顶管施工技术在市政工程中的应用

王炎伟　魏青周

【摘 要】顶管工程是非开挖敷设管线技术。当工程施工遇见公路、铁路、河流或者主要构筑物时均可采用该项技术。它可有效地解决大面积开挖给交通和市民带来的不便。

【关键词】顶管；施工工艺；构筑物

0.工程概况

本工程红线宽度为20m，行驶重型车辆比较多。污水管全长120m，横穿立交桥下和两侧副道，采用顶管施工。污水管为雨污合流，采用钢筋混凝土管，管径为Φ1200，管道外直径Φ1440，管长2.0m/节。平均埋深为4.8m。为减少土方开挖，拟在检查井处设置工作井和接收井。该场地地层以杂填土、粉质黏土和粉砂为主。所穿越位置并无其他管线敷设。

1.顶管施工工艺

工程施工原理是在管道的沿线按设计的方案设置工作井和接收井，工作井内设置坚固的后座，吊进油压千斤顶以及要顶进的混凝土管，接好照明、油管等管线， 然后用油压千斤顶缓慢顶进，通过人工开挖方式，将混凝土管顶进至接收井内。

2.后背结构及抗力计算

后背作为千斤顶的支撑结构，要有足够的强度和刚度，且压缩变形要均匀。所以，应进行强度和稳定性计算。本工程采用现浇整体式后座墙组合钢板结构，这种后背安装方便，安装时应满足下列要求：使用千斤顶的着力中心高度不小于后背高度的1/3。

2.1顶力计算

推力的理论计算：（以Φ1200mm计算）

F=F1+F2 （1）

式中F1——迎面阻力；

F2——顶进阻力

F1=π/4×D×2×P （2）

式中D——管外径1.44m；

P——控制土压力

P=Ko×γ×Ho （3）

式中Ko——静止土压力系数，一般取0.55；

Ho——地面至掘进机中心的厚度，取最大值4.5m；

γ——土的湿重量，取1.9t/m3。

本工程中，P=0.55×1.9×4.5=4.70t/m2

F1=3.14/4×1.44×2×4.70=10.63t

F2=πD×f×L （4）

式中f——管外表面平均（根据顶进距离平均淤泥土）综合摩阻力，取1.6t/m2

D——管外径1.44m；

L——顶距，取值60m。

F2=3.14×1.44×1.6×60=434.07t。

因此，总推力F=10.63+434.07=444.7t。根据总推力、工作井所能承受的最大顶力及管材轴向允许推力比较后，取最小值作为油缸的总推力。

2.2后背的计算

后背在顶力作用下，产生压缩，压缩方向与顶力作用方向一致。当停止顶进，顶力消失，压缩变形随之消失。这种弹性变形是正常的，顶管中，后背不应当破坏，产生不允许的压缩变形。后背不允许出现上下或左右的不均匀压缩。为了保证顶进质量和施工案例，施工时应对后背的强度和刚度计算。

后背受力计算公式

R=aB（rH2KP/2+2ChK1/2P+rhHKP） （5）

式中R——总推力之反力（一般大于推力的1.2～1.6）；

a——系数（取1.5～2.5之间），此处取2；

B——后座墙的宽度（m）此处取1m；

r——土的容重（kN/m3）；

H——后座墙的高度（m），此处取1m；

KP——被动土压系数tan2（45°+φ/2）；

C——土的内聚力（kPa），一般情况下取10；

h——地面到后座墙顶部土体的高度（m），此处取4m。

按上式计算，工作井后背加护套后能承受534t。顶力大于实际顶力444.7t，完全能满足要求。

3.施工方法

3.1测量放线

根据规划施工，先用经纬仪在现场地面上准确布设临时水准点并放出管道铺设的中线控制桩，控制桩必须保护好，待工作坑挖好后，再用经纬仪将管道中线控制桩引至工作坑保护好，确保施工使用时管道中线的准确度。

3.2工作坑设置

根据施工图设计基础，采取检查井所在位置设置工作坑，避免修筑检查井时重复开挖，且检查井间距70m，符合一次性顶进施工要求。工作坑底部为矩形，坑底尺寸为7m（长度）×4m（宽度），高度H为5.2m（根据污水管道设计埋深确定）。本次顶管方案拟采用双向顶进的方法进行施工，即在同一直线上，顶管机在工作坑内，顶完一个方向（两检查井间的距离），调头再顶另一段，形成工作坑和接收坑交替施工。

3.3工作坑开挖、支撑和防护

工作坑挖土采用机械开挖，并与人工配合操作。土方开挖前先做好定位放线工作。首先开挖上层土，采取从上往下逐层开挖的方式，严格遵循“分层开挖、严禁超挖”及“大基坑小开挖”的原则。工作坑边不堆积弃土，不堆放建筑材料、机械、水泥罐及行车。尽量减少基槽边外部荷载。顶部采用半封闭式，仅留下管和出土口，以确保工作坑内施工安全。井口周围设防水墙，以防地表水流入坑内，同时设置1m高的钢管护拦。为防止工作坑坡面坍塌，坑壁采用20mm厚木板、钢管支撑，满铺支护处理。工作坑挖掘支护完成后，立即进行围挡，并设立醒目施工安全警示标志。

3.4顶进施工

（1）开始顶进前检查全部设备并试运转；保证工具管在导轨上的中心线、坡度和高程符合规范规定。采取一定措施以防止流动性土或地下水由洞口进入工作坑。顶管时，封门拆除后将工具管立即顶入土层。

（2）该工程采用手工掘进顶管法，工具管接触或切入土层后，自上而下分层开挖，工具管断面的超挖量应根据土质条件确定。该土层比较稳定，正常顶进时，管下部135°范围内不进行超挖；管顶以上超挖量小于1.5cm；管前超挖根据具体情况确定，并制定了安全保护措施。

（3）顶进设备准备：基座是为顶管机提供推进反力，安装要坚固，在承受各种负载的情况下，都能保持不位移、不变形、不沉降。导轨采用38kg/m钢轨，轨底和型钢焊接成一体。该工程主顶系统采用1台500t双冲程等推力油缸。油缸行程500mm，总推力为500t。油缸固定在拼装式油缸架上，下井时整体吊装。安装在油缸架上的油缸中心误差控制在3mm以内。主顶油缸架安装也要定位准确，保证油缸受力点的位置正确，其高程和平面安装误差应控制在3mm以内。起重设备和顶进设备按照施工要求安装。

3.5顶管施工

该工程采用手工掘进，工具管进入土层过程中，经常对顶进轴线进行测量，检查顶进轴线是否和设计轴线相吻合。在正常情况下，每顶进一节混凝土管测量1次，在出洞、纠偏、到达终点前，适当增加测量次数。施工时还要经常对测量控制点进行复测，以保证测量的精度。 另外，指示轴线在顶进工程中，利用联系三角形法定期进行复测，以保证整个顶进轴线的一致性。顶进开始时缓慢进行，待各接触部位密合后，再按正常顶进速度顶进；顶进中若发现油压突然增高，立即停止顶进，检查原因并经处理后方可继续顶进；千斤顶活塞退回时，油压不得过大，速度不得过快。在实际顶进中，顶进轴线和设计轴线经常发生偏差，为了使管道按照设计要求的高程和方向顶进，在顶进过程中要不断对工具管的高程方向进行测量，“勤测勤纠”，根据测量反馈结果，调整纠偏千斤顶，改变方向，从而实现顶进方向的控制，确保管道按设计轴线顶进。纠偏贯穿顶进施工的全过程，尽量做到纠偏在偏位发生的萌芽阶段。

3.6接口处理

对管道的设置位置、标高进行检查，确认无误后，才进行各个混凝土管接口处理。接口是管道的薄弱环节，易发生渗漏，若管接口施工质量差，管道接口在外力作用下容易产生开裂。 混凝土管表面应光洁、平整，无砂眼、气泡，接口尺寸符合设计规定，接口应保持清洁无油污，接口防水采用“V”形切口，用纯水泥砂浆对管进行处理，再用1∶2水泥砂浆对切口进行封抹，最后采用树脂漆和玻璃纤维进行两次封堵，直到达到闭水要求。

4.结语

本工程采用此项技术，有效地解决了大面积开挖施工造成的不便，具备科学性、合理性、可行性。由此，在管道工程施工遇到公路、铁路、河流或者主要构筑物时，本项技术均可方便适用。

【参考文献】

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[2]徐慧.超高层建筑华联-钱江时代广场建筑给排水及消防设计[J].浙江建筑，2008.（10）.

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