浅谈土压平衡顶管施工工艺

韩伟

摘要：随着现代化城市的建设与发展，在进行排水配套工程建设时由于地面建筑物不可拆除，受施工场地局限以及文明施工等因素制约，顶管这种更加环保高效的施工工艺已被广泛应用于现代化城市市政建设中。

关键词：土压；顶管；施工工艺

目前，顶管施工分为土压平衡、泥水平衡、气压平衡三种工艺。由于土压平衡技术先进，施工效率高，在现代城市排水建设中被广泛应用。

土压平衡顶管施工工艺的优势

1、土压平衡顶管施工非常高效，平均每天顶进15米左右，建一主坑一次性连续顶进距离可达500m以上，节约了施工成本，提高了工作效率。

2、建坑后全部工艺不需开挖，全部在地下进行，降低了对城市环境、交通的影响。

3、工程占地较少，地面上的障碍物，如：铁路、建筑物等均不需要拆迁，大大的降低了工程成本。

4、节约劳动力，一套顶管掘进设备仅需50人就可以完成，而且操作非常方便，操作人员只需在工作坑内完成拆装及延长管线，不需进入顶进管道内，提高了工程的安全性。

工作原理

土压平衡顶管机是利用安装在机头的全断面切削刀片将土体正面削下进入刀头后置的存贮舱内，并使舱内均有适应压力与开挖面水土压力平衡，从而减少了顶管推进对底层土体的扰动，更加容易控制地面沉降缝。在出土时由安装在舱下运输机向主坑连续将土排除。

工艺流程

总的来说，土压平衡顶管施工工艺大体分为施工准备、工作主坑施工、设备安装，调试，试运行、顶进、中继间顶进、掘进机接收等几方面：

1、施工准备

施工前应先熟悉设计图纸，了解施工地区地质结构，确定主坑位置。土压平衡顶管机有多种类型，应根据不同的地质条件选择适用的顶进设备，并计算后背承载力以及管段顶力等。

确定顶管区间段长度，是否使用中继间以及中继间的数量和布置，初始顶进的方案及措施，测量及纠偏的方法，长距离顶进减阻的方案及措施等关键工艺。

2、工作主坑施工

工作主坑位置的选择应根据管道设计、地形、地层结构、施工环境条件等因素选定。开挖深度应满足顶进设备轨道高程及基础厚度的要求。工作井的结构及支撑应根据开挖断面、挖深、土质条件、地下水状况及总顶力等进行施工设计。根据施工设计搭建用于吊运和防护的工作平台，依据管重及其他附加荷载计算选用工作平台承重主梁。依据起吊设备能力及起吊物重量核算起重架。垂直运输设备必须按施工中最大起吊重量选型，且符合起重设备使用的有关规定。

3、设备安装、调试、运行

设备安装前，根据设备的操作要求及施工方便的原则确定各设备的安装位置、各种管线和电缆的铺设及走向等。对设备的吊运、安装顺序进行计划和安排。

①主顶设备底盘的安装应支撑牢固，防止产生受力变形或位移。底盘的调整的定位宜在将顶管机吊运至底盘导轨上后进行。

②主顶设备液压系统宜设臵在主顶设备附近以便于操作，液压软管接头连接清洁无污染。

③吊运完成后，调整底盘及顶管机机头的位置、高程、中线、仰俯角、旋转角等。

④工作井总电源闸箱及用电设备必须执行三相五线制，且安装漏电保护装置，工作坑及管内使用36V以下的照明设备；总电源的匹配大于顶管施工过程中需同时运行的全部设备功耗之和；长距离顶管时须考虑电缆的电压降。顶管机头内应设有应急照明电源，顶管机机头、工作坑及地面设备之间设置通讯联络设备。

⑤工作井内测量仪器的基座不能固定在主顶装置底盘、工作井后背或其他可能在顶进受力时产生变形或位移的基础上，应安装在独立的固定基座上，以减少重复移动和调整次数；宜使用激光经纬仪或激光指向仪与安装在顶管机内的激光目标靶共同组成方位误差测量系统，对顶进的高程的轴线误差进行全过程的监控。

⑥顶进时应根据所顶管道的管径确定安装通风设备的位置的长度。通风设备结合管内的工作环境条件选定，保证管内有足够的氧气。

4、顶进

设备安装、调试和试运行正常后开始正式顶进。

我们把从破洞一直到第三节砼管全部推进入土中的全过程称之为初始顶进。在顶管施工中，初始顶进是一个至关重要的阶段，它的成败将取决于整个顶管过程的成败。

我们把初始顶进分为以下几步：

第一步是破洞。在破洞之前，洞口必须要有防止土体或砂层塌方的措施。根据土质条件，加固顶管井洞口外土体时可以采用纯水泥浆，也可以掺加适量的粉煤灰。在土质均匀的黄土中顶进时，一般洞口采用砖砌封门；但是在砂土中，比较有效的是采取深层搅拌桩和高压旋喷两种方法，由于前者受施工场地影响，且造价偏高，所以大多市区内施工均采用高压旋喷来对顶管井洞口外土体进行加固。

第二步是让顶管机入土。当封门破除后，可把顶管机刀盘开动，用主顶油缸徐徐把顶管机推入土中。这一过程中应注意防止刀盘嵌入砂土中不转而顶管机壳体旋转，我们采取了控制顶进速度和在顶管机左右两侧加设角撑的办法来防止其旋转。

第三步是将机头后方的两根砼管与机头管连接，形成一个整体，用来控制顶进段的高程和中线。至此，初始推进工作完成，此时应停下来进行一次全面的测量，并把测量数据绘成曲线，便于分析。

在初始顶进中还需注意，应在初始顶进的后期方可以进行正常的方向校正工作，这是因为如果当第一节砼管尚未与顶管机后壳体联接时进行纠偏，这时顶管机的前壳体已在土中，后壳体沿在导轨上，纠偏时前壳体不动，后壳体则有可能偏离导轨，不仅起不到纠偏作用，反而会带来更多的麻烦。在初始顶进阶段若非要纠偏不可，这时也只能用纠偏油缸推出（即用纠偏油缸伸出），而不能用纠偏油缸拉（即不能用纠偏油缸缩回）。

顶进过程中的纠偏是顶管作业质量好坏的关键，若操作不当，可能造成顶力骤升、管接口破损，严重时可能造成管道无法顶进，引发严重的安全、质量事故和重大经济损失，尤其是在砂层中顶进，管道极易因为泥水过度冲刷造成顶管机机头下沉，因此，对于顶进过程的纠偏显得尤为重要。在机头和机头连接工具管出洞前，即使发生中线和高程偏差，也尽可能不要纠偏，因为此时纠偏，机头连接管尚位于导轨上，起不到纠偏效果；机头连接管出洞后，若高程中线在±2㎝以内时，可不纠偏，当高程或中线超出标准值2㎝以上时，根据监视器内的光点位置变化趋势进行纠偏，必须有一个提前量，纠偏遵循“先纠高程，后纠中线，

纠偏时还应观察监视器内仰俯角和旋转角变化，作为参考数值，仰俯角和旋转角最大偏差不得超过原始值当监视器中光点发生显著变化时，应停止顶进，测量人员须下坑对经纬仪进行重新校正复核，查找是否属仪器被触碰或震动所致；若不是，须进行原因分析，并会商处理办法。

顶进工程中，操作人员应随时监测监视器各项数据的变化，并及时记录，在分析记录数据的基础上进行纠偏。测量人员应对激光经纬仪进行每作业班次不少于两次的校核，并保留校核纪录。

5、中继间顶进

使用中继间接力顶进是长距离顶管的重要技术措施，随着顶进距离的增加，管壁与土体的摩阻力随之加大，虽然利用触变泥浆可以减阻，但其作用毕竟有限。长距离顶管应设臵中继间，采用中继间接力顶进技术，可提高一次顶进的距离，并减少工作坑，降低施工成本。

6、掘进机接收

接收井一般设在管线的检查井位置。接收井的开挖、支撑方式与工作井类似。在有地下水地段应进行降水处理。接收井的尺寸应满足顶管机与首节管子脱离后进行设备检查、维护及吊运所需空间要求。接收坑应预留顶管机出洞口，洞口直径宜大于顶管机直径10～20cm，顶管机临近接收坑井壁1～2m时，应调整、控制顶管机顶进速度，加密对顶管机轴线的测控。

現代化城市建设中，顶管施工被广泛应用于排水管道的施工中，而土压平衡顶管工艺有时我们最常采用的，顶管施工与开槽埋管法相比，施工场地占用小，适应在市区街道建筑密集的场合下施工，不需封闭道路、交通，对周围环境、交通影响小。与普通挤压式顶管施工相比，由于对土体的扰动小，能有效地控制地表的沉降和隆起，可大大地减小由施工所引起的道路、地下管线、建筑物的破坏而带来的损失，有明显的社会、环境效益。

参考文献：

[1]葛春辉著《顶管工程设计与施工》

[2]江玉生等著《土压平衡盾构掘进技术》