土压+泥水”两种施工工艺，施工工艺可根据地质情况进行随时切换，实现了“一机两用”。

4.5 大型（特种）机械设备专人管理，不留死角

设置专职机械设备管理人员，大型（特种）机械设备作业人员必须持证上岗，作业过程中保持信号明确，上下协同。顶管吊装起重机械宜采用可视化吊钩，具备预警与报警功能，能够根据设定的安全标准与预设参数，自动发出警报信号。一旦发现吊钩出现异常情况，如超负荷、偏离轨道等，系统将及时发出警报，提醒操作人员采取相应的措施，避免事故的发生。顶管始发前、单幅贯通后需对顶管机进行全面维护检查，视情况更换刀盘刀片。

4.6 有限空间作业防范措施

顶管施工作业必须严格执行“先通风、再检测、后作业”的原则，检测时间不得早于作业开始前30min，未经检测或检测不合格的，严禁作业人员进入有限空间进行施工。随着智慧工地应用推广，除人工手动检测外，有条件的应在顶管机头部位设置有毒有害气体监测仪随时监测，并随顶进距离逐步增加仪器数量。顶进超过50m必须采用强制通风措施向始发井及管内工作面连续送风，以保证工人及其他经许可入内的工作人员需要。本项目应用了智能定位系统，一方面能及时定位人员位置、跟踪人员行动轨迹，另一方面通过智能探头（智能安全帽）的全过程视频录像，共同实现可视化远程监控，实现施工全过程的监管。

4.7 做好下穿构筑物、市政管网防护工作

施工前应从产权单位得到构筑物的基础图纸，再通过人工探挖确定构筑物的位置、基础结构和大小，结合现场实际情况和产权单位的要求，制定构筑物基础保护方案。在顶管施工过程中，精确控制其设备，尤其是其顶进方向、角度和力度，确保将对构筑物的影响降到最低。规范布置沉降观测点，受影响的构筑物周围遵照《建筑基坑工程监测技术规范》（GB 50497-2019）等技术规范布置沉降观测点，并动态观察，依据沉降情况及时调整保护措施。

施工前应沿顶管径路进行详尽的管线调查，明确各条管线与新建顶管管道的相对位置，必要时应采取硬隔离措施，对于无法绕开的管线应组织迁改。对于危险性较大的管线，如高压天然气管道，应邀请产权单位一并进行现场确认位置，并共同制定下一步实施方案。对于施工过程中遇到的不明管线，在探明情况之前严禁茫然破坏［3］。下穿大管径管道，必要时应采取托举、加固措施。

4.8 临时用电低压、高压分设

地面电缆采用穿管的形式敷设，进入工作井后，电缆采用沿墙敷设，在墙体上设置电缆桥架，桥架与电缆间采用绝缘材料包裹后固定。顶管内部照明采用36V低压LED灯带进行照明，并采用明线绑扎方式对灯带进行固定。洞内电缆线自洞口随着顶管顶进方向，每隔一段距离接长一次，并设置支撑电缆用电缆桥架，电缆按动力、照明自上而下分别敷设。考虑到工作井底部潮湿、积水环境，为防止触电事故发生，在过道处下垫方木、绝缘板材，基本做到干湿分离。

5 结语

目前越来越多的城市在市政建設过程中更加注重整体形象，高压电塔、通信线路下地已成为城市发展的新趋势，顶管技术的应用为现阶段市政管网的不断完善提供了解决办法。该技术虽然具有一定的安全风险，但只要做好风险分析，措施得当，相信在不久的将来，顶管施工将会有更加广阔的发展前景。

参考文献

［1］莫万练. 顶管施工安全管控措施［J］. 智能城市，2021，7（16）：77-78.

［2］余界明. 南昌轨道交通1号线过江隧道盾构施工方案比选［J］. 铁道建筑技术，2011（3）：37-40，52.

［3］朱荣. 浅析顶管施工安全风险及管控措施［J］. 机电信息，2020（5）：68-69，71.

［作者简介］吴多坤，男，山东泰安人，中交建筑集团有限公司投资建设运营事业部，中级工程师，本科，研究方向：市政安全。