钢筋混凝土管长距离顶管的施工工艺分析

杨东赫

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335）

0 引言

随着城市化步伐的加快，城市地下管网系统变得日益复杂化，这无疑提升了基础设施建设的标准和要求。在这一背景下，钢筋混凝土管长距离顶管技术作为一种领先的非开挖技术，得益于其高效率的施工能力、最小的环境干扰以及适应城市密集区域的能力，已在市政工程领域扮演了不可或缺的角色。实际应用中，如在津歧路雨水管道顶管项目中，王朗等[1]利用土压式顶进设备，提前完成了施工任务，既没有破坏施工道路，也未对道路交通造成显著影响，实现了社会和经济效益的双重胜利。桑军波等[2]强调，在实施市政给排水工程中的长距离顶管施工时，确保施工质量和效率的同时，需要明确工艺流程，并注重材料与设备的选择，以及顶进姿态的调整和纠偏控制。房敏等[3]提出，随着地下作业的持续推进，长距离顶管施工技术面临的问题逐渐增多，且随施工次数增加，区域土层的稳定性可能下降，导致地面沉降问题变得更加突出。为此，本文基于前述实践和观点，对潜在的施工难题及其对应的应对策略进行了前瞻性预测与规划，以确保施工的安全性和高效性。最终确认了施工工艺的可行性与高效性，并且为未来类似的市政工程提供了宝贵的经验和参考。

1 工程概况

在该项目中针对某市雨水管道工程的特殊情况，选择了一种适应性强且对环境影响最小的非开挖顶管施工技术。由于管道位于交通繁忙路段，传统的开挖方式将严重影响交通流量，因此采用顶管技术成为最佳选择。该技术能有效避免大面积开挖对交通的干扰，同时也减少了对周边环境的破坏。工程计划使用DN1 500 ～3 000mm 的钢筋混凝土预制管，总长度约为2.1km。顶管工程的设计充分考虑了地形和地质条件，整个管道沿线地面标高为2.5 ～3m，基坑周围30m 范围内无建筑物，确保了施工安全和顺利进行。此外管道西侧紧邻河流，考虑到正常水位和河底高程，施工计划中对基坑与河岸的最近距离进行了严格控制，以避免对河流及其生态系统造成负面影响。

为了确保施工过程中的安全，该工程在设计阶段就已经进行了详尽的地质勘察。其目的是对拟建的顶管工作井所在的地下水流情况以及土层的稳定性进行深入的评估和分析。在本次地质勘察中特别关注了工作井开挖的流程，如图1 所示。经过对坑底土层层间渗流稳定性抗力分项系数的深度分析与研究，这些系数的数值均超出了国家岩土工程技术规范（DB 29-20—2000）所规定的安全系数1.2 的标准。在施工过程中可以不必考虑承压水因素的干扰，这无疑大大简化了施工程序，为工程进度和安全性提供了有力保障，同时也为施工团队带来了显著的便利。

图1 工作井开挖流程

2 钢筋混凝土管长距离顶管施工工艺

2.1 基坑支护

在该钢筋混凝土管长距离顶管施工项目中，基坑支护的设计和施工是关键环节。为了确保基坑的稳定性和安全性，根据设计图纸选用了φ800mm 间距900mm 的灌注桩作为主要的基坑支护结构。灌注桩的长度是基坑深度的2.15 倍，其中最深的桩长达到23.5m，足以覆盖整个基坑的深度。桩顶部使用600mm×1 200mm 的钢筋混凝土压顶梁进行连接，以增强整个支护结构的稳定性和承载能力。

在基坑的逐步开挖过程中，为了预防土体松动以及确保施工人员的安全本工程采取了一系列措施。首先在基坑的2.9 和5.5m 深度位置设置了腰梁，这些腰梁起到了支撑土体的作用。为了构建坚固的支撑结构本工程采用了I50b 双拼工字钢进行拼接，这种工字钢具有较高的强度和稳定性。为了确保支撑结构的牢固性和可靠性，本工程采用了DN500mm 的钢管法兰连接。这种连接方式可以提供强大的支撑力，确保基坑的稳定性。在基坑内角位置还采用了I50b 双拼工字钢拼接的斜撑进行加固。

2.2 管道顶进

钢筋混凝土管长距离顶管施工工艺是一种先进的无开挖管道铺设方法，特别适用于城市地下基础设施的更新与扩建。本项目中，顶管施工主要针对管径为DN1 500、1 800、2 200、2 400、3 000mm 的管道，覆盖了从小到大的各种尺寸需求，以适应不同的地下管线铺设工程。管道的埋深介于6.5 ～9.4m 之间，涉及16 座特型检查井，采用的是土压平衡式顶管施工技术，这种技术能有效控制土压，减少对周围环境的影响。

在施工过程中，特别设计了双向顶坑，即顶进坑和接收坑，以实现管道的顺利安装。顶坑底板采用了0.4m 厚的C30 钢筋混凝土，为了增加底板的稳定性和承载力，底板下方设有0.2m厚的C20 钢筋混凝土垫层。此外，顶坑的两侧后背墙也采用了0.4m 厚的C30 钢筋混凝土一体施工，以确保坑壁的稳定性和防水性。对于接收坑，其底板结构与顶坑相同，但是不设后背墙，以便于管道的顺利接收和连接。

考虑到施工安全和效率，工作坑的尺寸被设计为9m（长）×6m（宽）的矩形，而接收坑的尺寸稍小，为7m（长）×6m（宽）。这样的设计既保证了足够的工作空间，又能有效地控制施工成本。通过土压平衡式顶管施工技术，能够精确地控制管道的推进方向和位置，同时最大限度地减少地表沉降和对周围建筑物的影响。实际的最长顶距达到了200m，展现了这一技术在长距离顶管施工中的优势。

2.3 顶管顶力与后背承载力计算

在进行钢筋混凝土管长距离顶管施工工艺的设计时，顶管顶力与后背承载力的计算是保证施工安全与效率的关键环节。针对本项目的实际需求，顶进距离达到200m，且由于地表沉降控制要求较为严格，采用了泥浆触变法来降低顶进过程中的侧壁阻力并支撑周围地层，这是一个对施工技术要求较高的方案。

顶力计算方面，首先需要根据地质报告选择合适的土质参数进行计算。在本案例中，土质被确定为粉质粘土，因此，为了提高工程的保证系数，实际计算时将顶进距离考虑为210m，并将土质按粉土处理。顶力F2的计算公式为：

其中，f2为采用注浆工艺的摩阻力，根据经验取值在4～12 kN/m2之间，D 为管道外径，L 为管道的计算顶进长度。

迎面阻力PF 的计算公式为：

其中，PF为封闭式顶管机头的迎面阻力，D1为顶管掘进机的外径，Pt为机头底部以下1/3D1处的被动土压力。顶力由掘进机的迎面阻力和管壁外周摩阻力两部分组成，整体计算结果为R8 =PF+ F2= 11 394.4 + 2 334.1 = 13 728.5 kN。

在后背承载力的计算中，公式为：

其中R 为总推力之反力，a 为系数，通常取2.0，B 为后背墙的宽度，r为土的重度，H为后背墙的高度，KP为被动土压系数，取值为1.46，C为土的内聚力，h为地面到后背墙顶部土体高度。经过计算，R/F2= 1.869，表明计算得到的后背承载力满足顶力要求。

3 钢筋混凝土管长距离顶管施工方案

3.1 工作坑施工

工作坑的挖掘从地面向下0.7m 开始，到达预定的冠梁位置，这里采用C30 等级的混凝土构造冠梁，其断面尺寸为1 200mm×600mm。冠梁的主筋使用直径为22mm 的钢筋，箍筋则采用直径为10mm、间距为150mm 的配置。冠梁施工完成并达到100%强度后，继续挖掘至第一道腰梁的位置。由于此步骤中的土层为表层土，含水量较小，因此挖出的土可以用于工作坑周围的垫道或回填。

接下来的施工步骤是安装腰梁，其定位应精确地位于设计标高-1.3m 的位置。腰梁的结构设计采用双拼配置的HN600mm×200mm×11mm×17mm 规格的工字钢，确保了结构的稳定性和承载力。在跨中部分，使用直径为500mm 的钢管作为支撑柱，以增强腰梁的中间支承点。为了提高角部的稳定性，角撑采用了直径为402mm、壁厚为14mm 的钢管，在结构的四个角落进行安装。在施工过程中，首要任务是将预先加工好的支架与混凝土灌注桩连接，每侧配备两个支架，以确保腰梁的均匀分布和稳固性。

随后，将组装完成的腰梁吊装到已安装的支架上。在吊装腰梁时，需要首先安装垂直于顶进方向的短腰梁，以确保顶管工作坑的钢腰梁布置平面符合设计要求，如图2 所示。紧接着，安装沿顶进方向的长腰梁，并通过焊接工艺，确保短腰梁与长腰梁之间的连接牢固无误。最后，通过专业的焊接技术，将四个角部的角撑与腰梁连接，以增强整体结构的稳定性。为了确保腰梁与混凝土灌注桩之间的连接强度，将使用木楔和直径为16mm 的钢筋进行加固，从而完成腰梁的安装工作[4]。

图2 顶管工作坑钢腰梁布置平面

在开始底板施工之前，首先需要使用高精度的测量设备，如全站仪或经纬仪，来确立井中以及底板的长宽边界。这一步骤确保了底板的准确位置和尺寸，为后续的施工提供了准确的参考。接下来使用P3012 型钢模板进行模板施工。这种模板具有很好的稳定性和承载能力，能够有效地支撑混凝土的重量。模板之间通过U 型卡连接，这种连接方式既简单又牢固，能够保证模板的整体稳定性。同时，还使用木支杠或钢管对模板进行加固，进一步提高其稳定性。

底板的混凝土采用商品混凝土，这种混凝土具有很好的工作性和强度，能够满足底板的施工要求。在浇筑混凝土时，我们从中央开始向外扩散，这样可以确保混凝土的均匀分布，避免出现空洞和裂缝。同时需要确保浇筑管在整个过程中垂直于底板平面，以保证混凝土的顺利流动。为了提高混凝土的密实度，本工程使用插入式振捣棒进行振捣，这样可以有效地消除混凝土中的气泡，提高其强度。

在施工过程中，导轨的高程误差和中线位移需要严格控制在2mm 以内，这样才能保证顶管施工的精度和安全。其中前期钢导断面如图3 所示，从图中可以看出导轨的布置和固定都非常精确，能够满足施工的精度要求。

图3 前期钢导断面

3.2 进出口处理

在钢筋混凝土管长距离顶管施工方案中，进出口的处理是确保施工顺利进行的关键环节。在执行洞口破除工程时，首要任务是对构成的灌注桩和水泥搅拌桩进行周详处理。灌注桩作为工作坑支撑系统的关键组成部分，其处理过程需格外谨慎。在断桩作业中，必须采用人工风镐方式，并严格控管破岩速度，以便于对基坑的动态变化进行实时监测，确保施工安全。当断桩作业完成之际，紧接着的是洞口加固工序，其目的在于保障洞口结构的稳定性，防止任何可能的安全风险[5]。

对于水泥搅拌桩，由于其在提升洞口土方稳定性方面的显著作用，应当利用机械设备进行破除。在破除过程中，必须遵循“顶进速度缓慢、刀盘旋转快速”的原则，以确保破除工作的高效率与安全性。最后，在破除工程完成后，应使用机头进行顶进，同时，对高程及水平偏差进行精确控制，以确保顶进过程的精准度，满足工程质量要求。

止水封门的操作步骤首先，在洞口挖除土壤并进行充分清理，形成内圆外方的结构。内圆的直径应为管外皮直径加10cm，而外方的尺寸则为内圆直径加60cm。在此基础上，露出的水泥搅拌桩支模应维持30cm 的厚度，然后进行混凝土的浇筑。在混凝土与水泥桩的接触缝隙处，务必确保混凝土充分灌注，并使用振捣棒进行细致的振捣。在距离内圆5 ～10cm的位置上，应埋入直径为16mm、长35cm 的螺栓，螺栓应深埋入混凝土20cm，露出部分为15cm。螺栓间距为15cm，分为内外两排，呈梅花状交错布置。在安装厚度为2cm 的环形橡胶板时，需要注意以下几点：

（1）环形橡胶板的内环直径应比管外皮直径小20cm，这样可以确保橡胶板能够紧密地贴合在管外皮上。同时，外环直径应与封门外边尺寸相同，以保证橡胶板能够完全覆盖封门的外部。

（2）在橡胶板上对应螺栓位置挖孔，这样可以使橡胶板紧贴封门迎面，螺栓从相应孔中露出。

（3）在橡胶板外面压上同厚度同形状的环形钢板。

（4）使用双螺母拧紧螺栓，这样可以进一步确保环形钢板和环形橡胶板与封门之间的密封性。双螺母的设计可以提供更大的摩擦力，防止螺栓在使用过程中松动。

（5）需要确保环形钢板和环形橡胶板与封门之间的密封性，以防止泥水从封门与管外皮的缝隙流入坑内。

4 结论

钢筋混凝土管长距离顶管施工工艺是一种有效、安全的施工方法，能够满足工程的需求并减少对周围环境和交通的影响，根据钢筋混凝土管长距离顶管施工工艺强调了在现代城市基础设施建设中得到以下结论。

（1）采用先进的顶管技术对于确保施工安全、提高施工效率及减少环境影响的重要性。

（2）通过综合考虑工程的地质条件、管材的物理特性、施工设备的性能以及施工现场的实际情况，精确控制顶进方向和位置、优化洞口处理工艺、严格施工质量控制以及有效的止水措施是确保工程顺利进行的核心要素。

（3）通过实践证明顶管施工过程中对进出口处理的重视及其科学的施工方案设计，能显著降低施工风险，提升施工速度，并确保施工质量。