顶管技术在公路建设中的应用

韩燕辉

(安徽省六安市公路管理局，安徽 六安　237005)



顶管技术在公路建设中的应用

韩燕辉

(安徽省六安市公路管理局，安徽 六安237005)

摘要：文章结合G312六安段一期工程过路雨水管顶管施工实例，简要介绍了顶管施工工艺及控制要点，顶进过程中，技术人员和施工人员严格按照操作规范和测控制度进行操作施工，才能保证工程施工顺利进行。以期为同类工程提供经验。

关键词：顶管；工作井；注浆；施工

0引言

随着安徽省普通国省干线公路二级升一级公路改造的快速推进，穿城路段在设计时一般按一级公路兼顾城市道路功能标准设计，这就使公路在穿城段，还要具有雨水、污水、照明及绿化等设施。在雨、污水管的施工中，为减小大开挖对施工安全、环境、交通产生的影响，往往应用顶管技术施工。顶管技术是一种利用岩土钻凿手段，更换或敷设地下管线的管道技术。由于不需要开挖地面，所以能够穿越公路、河流或其他建筑物，是一种能够安全有效地保护环境减小干扰的施工方法[1-4]。本文结合G312六安段一期工程雨水过路管(Φ1 200 mm)顶管施工实践，介绍顶管施工流程及注意要点。顶管施工前期准备工作包含场地勘查和人员、材料及设备准备。

1场地勘查

(1) 地质环境勘查。主要参阅设计方提供的地质报告，本项目位于六安市城东境内，属于江淮波状平原区，地形呈波状起伏，岗坳相间。管线土层自上而下划分，第①层填筑土：层厚为2.4～2.2 m，褐黄色，以可塑状态的粉质黏土为主，中压缩性土，含植物根系，局部为杂填土。第②层粉质黏土：红褐色，可塑-硬塑状态，中压缩性土，含铁锰结核。层厚为3.3～5.40 m。未见软弱地层(这里主要指淤泥、细砂等饱水后具有流动性的地层)分布，施工地质情况较好，不需要采取降低地下水位措施。

(2) 地下管线及障碍物探测。地下管线一般包括煤气、供排水、强弱电等；障碍物一般包括废弃的地下构筑物、建筑垃圾和高空路灯、标牌等。探测主要分为资料调研、仪器探测和明槽探测三步。通过探测找出影响工作井、接收井和顶管施工的障碍，以便提前做好迁移或避让。

(3) 人员、材料及设备准备。人员准备主要是配备土建与机械方面的施工技术人员和熟练的专业施工队伍，提前做好分工和技术交底，施工时密切配合。材料、设备准备主要是提前准备好长臂挖掘机、装载机、自卸车(外弃土方)以及管材、顶管成套设备、机电设备、吊车和其他施工所涉及到的仪器设备等。

2顶管施工

2.1测量放样

组织技术人员对设计方提供的导线点和水准点进行复核，引测、布置导线控制网和水准控制网。对于导线网允许偏差，边长为L/5 000，角度闭合差为±40 ″，水准网允许偏差为±12 mm。根据施工需要建立临时水准点，测量管线地面高程，确定挖深。

2.2设置工作井和接收井

顶管施工须设独立的工作井和接收井，工作井和接收井的施工工艺基本相同，因接收井受力简单、几何尺寸较小，一般采用较简单的施工工艺。

(1) 工作井设置。本项目工作、接收井分别设置于主路两侧雨水检查井位上， 工作井深度在8 m左右，采用下部“沉井”、上部砖砌井支护方式，沉井高度为4 m，内径为6 m(壁厚为0.5 m)，砖砌井高度为3～4 m。工作井沉井按双层双向配筋,水平筋尺寸为Φ16 mm@150 mm，竖向筋为Φ18 mm@150 mm。

工作沉井施工程序为：基坑测量放样→基坑开挖→立井筒内模和支架→钢筋绑扎→立外模和支架→浇捣混凝土→养护及拆模→井点安装及降水→凿除垫层、挖土下沉→沉降观察→浇筑混凝土垫层→绑扎底板钢筋、浇捣底板混凝土→混凝土养护→上部砖砌井施工→井周回填。其中沉井下沉采用臂长15 m挖机挖出井内土方，挖土时须连续作业，均匀开挖，防止沉井突沉造成沉井倾斜。

(2) 接收井的设置。本项目接收井地质条件较好，埋置不深，施工时采用砖砌逆作法井施工工艺。施工程序为：井位测量放样→基坑开挖→井内土方开挖→水泥沙浆砖砌井壁→底板钢筋绑扎→底板混凝土浇筑→底板混凝土养护。本法砖砌井壁采取倒砌、分节施工法，每下挖0.5～1.0 m深的土井壁用M7.5水泥砂浆砌筑MU10砖，外壁同土体接触空隙处用1∶2防水水泥砂浆灌满填实。待上部砖砌体强度达到70%，再继续下挖土砌筑井壁。井内土方开挖至到位后，进行钢筋混凝土底板的施工。接收井根据井的深度要求大于6 m时，采用中间增设2道钢筋混凝土过梁，小于6 m时采用中间增设1道钢筋混凝土过梁。

2.3顶管系统就位

(1) 顶管测量控制。根据设计方提供的测量控制点，在工作井周围布设2个高精度的控制点，用以测放、检查和修正工作井井区和井下的测量点。测量平台置于井下顶管轴线上，靠近后靠背处，通过控制点将顶管测量起始点测放其上，并在井中布设2～3个稳固的后视点，以便校核。起始点对顶管测量精度至关重要，故井下测量平台要单独设置，不与管道、设备、后靠背接触，不受顶管操作影响，以保持其稳定性。

本工程顶管测量距离在50 m左右，顶管方向与高程控制直接用置于井下测量平台起始点上的激光经纬仪对顶管机上方的光靶即可。顶管过程中应对起始点和后视点进行检查校核，发现偏移过大需查明原因并及时修正。每段顶完后，应重新进行一次管道中心和高程测量。

(2) 设备安装。井下设备安装包括导轨安装、千斤顶安装、后背墙安装及顶管机井下就位。 安装时,导轨应与工作井底板上的预埋铁板焊接，2个导轨应顺直、平行、等高，其纵坡应与管道设计坡度一致。千斤顶固定在型钢制作的千斤顶支架上，支架焊在井底的横梁上，千斤顶着力点应在与水平直径成90°的顶管圆周上，即与管道中心的垂线对称，其合力作用点在管道圆心上，每个千斤顶的纵线坡度应与管道设计坡度一致。

后背墙是工作井重要组成部分，提供反向推力，虽是临时性结构物，但它决定了管道顶进的成败，必须安全可靠。后背垂直于中轴线，要求壁面平整密实且具有足够的强度及刚度。本项目为满足本工程管径Φ1 200 mm顶管的要求，后背设计为宽2 m、高2.5 m、厚0.2 m的钢板内浇C25钢筋混凝土结构，后背钢筋采用单层双向钢筋网片形式，具体配制为Φ18 mm@150 mm。

顶管机下井需在井下设备安装完成后进行，顶管机与止水环及分压环的间隙应调试准确无误[5]。

2.4顶管施工步骤

(1) 顶管出洞。顶管出洞是指顶管机和第一节管子从工作井中破出洞口封门进入土中，开始正常顶管前的过程，是顶管的关键工序，也是易发生事故的工序。顶管机头在井内管床就位，调试完毕后，用气割割除洞口的钢板，将机头穿进橡胶密封圈顶入土中，同时在机头与洞口的缝隙中注满膨润土泥浆，以润滑管道、支护土体。

顶管出洞时顶管机未被土体包裹，处自由状态，而使顶头出洞的主千斤顶顶力巨大，即使出现少量不均匀或土质不均匀，造成各千斤顶的行程不等，也可能使顶头和第一节管子偏离设计轴线。此时的土体难以对机头产生较大反力，起到导向约束作用，故此时产生的偏差很难纠正。施工时须用激光经纬仪随时测量监控，保证顶头和第一节管子位置正确。顶管机下方两侧设有止退插销，在顶管机出洞时，当千斤顶松开时应插入止退插销，防止顶管机被土压力向后推回。

(2) 顶管进洞。顶管进洞是指一段管道顶完，顶管机破进洞口封门进入接收井，并作好顶管机后一节管与进洞口的密封联接过程。顶管机进洞前应对洞口外土体进行防渗注浆，并留有足够的固化时间。顶管机进入加固土体并到达洞口外侧时，割除钢封门，将顶管机顶入接收井[6]。

(3) 膨润土泥浆减阻。优质膨润土泥浆具有良好的触变性与润滑性，将其压到管外壁，包裹住管子，可减小管外壁与土壤间的摩阻力。若压浆技术得当，压浆管分布合理，膨润土质量好，可大大降低摩阻力[7]。

因此，在注浆时应选择优质的触变泥浆材料，对膨润土取样测试，主要指标为造浆率、失水量的动塑比。

在管节上预设压浆孔，压浆孔的设置要有利于浆套的形成。压浆以同步注浆为主，补浆为辅。在顶进过程中，要经常检查各推进段的浆套形成情况。注浆量应与顶进速度相匹配。

(4) 掘土及出土。顶进时通过挤压式顶管机前部喇叭形管口挤压土体，由千斤顶推动管道将土体挤压进顶管机内，通过设置在喇叭口上的切削器将土体分解后装车运至工作井内，再由安装于工作井上方的垂直起重机械吊起，视场地情况现场堆放或装车运走；一根管子顶进结束，通过起重机械将井上新的管子吊至井下，继续顶进，如此反复直至管道顶进结束。

3顶管施工问题及处理措施

(1) 顶管机旋转。顶管机在顶进过程极易发生旋转，本工程将采取配重法进行控制。在顶头内摆放配重，若顶管机左旋，即在机内右侧摆放配重，若右旋，配重就摆左边，实践证明效果良好。

(2) 管节接头漏浆。管节接头渗漏一般很少出现，出现位置多在膨润土压浆孔处(因膨润土泥浆压浆压力过大挤入管内)，施工中如出现，可用专用止水钢环临时止水，待顶管结束时再作永久性止水处理[8-9]。

(3) 地面沉降或隆起。控制沉降与隆起的主要技术措施是严格控制出土与顶进的量与速度，避免超量土体出土和顶管机的过量挤进，使出土与顶进始终处在动态平衡状态。加强膨润土泥浆压浆，泥浆在顶管中起润滑与支护双重作用，在管外壁与土间始终充满膨润土泥浆，支护着管周土体不挤向管外壁[10]。

(4) 崩铁事故。崩铁事故多发生在顶力最大时，即顶最后几节管的时候。崩铁产生的原因主要是纵向顶铁过长而顶力偏斜产生偏心荷载造成。因此，要采取必要的防止和处理措施，不断观察压力表指针的变化。在最后几节管顶进时，应仔细检查顶铁安装的情况，注意观察管端面是否脱落表层，纵向顶铁是否有外拱现象，发现后应立时停止顶进。整理纵向顶铁系列，并在系列中加横向顶铁以减少纵向顶铁长度。

(5) 后背破坏。在顶进过程中，出现管节在顶力作用下不向前进反而不断向后压缩后背，纵向顶铁向上隆起或向下啃导轨的现象。后背破坏的原因主要是后背安装不垂直，机头前方土质坚硬，顶力超出后背承受力而产生偏心荷载。当后背上部压缩大于下部时，顶力偏上，与管道轴线不一致，则顶铁向上拱起；反之，顶铁向下拱啃导轨。因此，严格按要求安装后背，仔细检测后背的垂直度。顶时过程中顶进速度突然增加时，要检查原因，不能随意顶进。若事先估算顶力大，而后背又不能负担时，要采取必要的构造措施。

(6) 管节破裂。在顶进过程中，发现管壁着力的地方出现灰屑脱落和管壁外皮脱落现象，进而造成管节破裂。管节破裂的原因主要有管节混凝土标号低于设计标号；管节端面不平并有石子凸出，使接触面积减少，造成局部应力集中；管壁较薄，接触面积又少，当顶力突然增加时，也容易产生裂缝。因此，下管前要检查管节，顶薄壁管时一定要用弧形顶铁扩大承压面积，并在管壁与顶铁之间设垫层，使其受力均匀以减少应力集中；采用管外润滑降低顶力等。

4结束语

顶管是一个涉及工程地质、测量和机械等专业知识的非开挖技术，有着广泛的应用空间。顶管施工应该由岩土、测量和机械等专业技术人员组成的技术小组共同管理，技术小组针对地质环境和机械设备组成的整体系统，详细地进行分项分析，从细节入手，制订较细的顶管方案。顶进过程中，技术人员和施工人员严格按照操作规范和测控制度进行操作施工，才能保证工程施工顺利进行。

〔参考文献〕

[1]冯天伟.顶管施工技术的应用与分析[J].天津建设科技,2013,23(3):62-64.

[2]吴慧佳.浅谈顶管施工在实际工程中的应用[J].山西建筑,2009,35(33):152-153.

[3]李健.顶管施工法的技术特点分析[J].筑路机械与施工机械化,2006,23(7):1-3.

[4]叶耀东，唐益群.城区顶管施工工艺探讨[J].施工技术,2002,31(1):34-35.

[5]余彬泉，陈传灿.顶管施工技术[M].北京：人民交通出版社，1997.

[6]葛金科，沈水龙，许烨霜.现代顶管施工技术及工程实例[M].北京：中国建筑工业出版社,2009.

[7]李辉，王成.注浆减摩技术在顶管施工中的应用[J].水运工程,2010(3):144-146.

[8]吴丽娟.城市污水管道顶管施工工艺及问题[J].科技资讯,2009(8):32.

[9]何耀涛.市政工程中顶管施工技术要点[J].中国市政工程,2008(6):71-72.

[10]魏纲，吴华君，陈春来.顶管施工中土体损失引起的沉降预测[J].岩土力学,2007,28(2):359-363.

收稿日期：2015-12-29

作者简介：韩燕辉(1973-)，男，安徽六安人，安徽省六安市公路管理局高级工程师．

中图分类号：TU745.3

文献标识码：A

文章编号：1673-5781(2016)01-0106-03