浅谈手掘式顶管施工工艺在无水砂卵地层当中的应用

白战存

摘 要：根据手掘式顶管施工工艺在张家口市西部污水管道一期工程穿越清水河南路顶管工程当中的实际应用，重点讨论了手掘式顶管施工工艺在无水砂卵地层当中应用时所涉及的关键施工技术，并对顶管施工过程中出现的问题进行了分析与说明。

关键词：手掘式顶管；砂卵地层；应用

伴随着城市建设的快速发展，采用非开挖技术进行铺设各种管道的做法已经被工程建设者广泛关注。尤其是手掘式顶管施工工艺凭借其不需要开挖路面，对周围的环境及交通影响小，工作原理简单，纠偏容易，操作灵活及成本低等优势在市政工程施工过程当中的应用越来越多并且成为首选。张家口市西部污水管道一期工程穿越清水河南路施工段采用手掘式顶管施工工艺成功穿越了无水砂卵地层，圆满完成了工程建设任务。

1 工程概况

本工程为张家口市西部污水管道一期工程的一部分，穿越清水河

南路位置位于南环路中心线向南约1135米处，顶管长度为80米，其中穿越城市主干道长约59米，管径为DN1050，管材为Ⅲ级钢筋混凝土顶管专用管材，接口为橡胶圈承插接口。管道管内底标高西高东低，坡度为2‰，污水自西向东重力式自流，管顶平均覆土厚度为6.3米。

2 场地工程地质及水文地质

拟建管道经过的地段属于清水河冲洪积扇地貌单元。根据勘探揭

露，管道沿线地层自上而下由新到老主要为填土、细砂、砾砂、卵石构成。

杂填土①、耕植土①1：结构疏松，成分复杂，工程性质不稳定。不宜做地基土使用。

粉土②、淤泥质粉土②1：高压缩性，固结程度差，分布不连续，工程性质不稳定。不宜做地基土使用。

细砂③：松散-稍密，分布连续，厚度较稳定，工程性质较稳定。宜做一般建筑物地基使用。

砾砂④：稍密，分布较连续，厚度较大，工程性质稳定。宜做一般建筑物地基使用。

卵石⑤：中密，分布连续，厚度大，局部夹圆砾⑤1透镜体，中密和砾砂⑤2透镜体，中密。整体工程性质稳定。宜做本工程建筑物地基使用。

场地内地下水位埋深大于12.5米。

3 施工方法选择

管道主要穿越地层为砂卵层伴有漂石，且清水河南路为出入张家口市区的主干道，车流密集。考虑到以上因素，结合现场实际情况及管材尺寸等条件，确定采用成本低廉、操作灵活的手掘式顶管施工工艺。

手掘式顶管施工工艺的施工原理是在设计管线位置的起点和终点设置顶管工作坑和接收坑，根据需要工作坑可以设计成方形或圆形，本工程为方形。工作坑内设置坚固的后靠背，钢筋混凝土管前端设置工具管，按照设计要求确定好管线的中线和高程，一边掏土一边用油压千斤顶缓慢顶进。在顶进的过程当中通过注浆设备使管节周围形成触变泥浆套，管道在泥浆套中滑行。同时，在顶进的过程中反复利用测量仪器控制管节行进的方向，直至将管节顶至接收坑内。

4 手掘式顶管施工的关键施工技术

1、顶力计算

依据顶力公式计算顶力：

P=NGL

P为总顶力

N为土质系数，本工程取2

G单位管体自重

L为管长

代入数据计算出顶管阻力为1568KN，选用2台200t千斤顶水平顶进可满足要求。

2、顶进施工

⑴顶进的流程为：下管—测量—挖土—出土---顶进---校测—下管—接口—顶进

⑵管节在顶进的过程当中，阻力主要来自两方面，一方面为正面阻力，另一方面为管节与周边土体的摩擦阻力。为了减少正面阻力，在顶管的前端需要设置工具管。同时随着顶进距离的增加，摩擦力快速加大。为了减小摩擦阻力，通常需要利用注浆设备向管节外围注入触变泥浆。为了保证注浆的效果，在每节混凝土管身中间环向均匀布置3个注浆孔，每两个孔的夹角为120°。触变泥浆主要成分为膨润土，注浆压力可按不大于0.1MPa开始加压。在注浆过程中的注浆流量、压力等施工参数，应按减阻及控制地面变形的量测资料调整。在施工操作时，必须坚持“先压浆后顶管，边压浆边顶进，停顶进勤补浆”的原则维持泥浆的减阻性能。

⑶顶进方向的控制

对于顶进方向控制而言，顶进第一节管时的方向控制尤为重要。由于在顶第一节管时，特别是在刚进洞时，由于入土较少，第一节管的自重仅由两点支承，其中一点是导轨，另一点是入土较浅的土体。土体有可能受到扰动，使得支承面上承载力较低，端头容易下沉。因此，入洞时在入洞管下部要有支托，工具管的推进要迅速。同时，要通过调整纠偏千斤顶的尺寸来控制顶管方向。

为了使管道按照设计要求的高程和方向顶进，在顶进过程中还应不断的对工具管的高程及中线进行测量，要做到“勤测勤纠”，根据测量结果，及时调整纠偏千斤顶，使工具管改变方向，从而实现顶进方向的控制，确保管道按设计轴线顶进。

⑷泥浆置换

管节顶进施工完毕之后，为了保证管节周围的密实度，防止土体下沉，需要用水泥浆对触变泥浆进行置换。水泥浆的主要成分为水泥和粉煤灰。

五、顶管施工过程中可能出现的问题及应对措施

1.管道纠偏

偏差主要是由于开挖断面形状不正确、工作面土质不均匀、千斤

顶位置不正确等引起，施工中必须予以重视，必须加强量测及调整工作。偏差不可避免，发生时随时纠正，纠偏工作应按下列情况采取相应方法进行：

⑴发现管段左右偏斜，在偏的一侧少挖土，在另一侧多挖土，逐渐调整纠偏。

⑵管子发生“低头”现象，且误差不大时，可将小千斤顶放在垫木上，着力点在管端上口，随顶进随放松千斤顶，使管节逐渐恢复到正确位置。

⑶管节低头严重时，在管内设千斤顶拖架，用千斤顶予以校正，校正时应将固定管节用的临时联接内涨圈木楔松开，待校正完成以后再用木楔楔紧。

⑷当管节出现“昂头”现象，可将管底土适当多挖，或将千斤顶着力点向上少许移动，待恢复正常后再将着力点移回原位。

2.管節破碎

管节破碎的原因往往是由于管材质量不合格或者是顶进过程中

受力不均偏心造成的。受力不均偏心造成的破坏，一般出现在管节轴线发生变化的部位。由于管节轴线的变化导致应力的集中超出管材的承载力造成破坏，出现这种情况必须及时纠偏并且重在预防。如果管节的破坏没有规律且多处发生，此时就要怀疑管材的质量是否存在问题，要更换合格的管材。

3.地面沉降或隆起

顶进过程中发生地面沉降或隆起往往是由于管道上方土体不稳定、超挖、塌方、注浆压力过大等原因造成的。为了避免这种不良情况的发生，可采取以下措施进行防范。首先，在顶进的过程当中，在顶管施工沿线要按一定间距布设沉降观测点，监测顶管顶进施工期间的地面沉降量，要注意防止地面的沉降或隆起；其次，在注浆时要控制好压力，要做到注浆压力和土体的压力平衡，防止地面隆起；再次，工具管前端挖土时要根据土体的稳定性确定开挖的长度，切不可一次开挖太长，防止土体坍塌，造成路面下陷；最后，对管道接口的密封质量要严格控制，防止管道渗漏造成路面下陷。

4 结束语

通过本工程的实际应用，进一步验证了手掘式顶管施工工艺在砂卵地层当中应用的成熟性。伴随者社会以及城市建设的快速发展，特别是对旧城改造力度的不断加大，各种地下设施的新建以及原有地上设施的入地改造规模越来越大，致使地下空间越来越紧张。为了能够更加充分的利用地下空间，合理的布置各种地下设施管线，市政设施的规划以及施工要求越来越严格。过去，由于受施工现场条件的限制，很多时候无法进行开挖施工，致使各种市政管线的敷设处处受制、困难重重。随着顶管施工工艺技术的日趋成熟，以上问题便可迎刃而解，各种市政管线的布置越来越灵活、科学、合理，可极大的满足市政工程规划以及建设的要求。在市政工程建设当中，手掘式顶管施工工艺作为一种实用的施工工艺将被人们普遍运用。

参考文献

[1]刘灿生，黄毅轩，给水排水工程施工手册（第二版）。

[2] 给水排水管道工程施工及验收规范（GB50268-2008）。